[운영체제][저장장치관리] 저장장치와 입출력(Storage & Input/Output) #1 대용량 저장장치 구조(Mass-Storage Structure)

1. HDD(Hard Disk Drive)의 구조

다음 그림은 하드디스크의 구조를 나타낸 그림입니다.

• Spindle : 시스템 부팅 후에 Disk의 내용을 읽고 쓰기 위해서 반드시 Spindle이라는 회전축으로 디스크를 회전시켜야합니다.
• Platter : 데이터들이 집합되어 있는 원형 모양의 디스크입니다. 각 디스크들은 여러개의 트랙으로 이루어져 있습니다. 이때 Track의 최소 단위는 Sector로써, Sector는 각각의 데이터들을 담고 있습니다.
• Arm : Arm은 직접 데이터를 읽어들이는 부분으로, Arm의 끝에 read/write head가 위치하여 실질적으로 데이터를 읽어들입니다.
• Cylinder : 각 디스크에서 동일한 거리에 있는 3개의 Track들을 연결해보면 원통 모형처럼 생겼기 때문에 Cylinder라고 명명합니다. read/write head가 서로 다른 Cynlinder를 가리킬순 없습니다. Arm들은 서로 동기화되어 같은 Cylinder를 가리킵니다.

 

2. HDD Scheduling

• HDD 스케줄링의 목표
  1. 접근 시간(Access Time) 또는 탐색 시간(Seek Time)을 최소화
  2. 데이터 전송의 대역폭을 최대화
• Seek Time : head가 요청한 sector가 위치한 track까지 arm을 뻗는데 걸리는 시간, 가장 오래걸리는 시간이며 seek time을 줄이는게 access time을 줄이는 핵심입니다.
• Rotational Latency : 해당 sector가 read-write head의 밑으로 회전하는데 걸리는 시간
• Transfer Time : 데이터를 읽고 전송하는데 걸리는 시간
• Access Time   : access time = seek time + rotational latency + transfer time

 

3. HDD Scheduling 종류

• FIFO Scheduling
• SCAN Scheduling
• C-SCAN Scheduling

 

3.1 FIFO Scheduling

• FIFO 스케줄링 방식은 들어온 순서대로 헤드를 움직이는 방식입니다.
• FIFO 스케줄링은 공정한 방법이지만 빠른 서비스를 기대할 수는 없습니다.

위 그림은 53에서 헤드를 출발하여 FIFO 스케줄링 방식으로 HDD를 탐색한 그림입니다. 이동한 실린더는 총 640 실린더의 헤드를 움직였습니다.

 

3.2 SCAN Scheduling

• SCAN 스케줄링 방식은 디스크 암이 디스크의 한쪽 끝에서 출발하여 다른쪽 방향으로 움직이는 방식입니다.
• 각각의 실린더에 도달할때까지 요청을 처리합니다.
• 한쪽 끝에 도달한 경우 헤드가 반대방향으로 다시 진행합니다.

예를 들어 헤드의 방향이 0번쪽으로 간다고 가정한다면 다음 그림처럼 헤드의 이동은 236 실린더의 헤드가 움직일 것입니다.

 

 

1.5 C-SCAN(Circular-SCAN) Scheduling

• C-SCAN 스케줄링 방식은 더욱 균일한 대기 시간을 제공하기 위해서 SCAN 스케줄링 방식을 변형시킨 방식입니다.
• SCAN 스케줄링 방식은 헤드가 한쪽 끝에 도달하면 역방향으로 움직입니다. 그러나 C-SCAN 스케줄링 방식은 디스크의 한쪽 끝에서 다른쪽으로 헤드를 움직이는 방식입니다. 한쪽 끝에 도달하면 다시 헤드가 시작했던 방향에서 움직입니다.
• 그러나 헤드가 한쪽 방향에 도달하면 디스크의 시작점으로 즉시 되돌아갑니다. 이때는 서비스 요청을 처리하지 않습니다.

위의 그림을 보면 53에서 출발하여 199에 도달하면 0부터 다시 탐색을 시작합니다. 이때 0으로 되돌아오는 부분에서는 서비스 요청을 처리하지 않습니다. 위 큐를 C-SCAN 스케줄링 방식으로 처리하면 183 실런더의 헤드를 움직입니다.

 

4. Boot Block

• 컴퓨터 시스템을 실행시키려면 전원이 켜질 때 실행할 초기 프로그램이 있어야합니다.
• 부트스트랩 로더(Bootstrap loader)는 보조기억장치에 저장되어 있고 메모리에 위에 올라갑니다. 그리고 부트스트랩 로더는 보조기억장치에 있는 운영체제 커널을 복사해서 메모리 위에 올리고 난 다음 제어권을 운영체제에게 양도합니다.
• 즉, Book Block은 컴퓨터가 부팅 될때 시스템에 OS를 설치하기 위해서 필요한 정보들이 저장되어 있는 디스크 영역이 부트 블록입니다. 다시 말해 OS가 디스크를 포함한 시스템을 제어하기 위해 필요로 하게 되는 정보들이 저장되어 있는 블록입니다.

 

 

5. RAID(Redundant Arrays of Independent Disks)

 

5.1 RAID의 개념 및 특징

• RAID는 여러개의 디스크를 묶어서 하나의 디스크처럼 사용하는 기술입니다.
• RAID를 사용함으로써 하나의 드라이브가 고장나더라도 데이터의 분실로 이어지지 않습니다.

