📋 2과목. 파일 시스템과 운영체제

💻 제 1편. 파일 시스템

🤍 CH1. 파일의 기본개념

파일 시스템

• 시스템의 오류 교정, 중요 데이터의 백업 및 복원. 데이터의 보안 및 암호화 등의 부가 기능이 있다.

메타 데이터

• 사용자가 입력한 데이터를 설명하거나 관리하기 위한 데이터로 응용프로그램에서 자동적으로 생성된다.

파일 시스템 확장자 별 hex :
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_file_signatures

🤍 CH2. 파일의 기반요소들

I/O 버퍼링

• 한 번에 다량의 하드 시스크 데이터를 읽어 디스크 사용 효율을 높임
• 하드 디스크와 CPU 간 속도 차로 인한 성능 저하를 감소시킴
• 응용 프로그램의 Read()와 같은 파일 읽기 시스템 수행 속도가 빨라짐

🤍 CH3. 파일 시스템의 구조

디스크 Free-Space 관리 방법

• 연결 리스트 (Linked-list) : 모든 자유 블록을 연결하여 관리

슬랙 공간

물리적 구조와 논리적 구조의 차이로 발생하는 낭비공간

1. RAM slack : 섹터 슬랙이라고도 한다. 데이터가 디스크에 512 바이트씩 기록되는 특성으로 인해 발생하는 공간.

• 클러스터의 사용으로 인하여 => ram slack, file slack, file system slack

2. File slack : 드라이브 슬랙이라고도 함. 클러스터의 사용으로 인해 낭비되는 공간 중 램 슬랙을 제외한 나머지 부분을 나타냄
3. Filesystem slack
4. Volume slack : 전체 볼륨의 크기와 할당된 파티션 크기의 차이로 인해 발생. 클러스터의 사용이 직접적인 생성요인이 아님.

free-space 관리법

• 연결 리스트이 경우, 빈 블록이 n개가 필요한 경우 n번 디스크를 읽어야 함.
• counting : 프로그램들이 많은 경우 연속된 여러 블록을 할당하고 반환
• grouping : 여러 개의 가용블록 주소를 찾는데 용이

윈도우 FAT 파일 시스템

MBR(master boot record) : OS를 로드하기 위해 필요한 부팅 정보 저장

• OS가 어디, 어떻게 위치되어 있는 지 식별. 주기억장치에 적재될 수 있도록 하기 위한 정보. 파티션된 기억장치의 첫 번째 섹터인 512 바이트의 시동 섹터
• 메모리에 적재될 OS가 저장되어 있는 파티션의 부트 섹터 레코드를 읽을 수 있는 프로그램 포함. 부트 섹터 레코드는 OS의 나머지 부분을 메모리에 적재시키는 프로그램을 담고 있음
• 처음 440 바이트는 부트 코드 영역, 부트 코드의 주 역할은 파티션 테이블에서 부팅 가능한 파티션을 찾아 해당 파티션의 부트섹터를 호출해주는 역할
• microsoft의 MBR은 부트 코드 영역과 파티션 테이블 영역으로 구분된다.

BR(Boot Record) : 각 파티션의 첫 번째 섹터에 위치하여, 해당 파티션에 OS가 설치되어 있으면 OS 부팅 역할을 한다. 단일 파티션을 사용하는 경우 BR는 MBR의 위치에 있다.

디스크 주소 저장 방식

1. CHS (Cylinder, Head, Sector의 약어)
: 디스크의 물리적 구조에 기반한 주소 지정 방식. 초기 ATAT 표준과 BIOS의 지원 비트 차이로 인해 최대 504mb 까지 지정 가능

2. LBA 방식
: 디시크 0번 실린더 0번 헤드 , 1번 섹터의 0번 블록으로 지정하는 방식

GPT(GUID Partition Table)

• 안드로이드 저장장치 대부분에서 사용
• GPT 헤더의 시그니처는 'EFI PART'
• 파티션 엔트리에서 해당 파티션의 시작 블록 주소는 8 바이트
• 각 엔트리는 GUID 값을 가짐

🤍 CH4. 파일 시스템 유형

NTFS

파일이 삭제된 경우

• 파일에 대한 MFT Entry의 in-use flag를 0으로 변경
• 해당 MFT Entry에 대한 $Bitmap 속성을 0으로 변경
• $Bitmap 파일에서 삭제된 파일에 할당된 Cluster를 unallocated로 변경

NTFS 특징

• 저장하는 데이터 암호화 기능과 Journaling 기능을 포함
• 시스템 고장과 디스크 손상 복구 능력이 있어 손상 발생 시 디스크 볼륨을 재구성하여 일관성이 있는 상태로 복구 가능
• 보안 적용 대상은 로컬서버의 NTFS 볼륨 드라이버, 폴더, 파일이다.
• 보안의 상속은 하위폴더 및 파일에 상속되도록 기본 설정되어있으며, 허용보다는 거부목록 우선
• 사용자 권한은 공유 보안과 같이 Everyone 그룹에 대해 모든 권한을 허용함
• 파일과 폴더에 개별적 보안 설정이 가능해 강력한 보안정책 설정 가능
• FAT 파일 시스템 대체를 위한 것으로, 사용자마다 서로 다른 보안 설정이 가능함
• 다중 데이터 스트림 지원
• 파일 시스템 수준에서의 압축을 지원
• 파일, 디렉토리 표현을 위해 MFT 엔트리 자료구조 제공

