본 논문에서는 JavaSoft사에서 발표 91996. 5. 29.)한 소형의 효율적인 운영 환경 (operating environment)이라고 할 수 있는 JavaOS에 대하여 기술하고자 한다. JavaOS에는 네트워크 컴퓨터로부터 무선 호출기에 이르기까지 내부에 장착된 마이크로프로세서 상에서 직접 Java 애플리케이션을 수행할 수 있도록 설계된 고도로 집적된 운영체제이다. 따라서 JavaOS는 호스트의 운영체제 없이 하드웨어 플랫폼 상에서 직접 Java 애플리케이션을 수행할 수 있도록 특별히 조율된 runtime을 제공한다. 본 고에서는 서론에 Java란 무엇인가에 대해 먼저 설명하고 이어 내부 구조 및 포팅 방법, 그리고 특성 및 발전 전망에 대하여 기술한다.
I. 서론
JavaOS™는 JavaSoft에 의해 개발된 소형의 효율적인 운영 환경 (operating environment)이라고 할 수 있으며 호스트 운영체제 없이도 하드웨어 플랫폼 위에서 Java™ 응용 프로그램들을 직접 수행할 수 있게 해 준다. Java 플랫폼은 이기종 분산 네트워크 환경의 여러 플랫폼에서 수행될 수 있는 고성능의 안정성 있는 응용 프로그램을 개발할 수 있게 해 준다. 즉, JavaOS의 목적은 이기종의 분산 네트워크 환경에서 Java플랫폼이 간단하고, 정보처리 능력을 가진 동적인 네트워크 장비들로 작동할 수 있도록 지원해 주는 데 있다. 여기서 정보처리 능력을 가진 네트워크 장비라고 하는 것은 본래 장비들이 네트워크로 연결되어 있다 하더라도 프로그램을 로칼에서 수행할 수 있음을 뜻하며, 동적이라는 말은 로컬 스토리지 내에 포함된 일련의 정적인 프로그램만 제한하지 않고 네트워크를 통해 자동적으로 새로운 프로그램을 로드하여 수행할 수 있음을 뜻한다. 이러한 네트워크 장비들은 또한 설치, 관리, 및 사용이 쉬워야 한다.
간단하고, 정보처리 능력이 있으며, 동적인 네트워크 장비들을 만들 수 있는 Java 플랫폼의 장점 때문에, 제한된 하드웨어와 소프트웨어 자원들을 가진 장비들을 위하여 Java 플랫폼을 생각하게 되었으며, 이러한 Java 플랫폼을 지원하기에 충분한 운영체제를 제공하기 위해서 JavaOS가 개발되었다. 하드웨어 자원을 제한하는 이유는 하드웨어 요구사항이 적으면 적을 수록 더욱 많은 형태의 장비를 제작, 판매할 수 있기 때문이며, 하드웨어 요구사항을 줄이는 최상의 방법 중의 하나는 호스트 운영체제에 의해 야기되는 오버헤드를 없애는 방법이다.
본 고에서는 JavaOS 버전 1.0을 중심으로 II장에서 JavaOS란 무엇인가에 대해 설명하고, JavaOS의 성능 및 장점, 목표 시스템 등을 기술하며, III장에서는 JavaOS의 내부 구조 및 포팅 방법, IV장에서는 JavaOS의 특성 및 앞으로 착수 예정인 JavaOS Luna project를 중심으로 JavaOS의 미래를 알아보고, 마지막으로 V장에서는 결론을 기술한다.
JavaOS는 네트워크 컴퓨터 (Network Computer: NC)를 위한 하나의 완전한 환경을 제공하기 위하여 설계된 특성들과 구조를 갖는 Java 중심의 운영체제이다. 네트워크 컴퓨터는 단순한 클라이언트 시스템 관리 기능을 갖는 저가의 컴퓨팅 플랫폼을 제공한다. 다른 Java 환경들은 기존 운영체제 상에서 수행되는 반면에 JavaOS는 네트워크 컴퓨터가 자신의 자원을 관리하고 Java 환경을 지원하기 위해 필요한 운영체제 서비스들만을 제공한다. JavaOS 플랫폼은 100% Pure Java 애플릿들을 수행하기 위하여 최적화되었으며, 웹 브라우저에서 수행되는 똑 같은 Java 애플릿들은 네트워크 컴퓨터의 JavaOS 상에서 수행될 수 있다 [6]
JavaOS는 아래의 그림 1과 같은 클라이언트-서버 컴퓨팅 모델을 지원한다.
JavaOS는 Java runtime의 요구사항들과 하부의 NC 하드웨어의 기능을 잘 조화시켜주며, 이러한 작업을 대규모 운영체제를 이용하지 않고도 수행할 수 있게 해준다. 기존의 운영체제들은 시스템 개발을 복잡하게 하는 불필요한 특성과 서비스들을 가지고 있어 제품 가격이 비쌌지만, JavaOS는 NC가 필요로 하는 요구 사항들을 충분히 만족할 수 있도록 제작되었다. JavaOS의 개략적 구조는 아래의 그림 2와 같다 [6].
JavaOS가 목표로 하는 것들 중 대부분은 NC의 요구 사항들과 엔터프라이즈 컴퓨팅의 경향을 기반으로 삼고 있다. JavaOS가 목표로 하는 사항들을 열거하면 다음과 같다 [6].
