윈도우 NT

윈도우 NT(Windows NT)는 마이크로소프트에서 개발한 윈도우(Windows) 계열 중 하나이며, 전세계적으로 가장 널리 사용되고 있는 현역 운영체제(operating system; OS)이다. 본래 NT는 기존 운영체제인 MS-DOS를 대체할 “신기술(New Technology)”을 염두하여 붙인 이름이지만, 현재는 아무런 의미가 없는 제품군 명칭으로 자리잡았다. 이름은 다소 생소할 수 있으나 사실상 배포되고 있는 거의 모든 윈도우 제품이 윈도우 NT 계열에 해당한다.

다음은 2022년 8월 15일 기준에 작성된 윈도우 NT 제품 목록이다.

윈도우 NT와 함께 서비스 중인 운영체제로 윈도우 IoT가 있으며, 서비스 종료된 윈도우 제품으로 MS-DOS, 윈도우 9x, 윈도우 모바일, 그리고 윈도우 폰이 있다.

비록 윈도우 NT는 클라이언트와 서버로 운영체제가 구분되지만 동일한 빌드의 커널을 사용한다. 예시로 윈도우 8.1과 윈도우 서버 2012 R2 운영체제의 커널은 빌드 9600으로 일치한다. 핵심 커널은 같지만 두 운영체제로 나뉘어진 이유는 성능 최적화 대상과 목적, 그리고 이에 따른 기술 사양과 기능에 차이가 존재하기 때문이다.

마이크로소프트의 운영체제가 윈도우 NT로 전환한 것은 다음 기술적 의의를 가진다:

• 하드웨어 이식성 및 소프트웨어 호환성
• 커널 모드와 사용자 모드의 구분
• 완전한 32비트 아키텍처 지원

윈도우 아키텍처

하드웨어 이식성

이식성(portability), 즉 특정 하드웨어 및 명령어 집합에 대한 종속을 최소화하여 타 플랫폼으로 쉽게 설치하여 사용할 수 있는 성질은 초창기 윈도우 NT의 핵심 설계 목적이었다. 현재는 i386(단, 윈도우 11부터 제외), x86-64, 그리고 ARM64 아키텍처를 지원한다. 윈도우 NT는 이식성을 위해 다음 두 가지 설계를 채택하였다:

• 계층화 설계

  윈도우 NT는 프로세서 아키텍처 및 하드웨어(예. 메인보드, PCI 장치 등)에 특정된 저급 시스템 코드, 그리고 이와 상관없이 공통된 운영체제의 기능들을 다루는 고급 시스템 코드로 계층을 두 개로 나눈다. 여기서 이식성에 기여하는 저급 시스템 코드에는 (1) 아키텍처 특화된 Ntoskrnl.exe의 커널 그리고 (2) 하드웨어 특화된 hal.dll의 하드웨어 추상화 계층이 있다.

• C 프로그래밍 언어

  윈도우 NT의 대부분 소스 코드는 이식성에 유리한 C 프로그래밍 언어로 작성되었다. 일부는 C++ 프로그래밍 언어로 작성되었으며, 특히 하드웨어와 직접 통신이 필요하거나(예. 인터럽트 핸들러) 성능에 매우 민감한 운영체제 코드(예. 문맥 교환)는 어셈블리로 구현되었다.

환경 서브시스템

환경 서브시스템(environment subsystems)은 어플리케이션이 윈도우 커널단으로부터 시스템 서비스를 사용할 수 있도록 한다. 환경 서브시스템은 크게 .EXE 그리고 .DLL 유형으로 나뉘어진다.

위에 나열된 서브시스템 프로세스 및 라이브러리는 전부 윈도우 서브시스템의 일환이다: 콘솔 및 GUI 창 관련 작업, 그리고 디스플레이 입출력을 처리하는 기본적이면서 핵심적인 역할을 수행한다. 다른 환경 서브시스템도 이러한 기능을 윈도우 서브시스템의 개입이 있어야만 구현할 수 있다. 만일 csrss.exe가 종료되면 시스템은 치명적이라 판단하여 의도적으로 오류 0xEF CRITICAL_PROCESS_DIED 블루스크린을 일으킬 정도로 매우 중요한 구성요소이다.

윈도우 7부터 각 콘솔창을 관리하는 conhost.exe(일명 콘솔 윈도우 호스트) 서버 프로세스가 소개되었으나, 해당 프로세스의 생성 및 키보드 입력 수신에는 여전히 csrss.exe 역할이 요구된다.

윈도우 8부터 다시 한 번 변경된 콘솔 아키텍처에서 conhost.exe 프로세스 생성 및 키보드 입력 수신은 ConDrv.sys 드라이버에 의해 커널에서 처리되어 절차가 간략해졌다.

