부팅 — 전원 버튼에서 커널까지, 그 1초 사이에 일어나는 모든 일

“커널을 메모리에 올리는 프로그램은, 누가 올리나”

1편에서 OS는 하드웨어 위에 올라앉아 자원을 추상화·중재·보호하는 계층이라고 했습니다. 그런데 그 OS(커널)도 결국 디스크에 저장된 한 덩어리의 프로그램입니다. 그 프로그램을 디스크에서 메모리로 올려 실행시키는 일은 누가 하나요? OS가 한다? OS는 아직 메모리에 없습니다. 이게 부팅의 부트스트랩 역설입니다 — 자기 신발 끈을 잡고 자기를 들어 올리는(bootstrap) 모순.

전원 버튼을 누르고 로그인 화면이 뜨기까지의 1~2초. 그 사이에 CPU는 펌웨어 → 부트로더 → 커널 → 첫 유저 프로세스로 이어지는 정교한 릴레이를 달립니다. 각 주자는 “다음 주자를 메모리에 올려 실행시키고 바통을 넘기는” 단 하나의 임무를 가집니다. 이 글은 그 릴레이를 한 구간씩, 누가 어떤 권한(ring)으로, 무엇을 다음 주자에게 넘기는지 끝까지 따라갑니다.

1주자: 펌웨어 — ROM에 박혀 있어 항상 거기 있다

부트스트랩 역설의 답은 펌웨어입니다. 메인보드에는 전원이 들어오면 CPU가 무조건 점프하는 고정 주소가 있고, 그 주소에는 디스크가 아니라 ROM/플래시에 미리 구워진 펌웨어가 있습니다. 디스크에서 뭘 읽어올 필요가 없으니 “누가 올리나” 문제가 없습니다 — 전원이 곧 시작입니다.

• POST(Power-On Self-Test): CPU·RAM·키보드 등 핵심 하드웨어가 살아 있는지 점검합니다. 망가졌으면 비프음으로 알리고 멈춥니다.
• 하드웨어 초기화: 메모리 컨트롤러, PCIe, 기본 그래픽을 깨웁니다.
• 부트 디바이스 선택: 부트 순서(NVMe → USB → 네트워크…)대로 “부팅 가능한” 디스크를 찾습니다.

여기서 BIOS와 UEFI가 갈립니다. 옛 BIOS는 16비트 실모드로 동작하고, 디스크의 첫 섹터(MBR, 512바이트)에 있는 부트코드를 통째로 읽어 실행합니다. 현대 UEFI는 32/64비트로 동작하고, EFI 시스템 파티션(ESP)이라는 실제 FAT 파일시스템에서 *.efi 부트로더 파일을 읽어 실행합니다. UEFI는 파일시스템을 이해하기 때문에 부팅이 더 유연하고, Secure Boot(서명된 부트로더만 실행)로 부팅 체인 변조를 막습니다.

2주자: 부트로더 — 커널을 골라 메모리에 올린다

펌웨어가 바통을 넘기는 상대가 부트로더(리눅스의 GRUB, 윈도우의 Windows Boot Manager)입니다. 부트로더의 임무는 단 하나 — 어떤 커널을, 어떤 옵션으로 부팅할지 정해 메모리에 적재하고 점프하는 것.

• 여러 커널/OS 중 선택(듀얼부트 메뉴가 이것).
• 커널 이미지(vmlinuz)와 initramfs를 메모리로 적재.
• 커널에 부트 파라미터를 전달(root=, quiet, ro 등 — /proc/cmdline에서 확인 가능).

MBR vs GPT — 파티션 테이블의 세대 차이. MBR은 디스크 크기 최대 2TB, 주 파티션 4개 제한. GPT(GUID Partition Table)는 사실상 무제한 크기에 파티션 128개, 헤더 백업·CRC로 손상에 강합니다. UEFI는 GPT와, 레거시 BIOS는 MBR과 짝을 이룹니다. 2TB 넘는 디스크가 안 잡히면 십중팔구 MBR/레거시 부팅입니다.

