48. X-윈도우와 Wayland

실리콘 그래픽스 GLX와 OpenGL 개발

실리콘 그래픽스는 3D 그래픽에 특화된 워크스테이션 제조사로서 1980년대 부터 2000년대 초반까지 쥬라기 공원, 터미네이터2와 같은 영화 제작, 캐드 등 전문 분야에서 많이 사용되었다.

실리콘 그래픽스는 당시 IRIX라는 유닉스 계열 운영체제를 갖고 있었는데, Unix System V에 BSD 확장을 기반으로 개발되었다. 1991년 IRIX4.0을 발표하면서 X 윈도우를 도입했고, 3D 그래픽스가 가능하도록 GLX라는 X 윈도우 익스텐션을 개발했다. (참고: X윈도우 역사: 1,2,3)

나중에 3D 그래픽스 API는 OpenGL이라는 이름으로 공개되었고, 1999년 GLX(OpenGL Extension to the X Window System)는 XFree86에 적용되도록 이를 오픈소스로 공개했다[6]. 나중에 X.Org Foundation이 포크한 X11R6.7.0에도 적용되었다. (자세한 내용은 25. XFree86과 X.Org 참고)

“대세는 XFree86이네.. 우리도 XFree86에서 코드를 가져와야하는 입장이니, GLX 익스텐션이 XFree86과 잘 동작하려면 코드를 공개할 수 밖에..”

이후 PC에 설치된 리눅스에서도 GLX 확장을 통해 OpenGL 지원이 가능해졌다.

“리눅스에 GLX 확장을 설치하니, OpenGL이 가속되는구나.”

단, GLX는 기존 X-Window의 아키텍처에 안에서 구현되다 보니, 모든 OpenGL 명령어가 IPC를 통해 OpenGL 프로그램에서 X 서버로 전송되었다.

GLX의 문제점

“리눅스에서 OpenGL이 지원되서 좋긴한데, 성능이 제대로 안나와…”

“그게 X 클라이언트가 리모트 머신에서 실행될 수 있수도 있기 때문에 모든 OpenGL 명령어를 네트워크를 통해 전송해서 그런거야.”

“드디어 DEC VAX 서버가 은퇴하는군… 잘가라~”

“이제 PC에도 GPU가 있고 X 클라이언트와 서버 모두 내 PC에서 실행하는데, 굳이 OpenGL 명령어를 IPC로 전송할 필요가 있을까?”

“프레임 버퍼에는 나만 그릴 수 있어요. GPU씨가 OpenGL로 그린 3D 주전자는 그림은 내가 보고 똑같이 그려줄께요. 거기 가만히 서있어요.”

“프레임 버퍼는 원래 내껀데…”

이러한 문제를 인식한 일부 X 개발자들이 X 코어 프로토콜이나 서버의 핵심 코드를 개선하려고 했으나, 기존 XFree86의 코어 개발자들은 어떠한 수정도 받아들이지 않았다.(25. XFree86과-x-org/ 참고)

“안쓰는 프로토콜 좀 제거하고 이렇게 고치면 안될까요? “기존 수 많은 X윈도용 애플리케이션이 많아요. 가능한 코어는 건드리면 안되요!”

애플 Quartz Compositor 개발로 데스크탑 GPU로 가속

1990년대 들어 데스크탑 기술이 일반화되면서 트루타입 폰트와 벡터 그래픽이 도입되었다.

“아무리 폰트를 확대해도 계단이 안보이네”

또한, 컴퓨터에 내장된 메모리 크기도 늘어나서 각 윈도 화면을 비트맵 형태로 메모리에 저장할 수 있게 되어 그림자 효과나 윈도 전환이나 최소화나 최대화할 때 효과를 보여줄 수 있게 되었다.

이 분야의 선두 주자는 바로 애플이였다. 이미 넥스트스텝(NextStep)이라는 운영체제에서 포스트스크립트 형태로 윈도를 저장하는 기술을 갖고 있었고,

2002년 Max OSX Jaguar에서 OpenGL을 이용해 GPU를 통해 시각적으로 멋진 에니메이션 효과를 구현된 윈도우 컴포지터를 선보였다.