- Java 중심
- JDK 지원
- 100% Pure Java
- 최적화된 Virtual Machine
- 클라이언트-서버 모델
- I18N/L10N 지원
- 인쇄 지원
- 개선된 네트워킹 기능 지원
- 편리한 클라이언트 시스템 관리
- 단일 사용자
- 저렴한 비용
- 이식성
- 확장성
- 융통성 있는 부팅 방식 지원
이러한 목적들을 달성하기 위하여 제작된 JavaOS는 적재되는 시스템 환경에 따라 크게 기존 호스트 운영체제와 함께 사용되는 JavaOS와 호스트 운영체제 없이 JavaOS만을 사용하는 두 가지로 크게 나눌 수 있다 [1].
1. 호스트 OS와 함께 사용되는 JavaOS
Java 플랫폼은 Java Virtual Machine (JVM)과 기반 클래스 (Foundation Class)들을 웹 브라우저와 같은 응용 프로그램에 내장하거나, 운영체제 안에 내장함으로써 여러 가지 다른 환경에 제공될 수 있다. 이러한 두 가지 방법 모두 호스트 운영체제의 지원을 필요로 한다.
그림 3은 Java 프로그램들을 기존의 운영체제 상에서 수행할 때 사용되는 소프트웨어 구조를 나타낸다.
그림 3에서 Java API 위의 모든 프로그램들은 플랫폼 독립적이며, 기반이 되는 운영체제나 하드웨어에 관계 없이 Java API는 모든 플랫폼들에 대해서 동일하게 작동한다. API는 Java 프로그래밍 언어로 짜여진 클래스들로 구성된 여러 개의 패키지들로 구현되며, 클래스들의 종류에는 language 및 utility 클래스, Abstract Window Toolkit, network 및 IO 클래스 등이 있다. 인터프리터 (interpreter)와 가비지 콜렉터 (garbage collector)를 포함하고 있는 Java run-time은 대개 플랫폼에 대해 독립적인 C 코드로 대부분이 구현되어 있다. 그러나, runtime을 새로운 플랫폼으로 포팅하기 위해서는 플랫폼 종속적인 코드가 일부 포팅되어야 한다. 또한, Java 클래스들을 운영체제 특징적인 라이브러리나 시스템 콜들로 매핑하는 여러 가지의 라이브러리가 있다.
Java 플랫폼에 제공되는 주요한 특징들은 직간접으로 호스트 운영체제에 요구사항들을 부과하게 된다. 그리고, 대부분의 language 나 utility 클래스들은 운영체제 서비스들을 이용할 수 있다는 가정을 하고 있다. Java runtime의 다중쓰레드 기능 (multi-threading)을 지원하기 위해서는 호스트 시스템은 적어도 context-switching을 위해 어떠한 형태로라도 지원을 할 수 있어야 한다. 만약, 시스템이 쓰레드들에 대한 지원을 잘 할 수 있다면 다중쓰레드 기능을 지원하게 된다. Abstract Window Toolkit 은 abstract graphical user interface를 제공하지만, windowing 및 graphics primitive 기능 등을 구현하기 위해서는 특정한 호스트 운영체제의 기능을 이용해야 한다. Networking 클래스는 인터넷이나 인트라넷에서 프로그래밍을 위한 편리한 abstraction 기능을 제공하지만 이 또한 표준화된 네트워크 프로토콜들을 구현하기 위해서는 호스트 시스템의 기능을 궁극적으로 이용해야 한다. 파일에 관련된 IO 클래스들은 기반이 되는 하나의 파일 시스템이 있다고 가정하고, 간접적으로 Java 애플릿들은 컴퓨터가 키보드, 마우스, 그리고 디스플레이 등과 같은 장비들을 위한 드라이버들을 가지고 있다고 가정한다. Java runtime 및 클래스들을 특정한 운영체제 상에서 수행시키기 위해서는 다음과 같은 여러 가지의 태스크를 처리해야 한다:
2. 호스트 OS 없이 사용되는JavaOS
호스트 운영체제 없이 Java 플랫폼을 제공하기 위해서는 우선 다음의 태스크들을 수행하는 것이 필요하며, 그림 4는 JavaOS 구조의 상위 관점을 나타낸다. (그림 3 참조)
그림 3에서처럼, Java API를 기준으로 그 위의 모든 Java 프로그램과 애플릿은 플랫폼 독립적이다. 기반이 되는 운영체제나 하드웨어가 무엇이든 간에 API는 모든 플랫폼에서 동일하게 작동한다. JavaOS에 의해 지원되는 API는 Java 프로그래밍 언어로 작성된 클래스들로 구성된 똑 같은 패키지들에 의해 구성할 수 있다.
가. Java Kernel
JavaOS 내에서 Java runtime은 사용자들의 응용 프로그램들 뿐만 아니라 시스템 수준의 윈도우즈, 그래픽스, 네트워킹, 그리고 드라이버 코드를 수행한다. 코드의 최하위 계층은 마이크로나 나노 커널의 태스크들을 수행하지만, JavaOS의 전체적인 구조는 Java 응용 프로그램들을 지원한다는 목적 때문에 하부 계층은 Java 커널로 불리고 있다. Java 커널은 JVM이 필요로 하는 하위 수준의 기능들을 포함하고 있다.
부트스트랩 코드는 Java heap에 하나, 그리고 여러 개의 IO 장치 레지스터와 DMA를 위해 여러 개의 메모리 영역을 할당한다. 부트스트랩 코드는 또한 자신이 감지한 하드웨어 장비를 대응되는 디바이스 드라이버로 매핑시킨다.
트랩 및 인터럽트 처리 코드는 트랩과 인터럽트를 서비스하고, 적절한 Java 디바이스 드라이버에서 필요한 정보를 접근할 수 있게 해 준다.