릴레이를 눈으로: 바통이 넘어가는 순간

아래 애니메이션에서 바통(⬤)이 펌웨어 → 부트로더 → 커널 → PID 1로 넘어가며 각 단계가 차례로 점등됩니다. 위쪽 “CPU 모드”를 보세요 — 펌웨어부터 커널까지는 모두 ring 0(특권)에서 달리고, 마지막에 첫 유저 프로세스가 뜨는 순간 비로소 ring 3(유저)로 내려옵니다. 이게 부팅의 본질입니다: 전권으로 시작해, 일을 끝내면 권한을 내려놓고 유저 세계를 연다.

3주자: 커널 — 압축을 풀고, 진짜 OS가 깨어난다

부트로더가 점프하면 드디어 커널이 달립니다. vmlinuz는 사실 압축된 이미지라, 가장 먼저 하는 일이 자기 압축 해제(self-decompression) 입니다. 풀린 커널은 이제 1편에서 말한 그 모든 기반을 세웁니다.

• 메모리 관리 기동: 페이지 테이블·MMU를 설정해 가상 메모리를 켭니다(10·11편).
• 스케줄러·인터럽트 설정: 타이머 인터럽트를 걸어 시분할의 심장을 뛰게 합니다.
• 드라이버 초기화: CPU·버스·필수 장치 드라이버를 올립니다.
• initramfs 마운트: 진짜 루트 디스크를 읽으려면 그 디스크의 드라이버(NVMe·RAID·암호화)가 필요한데, 그게 또 디스크에 있는 역설을 풉니다. 부트로더가 메모리에 같이 올려준 임시 루트 파일시스템(initramfs)으로 일단 부팅해, 필요한 드라이버를 적재하고 진짜 루트(/)로 전환합니다.

4주자: PID 1 — 첫 유저 프로세스, 그리고 권한을 내려놓다

커널이 마지막으로 하는 일은 첫 유저 프로세스를 생성하는 것입니다. 이 프로세스가 PID 1(init 또는 systemd)이고, 모든 유저 프로세스의 조상입니다. 이 순간 CPU는 처음으로 ring 0 → ring 3으로 내려갑니다 — 커널은 무대 뒤로 물러나 이제부터 시스템콜로만 불려 나옵니다.

PID 1은 서비스들을 기동합니다(네트워크·로그·디스플레이 매니저…). systemd는 의존성 그래프를 풀어 가능한 것을 병렬로 띄워 부팅을 단축합니다(옛 SysV init의 순차 실행과의 결정적 차이). 마지막으로 로그인 프롬프트나 GUI가 떠 릴레이가 끝납니다.

flowchart LR
  A["전원 ON<br/>(고정 주소로 점프)"] --> B["펌웨어<br/>UEFI·POST<br/>ring 0"]
  B --> C["부트로더<br/>GRUB / ESP의 .efi<br/>ring 0"]
  C --> D["커널 적재·압축해제<br/>vmlinuz + initramfs<br/>ring 0"]
  D --> E["커널 초기화<br/>MMU·스케줄러·드라이버<br/>ring 0"]
  E --> F["루트(/) 전환<br/>initramfs → 실제 디스크"]
  F --> G["PID 1 생성<br/>systemd / init<br/>★ ring 3 진입"]
  G --> H["서비스 병렬 기동<br/>→ 로그인 / 셸"]

BIOS vs UEFI를 움직임으로

같은 디스크라도 누가 부팅하느냐에 따라 속도와 능력이 갈립니다. 아래에서 두 부팅 막대가 채워지는데, UEFI(초록)가 BIOS(회색)보다 먼저 “부팅 완료”에 도달합니다 — 병렬 초기화와 파일시스템 인식 덕입니다.

직접 들여다보기: 내 부팅을 해부하기

부팅은 끝나고 나면 안 보이지만, 커널과 systemd가 로그를 남겨 둡니다. 다음 명령으로 방금 일어난 릴레이를 되감아 볼 수 있습니다.