 

5.2 RAID의 목적

• 처리량(Throughput) 향상 : 디스크들을 병렬적으로 수행하여 데이터의 읽기/쓰기에 대한 처리량을 증가시킵니다. 처리량을 향상시키기 위해서 Striping 기법을 사용합니다.
  • Striping 기법 : 하나의 파일을 여러개의 디스크에 걸쳐서 저장하는 기술입니다.
• 신뢰성 향상 : 데이터를 복제하여 다수의 디스크에 저장하여 만에 하나라도 디스크가 고장나더라도 데이터를 읽어버리지 않게 합니다. 신뢰성을 향상시키기 위해서 Fault-Tolerance 기법을 사용합니다.
  • Fault-Tolerance 기법 : 데이터를 복제하여 저장해두는 미러링(Mirroring) 기법과 패리티 블록(Parity Block)을 사용하는 패리티(Parity) 방식이 있습니다.

 

5.3 RAID 처리량(Throughput)

RAID에서는 A라는 파일을 A1, A2, A3 ... 등으로 여러개의 디스크에 분할하여 저장합니다. 이를 Striping이라고 하는데, Striping의 단위 크기에 따라 bit-level striping / block level striping으로 나뉘게 됩니다.

• bit-level striping      : 각 바이트의 비트를 여러 디스크에 나눕니다. 예를들어 8개의 디스크의 배열안에서, 각 바이트의 i번째 bit은 i번재 디스크에 쓰이고 각 액세스는 단일 디스크의 8배 속도로 데이터를 읽을 수 있습니다.
• block level striping  :  n개의 디스크에서 파일의 i번째 블록은 disk (i mod n) +1에 쓰입니다. 블록이 서로 다른 디스크에 있는 경우 여러 블록에 대한 요청이 병렬로 실행될 수 있습니다.

 

 

5.4 RAID 신뢰성(Reliability)

• N개의 디스크에서 장애가 발생할 확률은 단일 디스크의 장애 확률보다 더 높습니다.
  • 예를 들어 고장이 날때까지 걸리는 시간인 MTBF(Mean Time Between Failures)가 100,000시간이라고 가정합니다.
  • 100개의 디스크에서 MTBF = 100,000 / 100 = 1,000시간이므로 100개의 디스크를 사용한다면 장애가 발생할 확률은 1000시간에 한번씩 발생하여 단일 디스크를 사용하는 것보다 100배는 많이 발생할 것입니다. 
• 신뢰성을 높이기 위해서는 중복성(Redundancy)를 이용합니다. 데이터를 중복하여 여러 군데에 저장해 놓는 것을 의미합니다. 대표적으로 미러링(Mirroring) 방식, 패리티(Parity) 방식 두가지 방식을 사용할 수 있습니다.

 

5.4.1 미러링(Mirroring) 방식

한 디스크가 고장이 났을 때, 만약 다른 디스크에 해당 디스크의 정보들을 복제해서 저장해두었다면, 그대로 그 디스크에 접근하여 사용하는 방식입니다.

 

만약 복제 디스크도 고장이 났다면, 데이터를 아예 손실된 것이므로, 원래 디스크가 고장이 나면 남아있는 디스크에 복제된 디스크를 이용해 해당 데이터를 모두 옮깁니다. 이때 해당 데이터를 옮겨 복구하는 시간을 mean time to repair라고 합니다.

 

 

5.4.2 패리티(Parity) 방식

패리티 방식의 Fault-Tolerance 기법은 XOR연산을 통해 이루어집니다. 3개의 디스크 A,B,C가 있다고 가정하고 A라는 디스크가 고장나면 A의 내용을 복구해야 합니다. 이때 C 디스크에 A XOR B 연산을 수행한 결과를 다시 B와 XOR 연산하면 A 디스크의 내용을 복구 할 수 있습니다.

 

6. RAID Levels

6.1 RAID Levels은 무엇인가?

RAID Levels은 비용이 많이 들지만 성능이 좋은것(Cost-Performance)과 비용은 적지만 성능이 낮은 것(Trade-Offs)을 비교한 것에 따른 종류를 분류하는 것입니다.

 

• RAID 0 : 디스크가 중복된 부분이 없는 상태이며, 만약 디스크가 고장나면 복구가 불가능합니다.
• RAID 1 : 모든 디스크가 미러링되어 복사된 상태이고, 저장 용량이 원래 디스크 사이즈의 두배만큼 필요합니다.
• RAID 4 : parity 방식 + bit-level striping 방식으로 데이터를 저장합니다.
• RAID 5 : parity 방식 + block-level striping 방식으로 데이터를 저장합니다.
• RAID 6 : 패리티 비트 P, Q를 다수의 디스크에 분산하여 저장하는 방식
• Multidemensional RAID 6 : 다차원 배열을 만들어서 패리티 P와 Q를 별도의 디스크에 저장하는 방식

 

References

source code :https://github.com/yonghwankim-dev/OperatingSystem_Study
Operating System Concepts, 10th Ed. feat. by Silberschatz et al.
https://je0n-je.tistory.com/150
Chapter 11. Mass-Storage Structure
Ch 11. Mass Storage structure
[인프런] 운영체제 공룡책 강의