“OSX Quartz기술로 새로운 데스크탑 시대가 열렸습니다.” (발표 비디오 참고)

GLX와 Compiz 이용한 리눅스 데스크탑 가속

2004년 노벨에서 일하고 있던 데이비드 레이브맨도 OSX Quartz Compositor와 같은 윈도 컴포지터 개발을 준비한다.

“리눅스 데스크탑에서도 OSX과 같은 윈도 컴포지터가 필요해.”

“GLX로는 도저히 OSX과 같은 성능을 낼 수 없어. 바로 GPU에 접근할 수 방법이 필요해..”

그는 X 윈도우의 새로운 확장인 XGL 함께 Compiz라는 Window Compositor를 개발한다. 다양한 플러그인 형태의 여러 3D 효과를 지원했고 많은 리눅스 사용자의 인기를 얻었다.

“컴피즈? 와.. 리눅스에서 이런게 가능해? 믿을 수 없어.”

X.Org에서는 DRI 구현

X.Org 진영도 X 서버를 통하지 않고 바로 OpenGL 명령어를 GPU에 보내고 GPU가 직접 렌더링한 결과를 바로 프레임 버퍼에 출력하기 위해 DRI(Direct Rendering Infrastructure)를 개발한다. 또한 VA-API를 이용해서 하드웨어 가속을 이용해서 동영상을 플레이할 방법을 만들었다.

2008년 크리스티안(Kristian Høgsberg)은 RedHat에서 X-Window 개발자로 일하고 있었다. 그는 GLX로 개발된 OpenGL 애플리케이션도 DRI를 이용할 수 있도록 AIGLX를 개발했다.

출처: 위키피디아

Compiz구현을 위해 개발된 XGL은 나중에 AIGLX로 합해진다.

물론 이러한 구현을 모두가 반기는 것은 아니였다.

“뭐? X 윈도우가 네트워크 투명성(Network Transparency)를 포기했다고? X client와 X 서버가 같은 머신에 있을 필요가 없다는 것이 얼마나 중요한 기능인데…”

“GPU의 가속을 위해 X윈도우의 본질을 훼손하다니…”

키스 패커드(Keith Packard), X 개발자

“X의 원래 주요 기능 중 하나인 네트워크 투명성을 중요하게 생각하는 애플리케이션이 지금 얼마나 될까요?[4]” “거의 없습니다”

“보시다 시피 시간이 지나면서 X윈도 시스템은 X 서버, 윈도 관리자, 윈도 컴포지터 등 여러 프로세스로 나누어졌습니다. 이 모든 부분은 복잡한 비동기 프로토콜로 연결되고, 결과적으로 성능이 저하됩니다.”

“예를 들어, 모든 키 입력이 발생하면 응용 프로그램, X 서버 및 윈도 컴포지터 등 세 가지 이상의 프로세스를 통과해야 합니다.”

“게다가 X서버가 바로 Display Controller에 접근해야 하므로 루트 권한을 가져야 하는데, 이는 심각한 보안 문제를 발생시킬 수 있습니다.”

“지난 몇 년동안 일부 Xlib API는 제대로 동작을 안했는데, 아무도 모르고 있었죠.”

“사실 x-window가 맥, 윈도 등 다른 윈도우 시스템 보다 먼저 시작된 프로젝트였지만 1988년 이후 코어 X 윈도우 시스템은 2000년대까지 변한게 없습니다..”

“그 동안 데스크탑 변화를 전혀 따라잡지 못했죠”

X-Window 개발에 참여하면서 이와 같은 문제를 인식하고 있던 크리스티안은 새로운 개념의 윈도 컴포지터를 생각하기 시작했다.

“현재 리눅스 데스크탑에서 윈도 매니저를 구현하려면 X-Server, Windows Manager, Window Compositor 이렇게 세개의 프로세스가 필요하구나..”