쓰레드 지원 코드는 JVM이 시스템 내에서 수행되는 여러 개의 쓰레드 사이에서 context switching을 할 수 있도록 지원한다. Java 프로그래밍 언어가 제공하는 보호 기능 때문에 JavaOS와 모든 응용 프로그램들은 하나의 주소 공간에서 수행된다. 이것은 JavaOS 내에서 context-switching 코드를 단순화하고 최적화할 수 있게 해 준다.
JavaOS는 Memory Management Unit (MMU)을 필요로 하지 않지만, 여러 개의 서로 떨어진 물리적 기억장치의 범위들을 연속적으로 보이게 하기 위하여 사용할 수 있으며, 이 경우 메모리 할당을 단순화 한다. 어느 경우에나 JavaOS는 부트 타임 후에 MMU를 수정하지 않는다.
JVM은 보통의 시스템들 보다 안전한 프로그래밍 환경을 제공하기 때문에 다운로드된 애플릿들을 포함한 전체 시스템이 CPU의 수퍼바이저 모드에서 수행될 수 있다. 수퍼바이저 모드 만으로도 수행 가능하다는 점과 MMU를 필요로 하지 않는다는 점 모두 JavaOS를 일반적인 운영체제들보다 더욱 단순하고 효율적으로 만드는 요인들이라고 말할 수 있다.
나. Java Virtual Machine (JVM)
JavaOS와 같은 Java 호환성이 있는 시스템에서 JVM은 Java bytecode를 해석하는 데도 이용되지만, JavaOS의 나머지 대부분에 대한 기반구조로도 이용된다. JVM은 시스템 내에 있는 모든 클래스들 내의 bytecode들을 수행하며, 예외적인 경우가 발생했을 때의 처리, 컴퓨터 내 대부분의 RAM 관리, 여러 쓰레드의 동시 수행등과 같은 일들을 처리한다.
다. Device Drivers
JavaOS 내의 모든 디바이스 드라이버들은 Java 프로그래밍 언어로 제작되어 있으며, pure Java 코드로 작성할 수 없는 경우에만 모아서 2개의 지원 클래스를 C로 구현하였다. MemoryObject 클래스는 스토리지의 특정한 바이트나 워드들을 드라이버가 접근하거나 수정할 수 있도록 해 준다. 다른 클래스는 인터럽트 처리를 담당하며, 이러한 클래스의 메쏘드들은 어느 Java 응용 프로그램에서나 이용 가능한 것은 아니다.
현재, 다양한 드라이버들이 개발되어 있으며, third party 업체가 어떤 디바이스에도 적재가 가능한 드라이버들을 구축할 수 있도록 Java Device Driver Interface를 정의하고 있는 과정에 있다.
라. Network Protocol Suite
JavaOS는 Java 프로그래밍 언어로 작성된 여러 가지의 네트워크 프로토콜을 포함하고 있다. 이러한 프로토콜들은 TCP, UDP, IP 및 ICMP 표준들에 의해 지정된 기본적인 전송 및 라우팅 메커니즘들을 포함하고 있다. JavaOS는 호스트 이름들을 찾고 로긴 과정에서 사용되는 사용자 이름과 패스워드들을 제공하기 위하여 DNS와 NIS를 이용한다.
JavaOS는 장치의 네트워크 주소를 알아내기 위하여 Reverse ARDP와 DHCP를 지원한다. JavaOS를 수행하는 시스템은 Network File System 서버의 클라이언트로서 파일들을 액세스할 수 있으며, Simple Network Management Protocol (SNMP)를 이용하여 네트워크 관리가 가능하다. 또한, 네트워크 서버로부터 시간에 관한 정보를 얻을 수 있어서 시스템의 설치 및 관리가 쉽다.
마. Windows and Graphics
네트워크 프로토콜들 이외에 JavaOS에 의해 제공되는 운영체제 기능의 가장 큰 부분을 차지하는 것은 윈도우 및 그래픽스 시스템이라고 할 수 있다. JavaOS는 버튼, 메뉴, 그리고 스크롤바 등과 같은 widget들을 Java 기반으로 구현하기 위하여 소위 “Tiny AWT” 라이브러리를 이용한다. Tiny AWT는 AWT 보다 작아서 “Tiny”라고 하는 것이 아니라 기반이 되는 윈도우 시스템에 대하여 AWT가 보다 적은 요구사항들을 부과할 수 있게 해준다는 뜻을 나타내고 있다. 윈도우 시스템은 Java로 구현되어 단순하고 효율적인 메모리 사용을 지원하며, 오버래핑 윈도우 디스플레이의 관리 기능 뿐 만 아니라, 선 그리기 및 채우기, 호, 다각형, 비트맵 폰트의 렌더링을 할 수 있는 패키지도 지원한다. 그래픽스 코드의 최하위 기능들은 frame buffer memory location들을 직접 액세스하는 것이 필요하기 때문에 native method들로 구현되었다.
바. JavaOS API
JavaOS의 Application Programming Interface (API)는 Java API를 다른 플랫폼에 구현할 때 이용하는 똑 같은 Java 클래스 패키지에 의해 구현된다. 그러므로, JavaOS 상에서 수행하도록 작성한 응용 프로그램들은 Java와 호환성이 있는 플랫폼 상에서 수행 가능하며, 역으로 Java와 호환성이 있는 플랫폼 상에서 수행하도록 작성한 응용 프로그램들은 JavaOS 상에서 수행 가능하다.
