응용 SW 기초, 페이지 교체와 OSI 7계층
정보처리기사 실기 10장 응용 SW 기초 기술 활용은 운영체제와 네트워크라는 컴퓨터 시스템의 두 근본 기둥을 종합적으로 다루는 영역이다. 흔히 가장 광범위한 챕터로 꼽히지만, 시험에서 자주 출제되는 영역은 의외로 좁게 압축된다. 가상 기억장치의 페이지 교체 알고리즘, OSI 7계층과 TCP/IP 4계층의 매핑, 그리고 TCP와 UDP의 차이가 매회 반복적으로 출제된다. 본 글은 한 글에 1~2개 핵심 원칙에 따라 이 세 영역을 시험 답안에 직접 활용 가능한 정형화된 형태로 정리한다.
운영체제와 페이지 교체 알고리즘
가상 기억장치(Virtual Memory)란 보조 기억장치의 일부를 주기억장치처럼 활용해 실제 물리 메모리보다 훨씬 큰 가상의 주소 공간을 제공하는 기법이다. 모든 프로그램은 자신만의 독립적인 가상 주소 공간을 갖는다고 믿고 동작하며, 운영체제와 MMU(Memory Management Unit)가 가상 주소를 실제 물리 주소로 변환해주는 역할을 수행한다. 가상 기억장치의 구현 방식은 크게 두 가지로 나뉘는데, 고정 크기 단위로 나누는 페이징(Paging)과 가변 크기 단위로 나누는 세그멘테이션(Segmentation)이다. 현대 운영체제는 두 방식의 장점을 결합한 페이지화된 세그멘테이션 또는 세그먼트화된 페이징을 채택하고 있다.
가상 기억장치 운영의 핵심 문제는 페이지 부재(Page Fault)이다. 프로세스가 참조하려는 페이지가 주기억장치에 없을 때 발생하는 상황으로, 이때는 보조 기억장치에서 해당 페이지를 가져와야 하며, 빈자리가 없다면 기존에 있는 페이지 중 하나를 선택해 교체해야 한다. 어떤 페이지를 교체할지 결정하는 기준이 바로 페이지 교체 알고리즘이며, 시험에서는 다음 다섯 가지 알고리즘이 매회 출제된다.
첫째, FIFO(First In First Out)는 가장 먼저 적재된 페이지를 우선적으로 교체한다. 구현이 단순하다는 강점이 있지만, 가장 오래된 페이지가 가장 자주 쓰이는 페이지일 수도 있어 효율이 떨어진다. 둘째, LRU(Least Recently Used)는 가장 오래 전에 사용된 페이지를 교체한다. 시간 지역성(Temporal Locality) 원리에 부합하기 때문에 실무에서 가장 널리 사용되며, 시험 답안에서도 가장 자주 등장한다. 셋째, LFU(Least Frequently Used)는 사용 빈도가 가장 낮은 페이지를 교체한다. 자주 쓰는 페이지를 잘 보존하는 강점이 있지만, 초기에 자주 쓰이고 이후 쓰이지 않는 페이지를 잘 못 빼낸다는 한계가 있다.
넷째, OPT(Optimal) 또는 Belady 알고리즘은 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 교체하는 이론상 최적의 알고리즘이다. 다만 미래의 참조를 알아야 하기 때문에 실제로는 구현 불가능하며, 다른 알고리즘의 성능을 비교하는 기준점으로만 사용된다. 다섯째, NUR(Not Used Recently)은 최근에 사용되지 않은 페이지를 교체하며, 참조 비트(Reference bit)와 변형 비트(Modified bit) 두 개의 비트를 사용해 LRU에 가까운 효과를 더 적은 비용으로 달성한다. 이러한 페이지 교체 외에도 자주 출제되는 개념이 워킹셋(Working Set)과 스래싱(Thrashing)이다. 워킹셋은 일정 시간 동안 자주 참조되는 페이지의 집합이며, 스래싱은 페이지 부재가 너무 빈번해 CPU 사용률이 급격히 떨어지는 현상을 가리킨다.
네트워크 7계층과 프로토콜
OSI 7계층 모델은 1984년 ISO가 제정한 네트워크 통신의 표준 참조 모델로, 통신 과정을 일곱 개의 추상화된 계층으로 나누어 표현한다. 각 계층은 자신의 책임만 수행하고 인접 계층과 표준화된 인터페이스로 통신하기 때문에, 한 계층의 변경이 다른 계층에 영향을 주지 않는다. 시험에서는 일곱 계층의 명칭과 각 계층에서 사용되는 대표 프로토콜이 매회 출제되므로 정확히 외워두어야 한다.
위에서 아래로 살펴보면 다음과 같다. 7계층 응용 계층(Application)은 사용자가 직접 마주하는 최상위 계층으로, HTTP·FTP·SMTP·DNS·Telnet 같은 프로토콜이 이 계층에서 동작한다. 6계층 표현 계층(Presentation)은 데이터의 형식·암호화·압축을 담당하며, JPEG·ASCII·SSL/TLS가 대표적이다. 5계층 세션 계층(Session)은 두 시스템 사이의 연결을 관리하고 유지·종료를 담당한다. 4계층 전송 계층(Transport)은 종단 간 신뢰성 있는 데이터 전송을 책임지며, TCP와 UDP가 핵심 프로토콜이다.