서브시스템은 세션 관리자 smss.exe 프로세스에 의해 실행되며 해당 내역은 HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager\SubSystems 레지스트리에서 찾아볼 수 있다. 그리고 Required 레지스트리 값은 시스템 부팅 시 불러올 서브시스템 프로세스들이 나열되어 있다.

사용자 모드 어플리케이션은 직접 시스템 서비스를 호출하지 않는다. 환경 서브시스템 라이브러리(줄여서 “서브시스템 DLL”)의 인터페이스를 통해서 필요한 기능을 제공받으며, 이를 호출할 시 함수는 다음 중 하나 이상 방식으로 처리된다:

1. 윈도우 커널로부터 최소 하나 이상의 시스템 서비스를 호출한다.
2. 윈도우 커널로부터 단 하나의 호출이 필요없이, 서브시스템 DLL에서 함수가 전부 처리된다.
3. 서브시스템 DLL은 ALPC를 통해 환경 서브시스템 프로세스에서 함수의 일부 작업을 처리하도록 요청한다.

타 서브시스템

윈도우 NT 운영체제는 초창기에 총 세 개의 환경 서브시스템을 지원하였으나, 현재 (2022년 11월 6일) 가장 최신 운영체제인 윈도우 10 및 11 기점에서 윈도우 서브시스템만 남은 상태이다. 프로세스는 오로지 한 개의 서브시스템에만 종속될 수 있으며, 프로그램이 실행될 때 이미지 헤더 정보로부터 확인된 서브시스템의 프로세스에 연동된다.

• POSIX

  윈도우 XP 이후 지원 종료된 POSIX 서브시스템 psxss.exe 및 psxdll.dll은 UNIX 기반의 운영체제의 어플리케이션을 지원하였다. 이후 윈도우 7 얼티밋 및 엔터프라이즈 그리고 윈도우 서버 2008 R2 한정으로 SUA(Subsystem for UNIX-based Application)라는 개선된 POSIX 서브시스템을 잠시동안 지원하였다.

  윈도우 10부터 등장한 WSL은 POSIX 서브시스템을 계승하였으나 기존 서브시스템과 전혀 다른 새로운 기술이 적용되었다.

• OS/2

  IBM의 기획 하에 마이크로소프트와 함께 공동 개발되었던 OS/2 운영체제 환경을 지원하기 위한 서브시스템이었으며, 윈도우 2000 이후 지원이 종료되었다.

  IBM과 마이크로소프트 간의 OS/2 운영체제 이야기는 매우 흥미로운 배경과 전개가 있어, IT 산업의 발전 과정에 관심이 있다면 내용이나 기사를 접해 보는 걸 추천한다.

Windows Subsystem for Linux

WSL(Windows Subsystem for Linux), 일명 리눅스용 윈도우 서브시스템은 아래에 서술된 기존 환경 서브시스템이 가진 기술적 문제들을 극복하기 위해 새롭게 설계된 서브시스템이다.

1. 윈도우 PE 실행 파일, 즉 .EXE 확장자로 새로 빌드되어야 윈도우 운영체제에서 서브시스템 정보를 추출하고 실행할 수 있다.
2. 타 운영체제 프로그램을 윈도우 서브시스템으로 래핑(wrapping)하는 방식을 택하였으나, 알아채기 힘든 호환성 결함이 야기될 수 있다.

윈도우 10 모바일 운영체제에서 안드로이드 앱을 실행할 수 있도록 추진된 아스토리아 프로젝트(이후 Windows Subsystem for Android로 소개)를 발판으로 POSIX/UNIX가 아닌 “순수” 리눅스 어플리케이션을 지원하고자 우분투(Ubuntu) 배포판을 개발한 캐노니컬과 합작한 결과물이다.

WSL은 두 종류의 아키텍처 설계가 있어 각각 장단점을 가진다. 자세한 내용은 마이크로소프트 문서를 참고한다.

운영체제 리소스

비록 본 문서에서 소개하는 내용들은 윈도우 NT 운영체제를 위주로 다루고 있으나, 전반적인 이해를 돕기 위해 아래에 나열된 시스템의 핵심 리소스에 대하여 살펴보기를 권장한다.

• 프로세서
• 메모리
• 디스크
• 네트워크

관리 프로그램

다음은 시스템 상태를 모니터링 및 관리할 수 있는 프로그램을 나열한다.

• 성능 모니터
• 이벤트 뷰어
• 파워셸

같이 보기

• 윈도우 서비스 (프로그램)
• 윈도우 API
• 블루스크린