사. JavaOS Desktop Environment로서의 HotJava
HotJava는 Java 프로그래밍 언어로 작성되기 때문에 JavaOS 상에서 수행될 수 있다. HotJava와 결합하면 JavaOS는 하나의 완전한 멀티태스킹, 그랙픽 운영 환경으로서 기능을 수행할 수 있다. HotJava는 여러 개의 윈도우를 지원하며 각 윈도우는 HTML 페이지들을 브라우징할 수 있고 여러 개의 애플릿들을 수행할 수 있는 데스크탑 환경의 관리자 기능을 갖고 있다. JavaOS는 HotJava 이외에도 다른 메인 프로그램들을 수행할 수 있으며, HotJava의 유연성과 확장성은 JavaOS 응용 프로그램들에 대한 이상적인 프레임웍을 제공한다.
3. JavaOS는 OS인가?
JavaOS는 정말 운영체제인가? 이는 각자의 관점에 따라 다른데, JavaOS는 다음과 같이 여러 가지 면에서 운영체제와 유사한 점이 많다.
그러나, JavaOS는 다음과 같이 일반적인 운영체제들과는 여러 가지 면에서 다르다.
4. JavaOS의 성능
가. Speed
현재 JavaOS는 성능 조정 (performance tuning)을 하지 않은 상태이고, bytecode를 machine code로 변환하기 위해 “Just-In-Time (JIT)” 컴파일러를 사용하지 않고 있으며, native method들을 최소로 사용하고 있다. 그래서 JavaOS의 성능이 아주 낮을 것이라는 생각이 들지만, 벤치마크 테스트 결과 예상보다는 성능이 좋다는 것이 밝혀졌으며 일부 C나 C++로 작성된 시스템들 보다 어느 면에서는 더 낫다고 판명되었다.
한 예로, 워크스테이션과 고성능 개인용 컴퓨터에서 간단한 Java 프로그램의 성능을 측정했을 때, 새로운 개체를 작성하는 데는 약 8.4ms가 소요되며, 다수의 기법을 포함하는 새로운 클래스를 작성하기 위해서는 약 11ms가 소요되고, 어떤 객체에서 기법을 실행하기 위해서는 1.7ms가 소요된다는 것이 밝혀졌다.
다른 예로는, Java 프로그램이 stand-alone 방식으로 수행될 때는 C++와 같은 기존 언어로 작성된 프로그램보다 훨씬 느린 것은 사실이나 (보통 10 - 20배), 인터넷과 같은 분산 환경에서 수행될 때는 애플릿의 크기가 작아서 신속하게 이동할 수 있기 때문에 C++나 CGI로 작성된 프로그램 보다는 오히려 빠르다는 것이 알려져 있다는 것을 들 수 있다.
JavaOS의 속도에 관한 보다 객관적인 평가를 내리기 위해서는 이상에서 언급한 결과들 보다 더욱 객관적인 분석 결과가 앞으로 더욱 많이 나와야 할 것으로 생각한다.
나. Space
JavaOS를 지원하기 위해서는 4MB의 ROM과 4MB의 RAM이 필요하다. ROM에는 커널 코드, 드라이버, JVM 및 표준 클래스들, JavaOS 윈도우즈, 그래픽스, 네트워킹 요소들, 그리고 HotJava 코드들을 포함하여 JavaOS를 위한 코드가 저장되고, 또한 약 1MB 비트맵으로 여러 가지 폰트들을 저장한다. 이러한 ROM 구성 하에서 시스템은 2.5MB의 RAM을 JavaOS와 HotJava 의 동적인 요구사항들을 수용하기 위하여 이용하고, 1.5MB의 RAM은 다운로드된 HTML 페이지들이나 애플릿들, 그리고 이미지들을 저장하는 데 이용한다.
윈도우 기능과 HotJava 코드를 필요로 하지 않는 JavaOS를 이용하여 만든 시스템은 위에서 언급한 공간의 1/2 이하로도 작동 가능하다.
5. JavaOS의 장점
하드웨어에 Java 플랫폼을 직접 제공하기 위하여 JavaOS를 이용하면 다음과 같은 장점들이 있다:
6. JavaOS의 목표 시스템
JavaOS는 인트라넷 컴퓨터, 인터넷 컴퓨터, 그리고 내장형 장치들과 같은 여러 가지 형태의 장비들에게 이상적인 운영체제라고 할 수 있다. JavaOS를 개발한 JavaSoft 사는 지능적이고 동적인 하드웨어 장비를 만들 수 있도록 하기 위하여 하드웨어 업체들에게 JavaOS를 제공해 주고 있다.
가. Intranet Computers
인트라넷 컴퓨터는 엔터프라이즈 네트워크에 연결된 컴퓨터로, 대부분의 회사들은 이더넷을 각 데스크탑에 연결하여 Java 클래스 및 다른 데이터들을 전송하는 효율을 높이거나, 고속의 백본 네트워크를 이용하기도 한다. 엔터프라이즈 네트워크에서 서버는 인트라넷 컴퓨터들의 중앙 집중적인 관리를 지원하는 핵심 요소이다.
Java 플랫폼은 응용 프로그램들을 네트워크를 통하여 자동적으로 다운로드할 수 있고, Java 프로그래밍 언어로 네트워크 응용프로그램들을 작성하기 쉽기 때문에 MIS 응용프로그램들을 개발하고 수행하는 데 적합하다.
나. Internet Computers
Internet Service Provider (ISP)는 네트워크 서버를 갖고 있지 않는 대부분의 가정에서 인트라넷 컴퓨터를 이용하는 것을 가전제품을 이용하는 것처럼 쉽게 하기 위하여 필요한 기반 구조를 제공할 것으로 기대된다. 예를 들면, 컴퓨터에 전원을 연결하고 전화 잭만 꽂으면, 자동적으로 인터넷 접속이 가능하고 웹을 이용할 수 있게 된다.