# 커널이 부팅 중 남긴 메시지 (드라이버 초기화·장치 인식의 타임라인)
dmesg | less
journalctl -k -b           # 이번 부팅(-b)의 커널 로그

# 누가 부팅을 느리게 했나 — 서비스별 소요 시간 (성능 튜닝의 시작)
systemd-analyze              # 펌웨어/로더/커널/유저공간 단계별 총합
systemd-analyze blame        # 오래 걸린 서비스 순위
systemd-analyze critical-chain   # 부팅 임계 경로(의존성 체인)

# 커널에 전달된 부트 파라미터 (부트로더가 넘긴 그 옵션들)
cat /proc/cmdline            # root=... ro quiet splash ...

# UEFI로 부팅했는지 한 방에 확인
[ -d /sys/firmware/efi ] && echo "UEFI" || echo "Legacy BIOS"
efibootmgr -v                # UEFI 부트 항목·순서 (UEFI일 때)
lsblk -o NAME,SIZE,TYPE,MOUNTPOINT,PARTTYPENAME   # ESP·파티션 구조

현실 체크 — “부팅이 느리다”의 90%는 유저공간이다. systemd-analyze를 찍어 보면 펌웨어·커널은 보통 수백 ms고, 시간 대부분은 서비스 기동(유저공간)에서 먹습니다. blame·critical-chain으로 범인 서비스를 찾아 비활성화(systemctl disable)하거나 의존성을 끊는 게 정석입니다. 커널이 안 뜨는 진짜 부팅 실패는 보통 initramfs에 루트 디스크 드라이버가 빠진 경우(NVMe·RAID·LUKS) — dmesg에 “Cannot open root device”가 찍힙니다.

면접/리뷰 단골 질문

• Q. 부트스트랩 역설이 뭐고 어떻게 푸나? → 커널을 메모리에 올리는 주체가 필요한데 OS는 아직 없다. ROM/플래시에 구워진 펌웨어가 전원과 함께 고정 주소에서 실행되며 릴레이를 시작해 푼다.
• Q. BIOS와 UEFI의 차이는? → UEFI는 32/64비트·GPT·파일시스템(ESP)에서 .efi 부팅·Secure Boot 지원·병렬적. BIOS는 16비트 실모드·MBR(≤2TB)·첫 섹터 부트코드. 2TB↑ 디스크나 Secure Boot가 필요하면 UEFI.
• Q. initramfs는 왜 있나? → 진짜 루트 디스크를 읽을 드라이버(NVMe·RAID·암호화)가 그 디스크 안에 있는 역설을 풀려고, 부트로더가 메모리에 함께 올려준 임시 루트 FS. 드라이버 적재 후 실제 루트로 전환한다.
• Q. PID 1이 특별한 이유는? → 커널이 만든 첫 유저 프로세스이자 모든 프로세스의 조상. 죽으면 커널 패닉. 고아 프로세스를 거두고(reaping) 서비스를 기동한다(systemd).
• Q. 부팅 중 ring은 어떻게 바뀌나? → 펌웨어~커널 초기화까지 ring 0(특권), PID 1을 띄우는 순간 ring 3(유저)로 내려간다. 이후 커널은 시스템콜·인터럽트로만 불려 나온다.

정리

• 부팅은 펌웨어 → 부트로더 → 커널 → PID 1의 릴레이다. 각 주자의 임무는 “다음 주자를 메모리에 올려 점프”하는 것.
• 부트스트랩 역설은 ROM의 펌웨어가 푼다 — 전원이 곧 시작점이라 “누가 올리나” 문제가 없다.
• UEFI(GPT·ESP·.efi·Secure Boot·병렬)는 BIOS(MBR·16비트·순차)의 현대적 후계자다.
• 커널은 압축을 풀고 MMU·스케줄러·드라이버를 세운 뒤, initramfs로 임시 부팅해 실제 루트로 전환한다.
• 권한은 ring 0으로 시작해 PID 1에서 ring 3으로 내려놓는다. 부팅 분석은 dmesg·systemd-analyze로.

다음 글: 그렇게 태어난 첫 프로세스, 그리고 그것이 자식을 낳는 fork/exec까지 — 프로세스: 주소공간·PCB·fork/exec로 이어집니다. 거기서 “프로세스란 정확히 무엇인가”를 메모리 레이아웃과 함께 해부합니다.