3계층 네트워크 계층(Network)은 패킷의 라우팅을 담당하며, IP·ICMP·ARP·라우팅 프로토콜(RIP·OSPF·BGP)이 이 계층에서 동작한다. 라우터가 작동하는 계층이기도 하다. 2계층 데이터 링크 계층(Data Link)은 인접 노드 간 프레임 전송과 오류 검출·정정을 담당하며, 이더넷·MAC 주소·스위치가 여기에 속한다. 1계층 물리 계층(Physical)은 가장 아래 계층으로 비트 단위의 전기 신호를 실제 매체를 통해 전송하며, 케이블·허브·리피터가 작동한다. 계층 명을 영문 첫 글자를 따 위에서부터 APSTNDP 또는 한글로 응표세전네데물로 외우는 방식이 널리 활용된다.
OSI 모델은 이론적이고 학문적인 모델인 반면, 실제 인터넷에서 사용되는 모델은 TCP/IP 4계층 모델이다. 두 모델의 매핑 관계는 시험에서 자주 묻는 항목이다. TCP/IP의 4계층 응용 계층은 OSI의 응용·표현·세션 계층(5·6·7)을 통합한 것이고, 3계층 전송 계층은 OSI의 전송 계층(4)에 그대로 대응된다. 2계층 인터넷 계층은 OSI의 네트워크 계층(3)에 해당하며 IP가 핵심이다. 1계층 네트워크 액세스 계층(또는 링크 계층)은 OSI의 물리·데이터 링크 계층(1·2)을 합친 것이다. TCP/IP는 OSI보다 단순하고 실용적이기 때문에 실제 인터넷의 표준으로 자리 잡았다.
TCP/UDP 비교와 IP 주소 체계
전송 계층의 두 핵심 프로토콜인 TCP와 UDP는 시험에서 가장 자주 비교되는 항목이다. 두 프로토콜은 같은 계층에서 동작하지만 신뢰성·속도·연결 방식에서 결정적으로 다른 특성을 가지며, 어떤 응용에 어떤 프로토콜을 사용해야 하는지를 구분하는 능력이 시험 답안의 핵심이다.
TCP(Transmission Control Protocol)는 연결 지향형(Connection-oriented) 프로토콜로, 데이터를 보내기 전에 송신자와 수신자가 3-way 핸드셰이크(SYN → SYN-ACK → ACK)를 통해 연결을 수립한다. 패킷의 순서를 보장하고, 손실된 패킷은 재전송하며, 흐름 제어(Flow Control)와 혼잡 제어(Congestion Control)를 통해 네트워크 상황에 맞춰 전송 속도를 자동 조절한다. 이러한 신뢰성 보장 메커니즘 덕분에 데이터의 정확한 전달이 보장되지만, 그만큼 오버헤드가 커서 속도가 느리다는 단점이 있다. HTTP·HTTPS·FTP·SMTP·SSH 같은 신뢰성이 중요한 프로토콜이 모두 TCP 위에서 동작한다.
UDP(User Datagram Protocol)는 비연결형(Connectionless) 프로토콜로, 연결 수립 과정 없이 곧바로 패킷을 전송한다. 신뢰성 보장 메커니즘이 없어 패킷의 순서·손실·중복을 보장하지 않지만, 그만큼 헤더가 작고 속도가 빠르다는 강점이 있다. 실시간성이 신뢰성보다 더 중요한 응용에 적합하며, DNS·DHCP·VoIP·실시간 스트리밍·온라인 게임이 대표적이다. 한 줄로 정리하면 TCP는 신뢰성이 우선인 통신, UDP는 속도가 우선인 통신이라고 표현할 수 있다.
IP 주소(Internet Protocol Address)는 네트워크 계층에서 호스트를 식별하는 고유 번호이다. 가장 널리 사용되는 IPv4는 32비트로 약 43억 개의 주소를 표현할 수 있으며, 일반적으로 점으로 구분된 십진수 네 자리로 표기된다. 다만 인터넷 사용자가 폭증하면서 IPv4 주소가 사실상 고갈된 상태이며, 그 후속으로 등장한 것이 128비트 주소 체계인 IPv6이다. IPv6는 사실상 무제한에 가까운 주소를 제공하며, 헤더 단순화·자동 설정·향상된 보안 기능을 함께 갖추고 있다. 또한 IP 주소는 클래스(Class) 기반으로 분류되기도 하는데, A 클래스는 1.0.0.0
126.255.255.255 범위로 대규모 네트워크용, B 클래스는 128.0.0.0
191.255.255.255 범위로 중규모용, C 클래스는 192.0.0.0~223.255.255.255 범위로 소규모용이다. D 클래스는 멀티캐스트, E 클래스는 예약용으로 사용된다. 최근에는 클래스 구분 대신 CIDR(Classless Inter-Domain Routing) 표기법이 표준으로 자리 잡아, /24처럼 네트워크 비트 수를 슬래시로 명시하는 방식이 널리 활용된다. 운영체제와 네트워크라는 두 영역에 대한 정확한 이해는 응용 SW를 설계하고 운영하는 모든 단계에서 토대가 되는 가장 근본적인 지식이라고 할 수 있다.
메타 디스크립션: 정보처리기사 실기 10장 응용 SW 기초 기술 활용의 핵심인 가상 기억장치 페이지 교체 알고리즘(FIFO·LRU·LFU·OPT·NUR), OSI 7계층과 TCP/IP 4계층 매핑, 그리고 TCP와 UDP 비교·IP 주소 체계(IPv4/IPv6)를 시험 답안 기준에 맞춰 정리합니다.