다. Embedded Devices
만약, 어떤 장비가 1MB 또는 2MB의 RAM, 1MB 또는 2MB의 ROM을 가지고 있고 그래픽 디스플레이가 없는 경우 Java 응용 프로그램들을 적재하여 수행할 수 있는지 생각해 보기로 하자. JavaOS는 STB (Set-top box)나 PDA (Personal Digital Assistant), 그리고 그래픽 디스플레이가 없는 전자 장치와 같은 특정한 장비들에 맞도록 조정될 수 있다. 이 것은 Java 언어 그 자체의 기능을 줄이거나 Java 언어나 유틸리티 클래스들의 기능을 제거하는 것을 의미하지 않는다. 그러나, 예를 들면, 디스플레이가 없는 경우 그 장치를 위한 AWT나 윈도우 및 그래픽스 코드를 JavaOS로부터 제거할 수 있다. 마찬가지로, 어떤 장치가 어떤 네트워크 프로토콜들을 필요로 하지 않을 때, 또한 그 프로토콜들을 제거할 수 있다.
몇몇 내장형 시스템의 요구 사항인 소프트 실시간 기능의 지원을 만족시키기 위해서는 아직도 Virtual Machine과 가비지 콜렉션의 기능 조정이 필요하다. 아울러 현재 원격 디버깅 기능을 포함하여 JavaOS를 위한 풍부한 소프트웨어 개발 환경을 구축하기 위한 노력도 진행 중에 있다.
JavaOS를 위한 최소한의 메모리 구성은 약 128KB의 RAM과 512KB의 ROM이며 응용프로그램에 따라 여분의 메모리가 추가 되어야 한다.
7. JavaOS가 이용 가능한 플랫폼
JDK 버전 1.1에 기반을 두고 있는 JavOS는 현재 3 종류의 플랫폼에서 수행된다. 한 종류는 SPARC 마이크로프로세서들을 기반으로 하고 있다. 나머지는 Intel의 x86 명령어 집합과 호환성이있는 마이크로프로세서들에 기반을 두고 있는 것과, ARM processor에서 동작하는 것이 있다. JavaOS는 또한 다른 마이크로 프로세서 명령어 집합들에 기반을 둔 시스템들에도 포팅할 수 있다. 미래 버전의 JavaOS에 포함될 주요한 특성들은 다음과 같다:
III. JavaOS의 내부 구조 및 포팅 방법
여기에서는 JavaOS™을 새로운 플랫폼과 새로운 CPU에 포팅하는 것에 대해 설명한다. JavaOS는 플랫폼과 관련된 포팅 문제들을 처리하기 위하여 다음과 같은 여러 그룹의 interface method들을 제공한다 [3, 7].
- Memory
- Interrupts
- Standard Devices (키보드/마우스/시스템 클락)
- Drivers
- Multimedia (오디오 및 비디오)
- Networking
- Installation and Booting
이러한 method들을 효율적으로 사용하기 위해서는 JavaOS 소스 코드의 디렉토리 구조를 이해하는 것은 필수적이다. JavaOS 1.0의 포팅을 위해서는 build 디렉토리와 src 디렉토리가 필요하다. build 디렉토리는 JavaOS를 build하기 위해 필요한 makefile들과 script들을 포함하고 있다. Build 과정 중에 생성되는 임시 또는 최종 이미지 파일들은 이 build 디렉토리에 저장된다. build 디렉토리의 구조는 다음과 같다:
- build
-build/javaos
-build/javaos/makefiles
-build/javaos/java
- build/javaos/java/java
- build/javaos/scripts
build/javaos는 최상위의 GNUmake 디렉토리이다. build/javaos/java/java는 다음의 키 파일들을 포함하고 있는 내부의 GNUmake 디렉토리이다:
- Classfiles.gmk ? 플랫폼 build에 포함되는 Java 클래스들의 리스트
- Exportedfiles.gmk ? native method들을 갖는 Java 클래스들의 리스트
- GNUmakefile ? build 내에 포함되는 .o native binary들의 리스트
build/javaos/makefiles는 build/javaos/java/java와 같이 내부 GNUmake 디렉토리이다. Dfs.gmk는 build 동안에 검사해야 하는 소스 코드 디렉토리 리스트를 포함하고 있다.
다음은 소스 코드들을 포함하고 있는 src 디렉토리이다. src 디렉토리는 src/javaos와 src/share로 구성되어 있다. src/javaos는 JavaOS 코드의 대부분을 가지고 있으며 포팅 작업의 주 대상이다. src/share는 주로 HotJava나 JDK와 같은 non-JavaOS product들과 공유되는 코드들을 포함하고 있다. src 디렉토리의 구조를 살펴보면 다음과 같다.
- src/javaos/java - - Main native OS code directory
- src/javaos/java/green_threads - - Thread management
- src/javaos/java/os ? Platform independent code
- src/javaos/java/os.i386 - - x86 specific code
- src/javaos/java/os.i386/sys
- src/javaos/java/os.PC - - IBM PC specific code
- src/javaos/java/os.sparc - - Sparc specific code
- src/javaos/java/os.SS5 - - SparcStation5 specific code
이러한 platform-specific 디렉토리들은 하위 수준의 플랫폼 종속적인 native code들을 많이 포함하고 있어서 JavaOS를 포팅하는 경우 이러한 디렉토리들의 내용에 대한 정밀한 조사는 필수적이다.
src/javaos/sun/javaos는 하위의 native code를 포함하고 있어 자세한 사전 검토가 필요하며, src/sun/sun/javaos 클래스들에 대응되는 native method들을 포함하고 있다. src/javaos/sun/sun/javaos는 디바이스 드라이버 코드를 포함한 JavaOS 소스 코드의 대부분을 포함하고 있다. 이 디렉토리 안의 모든 소스는 Java로 구현되어 있다. JavaOS를 포팅하는 경우 이 디렉토리의 내용을 사전에 자세히 검토해 보아야 한다. src/javaos/sun/sun 디렉토리 밑의 디렉토리들인 net, awt, audio, tools, 및 hotjava는 src/share/sun/sun 디렉토리에 저장된 파일들과 대응하여 추가적인 내용들을 각각 포함하고 있다.