“그런데, X-Server는 Window Manager, Window Compositor, 애플리케이션간 메시지를 받아 그냥 전송하는 역할만하지”

X의 문제점[5]

  1. 일단, 커널에서 받은 모든 이벤트 메시지는 X-서버로 가지.
  2. X-서버는 해당 이벤트를 관련된 클라이언트에 전달하지
  3. 클라이언트는 이 이벤트를 받고 어떻게 할지 결정을 해. 버튼을 눌렀다면, 버튼을 새로 그리지. 하지만 화면에 바로 나타나지 않고 업데이트된 버튼을 렌더링해달라고 Compositor에게 요청을 해야돼. 그런데 바로 못하고 X 서버에게 대신 요청을 하지. 원래 X 클라이언트는 X 서버에게만 페인팅 요청을 할 수 있거든. 그런데 현재는 누가 Xlib 2D API를 쓰나? 클라이언트는 이미 Cairo로 페인팅을 했고 그 결과를 pixmap으로 만들어서 X서버에 전달하지.
  4. 하여간 X 서버는 렌더링 요청을 클라이언트로 부터 받고 pixmap을 공유 메모리나, DMA 버퍼를 이용해서 윈도 컴포지터가 접근할 수 있도록 하지.
  5. 그 다음 X 윈도우는 다시 그릴 영역을 계산해서 윈도 컴포지터에서 damage event를 날리지.
  6. Damage event를 받은 윈도 컴포지터는 전달 받은 pixmap을 GPU 텍스쳐로 만들고 해당 영역만 다시 컴포지팅한다. 그 결과는 GPU의 백버터 역할을 하는 프레임 버퍼에 저장되지. 그리고 다시 X 서버에 이 결과를 렌더링 해달라고 요청하지.
  7. X서버는 컴포지터의 백버퍼를 프론트 버퍼로 복사하고 page-flip을 하면 비로서 모니터에 눌려진 버튼이 나타나지… 휴~

“여기서 빼먹은게 있는데, 윈도 관리자는 타이틀 바와 프레임을 그려주는 일종의 xclient야. 윈도 관리자는 윈도가 그려질 위치를 알고 있으니까, 윈도 컴포지터는 윈도 관리자로 부터 각 창의 위치 정보를 받아서 일종의 Scene graph를 작성해서 컴포지팅을 하지.”

“앞서 이야기했지만, 이제 클라이언트가 알아서 모든 것을 그리지. 2D 벡터는 Cairo로 벡터 폰트는 FreeType으로, 동영상은 GStreamer로 렌더링하는 세상이야..”

Wayland의 탄생[5]

“그냥 루트 권한이 필요한 기능을 커널로 내리고 Windows Compositor만 있어도 되지 않을까?”

“좋은 생각이야”

  1. X-Server가 갖고 있는 event handling, memory management, command scheduling, mode setting 기능을 Linux Kernel로 이동하여 evdev, KMS(Kernel Module Setting) GEM 커널 모듈로 관리한다.
  2. 더 이상 window server가 루트 권한으로 실행될 필요가 없지..
  3. Client가 모든 painting을 책임진다. 폰트, 위젯 등 단 창은 클라이언트 또는 윈도우 컴포지터가 그릴 수 있다.
  4. GLX는 EGL로 대치된다.
  5. 윈도 컴포지터가 각 윈도 텍스쳐를 컴포지팅해서 화면에 표시한다.

크리스티안은 Wayland라는 이름으로 Compositor와 애플리케이션 어떻게 데이터와 메시지를 교환할지 프로토콜을 설계하고, 실제 구현체는 Weston이라는 이름을 지었다. Plug-in 구조로 desktop, mobile, IVI 등 다양한 GUI환경을 지원하도록 하였다.

이후 Wayland는 ChromeOS와 GNOME, KDE Desktop에 모두에 적용되어 X-Window없이도 데스크탑 구현이 가능해졌다. 많은 임베디드 디바이스도 DirectFB나 X-Window 대신 Wayland를 사용하고 있다.

