23.12.21 최초 작성

1. 플래시 메모리의 특성

1.1 SSD

• NAND 플래시 메모리 기반 저장장치

• 내부에 cpu, DRAM과 같은 하드웨어 존재

  • 플래시 메모리를 관리하기 위함 (FTL (Flash Translation Layer))

FTL

• 플래시 메모리를 디스크와 같이 다룰 수 있도록 해주는 추상화 계층
  

1.2 플래시 메모리

• 비휘발성의 저장장치이며 디스크보다 빠르게 동작 (기계적인 부분 없음)

• 덮어 쓸 때 먼저 해당 내용을 지워줘야 함

• 덮어 쓰는데 제한이 있음(Overwrite Limitation)

• 읽기/쓰기 단위는 4KB, 삭제는 2MB 단위로 이루어짐

  • 갱신 처리 방법

    • 내용 갱신 시 기존 데이터를 DRAM에 복사하고 지운 다음 다시 플래시 메모리로 복사
      (처리 속도가 느리고 덮어 쓰기 횟수 소모)

    • FTL 활용

      • 매핑 테이블을 활용해 기존 위치와 이후 변경된 위치를 기록 함
      • Out of place update : 다른 위치에 기존 데이터를 기록 및 매핑 변경하고 기존 위치를 무효화 함
        (기존 위치에 데이터 남아있음)
      • Garbage collection : 위의 과정을 반복하며 남은 용량이 부족해 졌을 때 유효한 데이터를 복사한 다음 블록 초기화
        (Greedy, Age기반 블록 선정)
      • Wear-leveling 및 Bad block Handling : 각 블록이 Overwrite Limitation에 도달하지 않도록 조절

2. LFS

• 로그 구조 : 모든 write 동작을 첨부만 가능한 로그 구조로 관리

2.1 LFS 구조 (segment)

• superblock이 파일 시스템을 나타내며 checkpoint region은 inode map, segment usage, segment summary의 위치를 가짐

• inode map은 directory inode와 file inode를 가짐

  • directory inode는 디렉토리의 데이터를 가리킴
  • file inode는 direct pointer block, indirect pointer block을 통해 파일 데이터를 가르킴

• 디스크 블록 대신 세그먼트 단위로 superblock을 제외한 디스크 공간을 관리

• write 요청 시 로그를 세그먼트에 순차적으로 씀, 다 사용할 경우 다음 세그먼트에 이어 씀

• segment cleaning

  • 데이터가 세그먼트에 흩어져 있을 경우 유효한 데이터를 모아 유휴 공간을 확보
  • 유효한 데이터를 한 세그먼트에 순차적으로 복사 한 다음 다른 세그먼트를 valid한 상태로 설정

2.2 LFS에서 write cost

write cost = $\frac{total\;\; bytes\;\; read/write}{new\;\; data\;\; written}$ = $\frac{read\;\; write\;\;live\;\; + \;\;write\;\;new}{new\;\; data\;\; written}$
= $\frac{N\;\;+\;\;N*u\;\;+\;\;N*(1-u)}{N*(1-u)}\;\;\;\;\;(u : utilization)$

• utilization에 성능 영향을 받음

2.3 segment selection policy

• Greedy : 이용률이 적은 세그먼트 선택
• Cost-benefit : 세그먼트에 기록된 내용의 나이를 고려
  $\frac{benefit}{cost} = \frac{free\;\;space\;\;generated\;\;*\;\;age\;\;of\;\;data}{cost}\;\;=\frac{(1-u)*age}{1+u}$

2.4 문제

• write cliff : 활용률이 증가함에 따라 garbage collection에 의한 성능 하락

• wandering tree problem : 파일 데이터 수정 시 상위 자료구조를 모조리 수정해야 하는 문제
  

3. F2FS

• 플래시 메모리에 최적화 된 파일 시스템 (LFS 기반)

• Multi-head logging : 다중 로깅을 통해 병렬로 I/O 처리

• hot/cold-aware을 통해 자주 사용되는 세그먼트를 cleaning하지 않도록 함

3.1 F2FS 구조

• superblock : 파일 시스템 정보
• checkpoint : consistency 나타냄
• segment info table : 유효 블록의 정보
• NAT : 노드 블록의 위치
• segment summary area : 블록의 정보
• Main area : 노드와 데이터

• 주소 변환을 하는 NAT (Node Address Translation)도입 해 checkpoint와 함께 하위 자료구조를 가르킴
• 수정 시 갱신 과정 축소
  • 데이터 수정 → 노드 수정 → NAT 주소 변환 → checkpoint 수정