이러한 디렉토리들에 저장된 파일들을 이용하여 JavaOS를 포팅하려면, 위에서 언급한 인터페이스들을 이용하여 필요한 method들을 호출하여야 한다. 이제 인터페이스의 기능을 이용하기 위한 JavaOS의 기본 개념들을 바탕으로 포팅을 위한 method들을 알아보기로 한다.
1. Memory
JavaOS 시스템 메모리는 그림5와 같이 다음의 여러 부분으로 나뉘어져 있다.
- 인터럽트 벡터 테이블과 같은 것들이 적재되는 최하위의 예약된 영역
- 객체 핸들 메모리
- 객체 메모리 (동적이며, 이동 가능하고, 가비지 수거가능한 메모리)
- Malloc 메모리 (동적이며, 고정형이고, 가비지 수거불가능한 메모리)
- Mark bit를 처리하는 고정 영역
- Native 메모리 ( C 텍스트, static및 데이타 세그먼트들 포함)
그림 6은 JavaOS 메모리 하위 시스템의 자세한 구조를 보여 준다.
JavaOS 메모리 시스템을 새로운 플랫폼에 포팅하는 데 필요한 하드웨어 종속적인 native function들로는 다음과 같은 것들이 있다: _pages_set_cacheable, _pages_set_read_only_, hal_map, hal_unmap, hal_free_contig, hal_alloc_contig, hal_alloc_heap, hal_reserved_memory.
2. Interrupts
JavaOS 인터럽트 시스템은 다음 2 가지의 구조적 수준으로 구성되어 있다:
- 하위 인터럽트 구조
- 상위 인터럽트 구조
그림 7은 JavaOS의 하위 인터럽트 구조를 보여 주고 있다.
그림 8은 JavaOS의 상위 인터럽트 구조를 보여 주고 있다.
JavaOS 인터럽트 시스템을 새로운 플랫폼에 포팅하는 데 필요한 하드웨어 종속적인 native function들로는 다음과 같은 것들이 있다: interrupt, handle_interrupt, get_pending_interrupt, clear_pending_interrupt, disable_interrupts, acknowledge_interrupt, mask_interrupt, unmask_interrupt, enable_interrupts, get_pending_interrupt_count.
3. Standard Devices (키보드/마우스/시스템 클락)
새로운 플랫폼들로 키보드, 마우스, 시스템 클락과 같은 표준 JavaOS 장치들을 포팅하기 위해서는 표준 디바이스 인터페이스들이 필요하다. 특정한 장치들의 설계 특성들을 최적화하거나 이들을 수용하기 위해서는 JavaOS method와 함께 디바이스 인터페이스들을 확장할 수 있다. 아울러, 여러 가지의 하드웨어 종속적인 method들도 이용이 가능하다.
JavaOS 상에서 Keyboard 인터페이스는 CallbackDevice의 기능을 확장한 것으로 다음의 method들을 이용하여 키보드 디바이스 드라이버에 의해 구현된다: getLEDMask, setLEDMask.
Mouse 인터페이스도 CallbackDevice의 기능을 확장한 것으로 다음의 method들을 이용하여 마우스 디바이스 드라이버에 의해 구현된다: buttonIsDown, numButtons, report.
Abstract class clock은 다음의 method들을 이용하여 시스템 클락 기능을 제공한다: nativeSetTime, setTime, setTimezone, getTime, report, getMicroSecondsPerTick, setMicroSecondsPerTick, getTick, unbcd, mach_clock_tick, javaos_get_time_micros, javaos_get_fine_time_micros, javaos_set_time_micros. 이 이외에도 여러 가지의 하드웨어 종속적인 method들이 있다.
4. Drivers
모든 디바이스는 드라이버를 가지고 있으며, 드라이버는 주변장치 하드웨어, 확장 버스와 JavaOS 사이의 인터페이스를 관리하여 시스템 전반에 걸쳐서 데이터와 제어 정보의 원활한 통신을 가능하게 한다.
JavaOS 1.0에는 비디오 프레임 버퍼, 오디오 출력 장치, 키보드, 마우스, 시스템 클락 및 네트워크 장치들을 위한 표준 인터페이스들이 정의되어 있다. 이러한 표준 장치 인터페이스들은 특정한 장치들의 설계 특성들을 최적화하거나 수용하기 위해서 JavaOS method와 함께 디바이스 인터페이스들을 확장할 수 있다.
참고로 그림 9는 3-계층의 마우스 드라이버와 관련된 platform class를 보여 주고 있다.
드라이버는 클래스 파일로서 구현되며, 어떤 주어진 플랫폼에 대해 이용 가능한 드라이버들은 platform 클래스에 명기되어 있다. platform 클래스의 주요한 기능은 드라이버 클래스 이름을 디바이스 타입으로 bind (associate) 시키는 일이다. 일단 드라이버가 어떤 장치에 bound 되면, 시스템은 그 장치와 관련된 드라이버를 추출하기 위하여 resolution 함수를 이용한다. 아래에서 보는 것처럼 bind와 resolve method들은 Env 클래스에 포함되어 있다.