NTFS 메타 파일

$FILE_NAME
: MFT Entry에 기록되는 attribute. 파일명, 파일 플레그(Archive, Hidden), MAC Time 등이 기록된다.
$STANDARD_INFORMATION
: 파일의 생성, 접근, 수정 시간, 소유자 등의 일반적 정보, MAC Time
$SECURITY_DESCRIPTOR
: 파일의 접근제어와 보안 속성
$INDEX_ROOT
: 인덱스 트리의 루트 노트
$BITMAP
: $MFT와 인덱스, 볼륨 클러스터의 할당 정보 관리

$MFTMirr
: MFT 파일의 백업본 저장
$MFT
: 파일 디스크 저장 위치
$LogFile
: 트랜잭션 저널 기록
$Objld
: 파일의 고유 ID 저장. 16바이트 크기를 가진 고유값의 저장

NTFS 레코드 형식

• 파일 레코드 헤더에는 파일 ID, 레코드 저장 위치, 레코드의 실제 길이, 할당 크기, 파일의 시작위치, 다음번 속성 ID, 플래그 등을 저장
• 파일명 속성은 파일이 속한 디렉터리 위치, 파일 변경 횟수, 파일 할당 크기, 파일 실제 크기, 파일명 길이, 파일명 공간, 16비트*255자 유니코드 기반 파일명 등이 있음
• 데이터의 속성은 파일의 데이터와 데이터를 찾는 인덱스에 대한 속성, 비상주 속성에 대한 설명, 속성 이름, 압축 단위 크기, 속성 할당 크기, 속성의 실제 크기, 데이터 시작 위치, 첫 데이터 스트림의 크기 등이 있다.

sparse

데이터가 모두 0인 파일 저장 시 실제 디스크를 할당하지 않고 크기만 저장하는 기능

convert

FAT 16 / 32 파일 시스템을 NTFS로 변환시키는 것이 가능하지만, 다시 되돌리는 것은 불가능하다.

Flash 메모리를 통한 파일 시스템 구현

• 작은 크기의 데이터를 읽을 때 매우 적합
• 가격 상의 이유로 NAND 타입의 플래쉬 메모리 사용
• 긴 재사용을 위해 garbage 수집이 필요함
• 전용 파일 시스템 => YAFFS2

NAND Flash 메모리

• SSD, SD Card, eMMC, USB 메모리 카드에 사용됨
• 읽기, 쓰기, 동작 외 지우기 동작의 필요
• 지우기 횟수의 제한으로 초과 시 해당 부분에는 데이터 기록 불가

• FAT 파일 시스템과 NTFS 파일 시스템에서 파일 삭제 시 실제 파일 데이터는 삭제하지 않고, 파일 메타데이터의 특정 플래그만 변경된다.
• 파일 카빙은 파일 시스템의 미할당 클러스터에서 삭제된 파일의 시그니처인 header 또는 footer 등의 정보를 사용하여 파일을 복구하는 기법이다.
• 파일 카빙은 램 슬랙, 파일 슬랙 등에 대해서도 수행 가능하다.

TRIM

• OS에서 파일 삭제 시 FTL( Flash Translation Layer ) 에서 즉시 또는 일정 시간 후 삭제한 파일에 속한 섹터의 물리적 페이지 대응정보를 삭제
• OS가 TRIM을 적절한 시점에 호출 시 SSD 성능이 좋아짐
• 사용하지 않은 페이지를 모아 블록단위로 지우는 garbage collection과 밀접한 관계가 있음

FTL

• 파일 시스템의 논리적 섹터에 대한 플래시 메모리의 물리적 주소 변환
• Wear Leveling
• Garbage Collection을 포함한 블록 관리
  => Sector Translation, Block Management, Low Level Driver의 구조를 가짐

FAT 파일 시스템의 구조

• PBR : 파티션 부트 레코드의 약자로서 파티션 정보를 저장하고 있는 핵심적 부분
• FAT 1/2 : 클러스터들을 관리하는 테이블이 모여 있는 공간으로 FAT2는 FAT1의 백업 역할을 함
• Root Directory : 파일 시스템의 최상위 디렉터리. 디렉터리에 대한 Metadata 저장
• LFN Directory Entry
  : 최대 255자까지 저장 가능하며, 기존의 short file name과 호환된다. 기존 SFN보다 특수문자의 허용 범위가 넓다.