그럼에도 아직까지 많은 리눅스 배포본이 X 윈도우를 리눅스 데스크탑에서 기본으로 설치하고 있고, wayland도 X서버를 wayland client로 실행할 수 있는 호환 기능을 제공한다.

참고

  1. Wayland – Beyond X, link, 2012
  2. Wayland FAQ, https://wayland.freedesktop.org/faq.html
  3. The Real Story Behind Wayland and X – Daniel Stone (linux.conf.au 2013), Youtube, 2013
  4. LPC: Life after X, lwn.net, 2010
  5. https://wayland.freedesktop.org/docs/html/ch01.html
  6. https://en.wikipedia.org/wiki/GLX
  7. “A Political History of X” – Keith Packard (LCA 2020), Youtube, 2020
  8. Interview: Kristian , FOSDEM 2012

8 thoughts on “48. X-윈도우와 Wayland

  1. 본문: “그는 X 윈도우의 새로운 확장인 XGL 함께 Compiz라는 Window Compositor를 개발한다.”

    XGL은 새로운 확장이 아니라 OpenGL로 구현한 X Window 서버입니다.
    그러다 보니 2가지 장점이 생겼는데요.
    1. X Window 서버의 기능에 GPU가속을 손쉽게 구현
    2. X Window 클라이언트의 창 내용을 X서버에서 GL 텍스쳐로 손쉽게 노출 가능
    여기서 2번째 장점을 GLX 확장으로 발전시킨 것이 texture_from_pixmap ( https://registry.khronos.org/OpenGL/extensions/EXT/GLX_EXT_texture_from_pixmap.txt ) 이고, compiz 가 만들어질 수 있었던 기반이 됩니다.

    단점은 그 당시의 Linux의 OpenGL구현이 X11 밖에 없었기 때문에, XGL을 Nested Xserver (X서버위에 X서버를 띄우는 방식)으로만 사용할 수 있고, 그만큼 시스템 자원을 더 많이 사용할 수 밖에 없었습니다.
    XGL을 단독으로 사용하기 위해서는 OpenGL ES등을 이용해 기존 X서버의 의존성에서 독립시킨 XGL(Xegl )을 구현해야 하는데, 그 당시의 OpenGL 구현이었던 Mesa에서 OpenGL ES를 사용할 수 있는 하드웨어가 AMD Radeon 일부 기종밖에 없었고, 거기다가 개발 및 유지보수가 제대로 안되었던 같습니다.

    본문: “2008년 크리스티안(Kristian Høgsberg)은 RedHat에서 X-Window 개발자로 일하고 있었다. 그는 GLX로 개발된 OpenGL 애플리케이션도 DRI를 이용할 수 있도록 AIGLX를 개발했다. Compiz구현을 위해 개발된 XGL은 나중에 AIGLX로 합해진다.”

    AIGLX는 texture_from_pixmap GLX확장을 기존의 xorg 서버/그래픽 드라이버에서 구현한 것입니다. 그래서 더이상 XGL을 Nested Xserver로 띄우지 않고도 바로 compiz 같은 composite manager를 사용할 수 있게 됩니다.
    그래서 합해졌기 보다는 교체되었다고 보시는 것이 좋을 것 같습니다.

    참고로 nvidia드라이버의 경우 Mesa보다 한참 늦게 texture_from_pixmap 확장이 구현되었으며, xorg및 nvidia드라이버에 texture_from_pixmap 확장이 구현된 이후에는 XGL이 더 이상 사용되는 일이 없어졌습니다.

      • 각주 번호를 터치해도 각주 내용이 안나오는데요. 나무위키 같은데서는 각주 숫자를 터차하면 각주 내용이 뜨는데요. 각주 내용이 궁금하네요. 지나가다가 글을 써봅니다. 글을 재미있게 읽었습니다. 감사합니다.

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