Env.bind(name, value)
value = Env.resolve(name)
Version 1.0은 현재 단지 몇 개의 클래스들만을 지원하고 있으나, 앞으로 다양한 종류의 장치들을 지원할 계획으로 있다.
5. Multimedia (오디오 및 비디오)
JavaOS 멀티미디어를 새로운 플랫폼에 포팅하기 위해서는 다음과 같은 것들에 대한 인터페이스들을 필요로 한다: Audio, Video, Frame buffer, Cursor.
참고로 JavaOS 1.0 오디오 출력 경로를 살펴보면 그림 10과 같다.
public interface인 audioDriver는 오디오 출력 드라이버에 대한 인터페이스를 제공한다. 이 인터페이스는 오디오 장치에 출력하는 것 만을 위한 것이며, 오디오 입력용은 아니다. 이를 위해 다음의 method들이 사용된다: setGain, getGain, getBalance, write.
JavaOS 비디오 시스템의 구조는 그림 11과 같다.
비디오 인터페이스에는 여러 method들이 사용되는 데, 다음의 두 method들이 가장 유용하게 사용된다: (*FillRect), (*CopyArea). 비디오 인터페이스와 관련된 것으로 비디오 디스플레이를 구동시키는 장치인 frame buffer가 있으며, 비디오 드라이버는 public 인터페이스인 frame buffer 인터페이스를 구현하는 클래스이다. Frame buffer를 새로운 플랫폼에서 수행될 수 있도록 포팅하기 위해서 필요한 인터페이스 method들로는 다음과 같은 것들이 있다: init, VideoMode [] getVideoModes (), setVideoMode, getAddress, setPowerMode, disablePowerSaver, getDpi, getVideoMode. 그리고, 소프트웨어 커서 처리를 위해 필요한 native method들로는 reInit, show, hide등이 있다.
6. Networking
거의 모든 JavaOS 네트워킹 코드는 Java로 작성되었으며, native method들은 거의 없다. 예를 들면, JavaOS를 SPARCStation으로부터 x86플랫폼으로 포팅하는 경우에 프로토콜 스택을 포함하여 네트워킹 코드의 변경이 필요 없다. SPARCStation이 Intel 플랫폼과 다른 endian model과 메모리 모델을 사용하고 있음에도 불구하고 이 것이 사실로서 증명된 바 있다. 단지 하나의 native method 만이 네트워킹 코드에서 변경이 필요하였다 (IP check sum method). 네트워킹 코드는 완전히 Java로 작성되며 Java platform interface를 통하여 메모리 액세스 및 인터럽트의 처리를 하게 된다. 물론, 다른 네트워크 어댑터가 다른 플랫폼에 사용되면 네트워크 드라이버는 새로운 하드웨어를 위한 드라이버로 교체되어야 한다.
JavaOS 1.0은 이더넷 네트워킹 디바이스들을 사용하기 위하여 작성되었으며, 이더넷 디바이스들은 성능향상을 위한 어떠한 native method의 지원도 필요로 하지 않는다. 그러나, 성능의 향상 때문에 다른 네트워크 디바이스들은 native method 지원이 필요한 경우가 있다. 예를 들면, PPP serial port를 위한 네트워크 드라이버는 높은 효율을 요구하는 인터럽트 처리가 필요한 장치로서 현재 native method가 이러한 상황에서 성능을 최적화 하기 위한 최상의 방법으로 이용되고 있다.
그림 12는 JavaOS 1.0 네트워크 구조를 보여주고 있다.
NetworkDriver는 네트워크 디바이스 드라이버가 구현해야 하는 public 인터페이스로서, 현재 JavaOS 1.0에서는 이더넷 장치들만 지원한다. 차후 확장을 고려하고 있으며, 현재 지원되는 method들은 다음과 같다: enableUpcalls, getTrasmitPacket, sendPacket, getLocalAddress, enablePromiscuous, disablePromiscuous, report.
7. Installation and Booting
JavaOS를 설치하는 데는 클라이언트 설치와 서버 설치의 두 가지 관점에서 생각할 수 있다. JavaOS는 thin client이므로 서버의 설치가 클라이언트의 설치보다 복잡하다고 할 수 있다.
JavaOS를 build하는 데는 build environment를 설치하는 것과 build를 하는 두 단계로 되어 있다. JavaOS 설치 및 booting의 주요 단계들을 살펴보면 다음과 같다.
- Build environment 조성
- JavaOS binary의 구축
- 클라이언트에 JavaOS 설치
- 서버에 Java OS client 설치
- DHCP 설치
- nsswitch.conf 파일 수정
- Client root directory의 생성
- 클라이언트를 위한 bootparms entry 생성
- TFTP boot 설치 (SPARC client의 경우)
- JavaOS 클라이언트의 booting
끝으로, JavaOS 클라이언트를 boot 하는 데 필요한 단계들은 local 혹은 네트워크 boot인가에 따라 다르며, 클라이언트가 x86인지 또는 SPARC 기반의 시스템인가에 따라서도 다르다.
IV. JavaOS의 특성 및 미래
여기에서는 JavaOS 1.0의 특성을 간단히 정리해 보고, 미래의 JavaOS가 가질 것으로 기대되는 바람직한 특성들, 그리고 이들에 대한 분석을 바탕으로 현재 착수 예정인 JavaOS Luna project [4, 5, 6]에서 목표로 하고 있는 JavaOS에 대해 간단히 알아 보기로 한다.