FAT32

• FAT32의 DATA 영역에서 Root Directory의 위치는 고정되어 있지 않다. FAT32는 일정 이상 크기의 디스크에 한해서는 적용이 어렵다.
• FAT 파일시스템구조에서 일반적으로 FAT16은 1 Sector, FAT32에서는 32개의 sector가 예약된 영역에 속함
• 파일 삭제 시, 삭제되는 파일의 디렉터리 엔트리의 첫번째 바이트가 0xE5로 바뀌며, File Allocation Table에서 삭제하는 파일에 할당된 클러스터의 정보가 모두 0으로 바뀜. 삭제되는 파일의 롱파일네임 엔트리의 첫 번째 바이트가 0xE5로 바뀐다.
  
  
• 단편화 시 파일이 손상된 상태로 복구됨
• DOS 때부터 사용된 FAT은 디스크 블록 할당 시 연결 리스트 형태를 취함
• directory entry에는 파일의 이름, 확장자, 생성, 수정, 접근 시간 등이 저장됨

exFAT

FAT 12/16/32 계열의 차세대 파일 시스템. FAT 32의 장점을 유지하며 파일크기와 디렉터리 제약의 문제를 해결함

Cluster Heap
실제 파일 데이터가 존재하는 영역

Cluster run

• 많은 데이터가 연속적으로 저장되는 경우에 효율적 표현 가능
• 각 run은 시작 클러스터 번호와 클러스터 개수로 표현됨
• Sparse 속성의 경우 run에 시작 클러스터의 번호는 표시하지 않고 크기만 표현

ext4

• 기존 Ext3의 공간 할당 방법 개선을 위해 구현
• 슈퍼블록과 디스크립터 사본 저장
• extent를 사용한 디스크 공간 관리의 시작
• 일관성과 속도 향상을 위해 선할당 preallocation 기법과 단편화 방지를 위한 지연할당 delayed allocation 기법을 도입
  

✔ 슈퍼블록 복구 방법
다른 블록그룹에 백업되어 있는 슈퍼블록을 찾거나, 저널 파일에 존재하는 슈퍼블록을 찾음

ordered mode journal

슈퍼블록, inode, 블록비트맵 기록

extend

• 파일 할당 블록정보 리스트
• 시작블록의 위치와 연속된 블록 개수로 표현됨
• inode에서는 최대 4개의 extent만 포함 가능

ext3

• Journaling 기능

VFS

• 서로 다른 파일 시스템에 대해 표준 인터페이스를 통해 입출력 가능케하는 추상화 계층
• 사용자 프로세스는 마운트 된 실제 파일시스템에 대한 정보를 가질 필요x
• VFS의 주요 공통 오브젝트는 superblock, inode, dentry, file이 있다.
• 네트워크 파일 시스템도 마운트 가능하다.

UFS

• Unix 및 Unix 계열 OS에서 널리 사용되는 파일 시스템
• 시스템 상 각 파일은 특정 사용자에게 소유되며, 원칙적으로 해당 사용자만이 해당 파일에 대한 조작 수행이 가능함
• 부트 블록, 슈퍼 블록, 실린더 그룹의 파일 시스템 구조를 가짐
• 특권이 있는 사용자는 예외적으로 파일시스템의 모든 파일에 대한 권한을 가짐
• 일반 사용자는 슈퍼 유저와 같은 특수 권한을 통해 해당 파일에 접근 가능케함.
  => 구조 : 부트 블록, 슈퍼 블록, 실린더 그룹

HFS+

• apple의 Mac OS, iOS에서 사용하는 파일 시스템
• 파일과 폴더 이름을 UTF-16으로 표현, 저널링 지원
• 볼륨 헤더의 복사본이 볼륨의 마지막 1024 바이트 앞쪽에 존재
• Catalog File은 B-Tree로 구성되며, 파일 및 디렉토리의 구조를 정보로 표혐

JFS

IBM AIX os 파일 시스템의 종류

Super Block

유닉스 계열 파일 시스템 구조에서 디스크 파일시스템의 식별을 위한 Magic Number 등 전체 디스크에 대한 정보가 저장되어 있음

Linux OS 파일 시스템의 종류

• EXT2
  EXT(Extended File System)은 하위 호환성을 가지며, 시간 소인 정밀도 및 범위를 향상시키고 블록 할당을 지연시킨다. 또한 파일 레벨로 사전 할당과 멀티 블록 할당을 지원한다.
• XFS
• UPS

inode 구조체

• 파일이 저장된 디스크 블록 위치를 나타내기 위해 15개의 포인터 사용
• 디스크 블록 위치를 가리키는 포인터 정보는 직접 지정과 간접 지정 방식이 있음
• 작은 크기의 파일에 부여된 inode의 경우 간접 지정 포인터 값은 null
• 유닉스에서 파일 또는 디렉터리 파일 생성 시 속성을 등록하는데, 파일의 속성을 나타내는 정보를 저장하고 있는 것

🤍 CH5. 파일보호기법

• 접근행렬의 사용
  파일 보호 기법 구현을 위해 사용
  ex) 권한 리스트, 전역 테이블, 락-키 기법

접근 리스트에서 각 객체에 대해 만들어지는 리스트는 "영역, 권한 집합" 순서쌍으로 구성되며, 디폴트 값이 없는 경우 접근이 거부됨