1. JavaOS의 특성
지금까지 언급한 내용들을 바탕으로 JavaOS 1.0의 특성을 간단히 요약하면 다음과 같은 것들이 있다 [2]:
- Kernel에 의한 thread, trap, interrupt, 및 bootstrapping지원
- 네트워킹 프로토콜
- 윈도우 기능 및 그래픽스
- Java 플랫폼 API의 지원
- Java를 이용한 디바이스 드라이버의 구축
- JDK 1.02와 HotJava 1.0 지원
- Class unloading
JavaOS의 2번째 주요한 출시품인 JavaOS 1.1은 다음과 같은 점들이 JavaOS 1.0에 비하여 변화된 것들이라고 할 수 있다 [6].
- JDK 1.1.x 지원
- I18N/L10N
- PPP (Point-to-Point Protocol) 지원
- SSL (Secure Sockets Layer)에 의한 보안 기능 강화
- Local printing 지원
- Serial port API (CommAPI) 지원
- JIT (Just-In-Time) compilation 지원
- 실질적인 성능 개선
2. JavaOS의 미래
미래의 JavaOS가 가질 것으로 기대되는 바람직한 특성들을 몇 가지만 살펴보면 다음과 같은 것들을 들 수 있다 [2]:
- Debugging, booting, 및 platform API
- 보안
- 포터블 호스트 환경 지원
- Outline 폰트
- 소형의 footprint/modular support
- 동적으로 연계되는 라이브러리
- Java Media Player들의 통합
- Universal Serial Bus
- 방화벽 지원
- 지능적인 캐슁
- 가상 메모리 지원
- Accessibility 지원
- 스마트 카드 프레임웍
- IrDA 프레임웍 (Fast IrDA)
3. JavaOS Luna Project
위에서 언급한 JavaOS 1.0의 특성들과 미래의 JavaOS가 소유하게 될 것으로 기대되는 바람직한 특성들에 대한 분석을 바탕으로 현재 착수 예정인 JavaOS Luna project에서 목표로 하고 있는 JavaOS는 JDK 1.1.x의 우수한 특성들을 이용하여 모든 다른 네트워크 컴퓨터 운영체제들을 압도할 것으로 예상된다. JavaOS Luna는 강력한 internationalization 및 localization 구조를 지원하고 표준 모뎀 연결을 통한 원격 엑세스, 그리고 동시에 기억장치 크기의 초소형화 및 고성능의 Java-runtime 시스템을 목표로 하고 있다. 다음은 JavaOS Luna의 주요한 특성들 및 장점들을 간단하게 요약한 것이다 [4].
특성 장점
- JDK 1.1.x 지원 JDK 1.1.x API들을 지원하는 애플릿들과의 호환성.
- i18N/110n 입력 method, 국제적인 폰트, locale 및 codeset을 지원함으로써
JavaOS의 국지 버전 (localized version) 허용.
사용자 인터페이스는 locale을 기준으로 자동적으로 채택되고,
소스 코드를 변경하지 않고 다른 locale들에 대한 국지화
인터페이스 원격 접근할 수 있도록 해 줌. 안전한 로긴을 위해 CHAP과
수 있슴. 또한, non-latin1 언어들의 인쇄도 지원함.
잇점을 이용할 수 있으며, 그들의 응용 프로그램 내부에 직접
내장할 수는 없음.
그래픽스 시스템
- JIT 지원 고성능을 요구하는 제품을 위해 클라이언트 측에 JIT 지원.
V. 결론
본 고에서는 JavaSoft에 의해 개발된 소형의 효율적인 운영 환경 (operating environment)이라고 할 수 있는 JavaOS에 대해 버전 1.0을 중심으로 기술하였다. JavaOS의 종류에는 크게 기존의 호스트 운영체제를 기반으로 하는 것과 호스트 운영체제 없이 사용되는 것의 두 가지가 있다. 호스트 운영체제가 필요 없는 JavaOS의 주요 구성 요소로는 Java Kernel, Java Virtual Machine (JVM), Device Drivers, Network Protocol Suite, Windows and Graphics, 그리고 JavaOS API 등이 있다. JavaOS가 OS인가에 대해서는 각자의 관점에 따라 다르며, JavaOS의 성능은 현재 상당히 좋은 것으로 평가되고 있고, 공간 이용의 측면에도 효율적이다고 할 수 있다. JavaOS의 대표적인 장점으로는 단순성 및 효율성을 들 수 있으며, 현재 인트라넷 컴퓨터, 인터넷 컴퓨터, 그리고 내장형 장비등에 포팅이 가능하다.
JavaOS의 포팅은 Memory, Interrupts, Standard Devices, Drivers, Multimedia, Networking, 그리고 installation 및 booting에 대한 다양한 그룹의 인터페이스method들의 기능을 이해하고 이들을 적절히 이용함으로써 가능하다.
JavaOS의 대표적인 특성으로는 kernel에 의한 thread, trap, interrupt, 및 bootstrapping지원을 들 수 있고, 이러한 특성들의 성능 개선과 새로운 특성들을 구현하기 위한 연구가 현재도 끊임 없이 진행되고 있다. 그 중 대표적인 예로는 JavaOS Luna project [4, 5, 6]를 들 수 있다.
API Application Program(ming) Interface
DHCP Dynamic Host Configuration Protocol
DNS Domain Naming System
ICMP Internet Control Message Protocol
IP Internet Protocol
ISP Internet Service Provider
JDK Java Development Kit
JIT Just-In-Time
MMU Memory Management Unit
NC Network Computer
PDA Personal Digital Assistant
PPP Point-to-Point Protocol
SNMP Simple Network Management Protocol
SSL Secure Sockets Layer
STB Set-Top Box
TCP Transmission Control Protocol
UDP User Datagram Protocol