파일 시스템 (File System)
파일 시스템은 운영체제에서 데이터를 저장, 조직, 관리하는 방법과 구조를 제공하는 소프트웨어 계층이다. 파일 시스템은 디스크와 같은 스토리지 장치에서 데이터를 저장하고 접근하기 위한 논리적인 인터페이스를 제공한다.
주요 역할
- 데이터 저장 및 접근:
파일과 디렉터리를 통해 데이터를 저장하고, 읽거나 쓰는 기능을 제공한다. - 데이터 조직화:
파일과 디렉터리를 트리 구조로 관리하여 데이터의 효율적 배치를 보장한다. - 데이터 보호 및 보안:
사용자 접근 권한, 암호화, 백업 등을 통해 데이터 무결성과 보안을 유지한다. - 저장 장치 추상화:
물리적 저장 장치의 세부사항(블록 크기, 섹터 등)을 숨기고, 사용자가 논리적인 파일 단위로 작업할 수 있게 한다.
파일 시스템의 구성 요소
- 파일(File):
데이터를 저장하는 기본 단위로, 이름과 확장자를 통해 식별된다. - 디렉터리(Directory):
파일이나 하위 디렉터리를 포함하는 컨테이너로, 트리 구조로 구성된다. - 메타데이터(Metadata):
파일에 대한 정보를 저장하는 데이터로, 파일 이름, 크기, 생성/수정 시간, 권한 등이 포함된다. - 블록(Block):
파일 데이터를 물리적 저장 장치에 저장할 때 사용하는 최소 단위.- 예: 4KB 블록 단위로 데이터를 관리.
- 파일 할당 테이블(File Allocation Table):
파일이 저장된 디스크 블록의 위치를 추적하여 데이터의 연속성을 유지.
파일 시스템의 기본 기능
- 파일 이름 관리:
사용자가 파일 이름을 통해 데이터를 직관적으로 접근할 수 있게 관리. - 파일 저장 및 검색:
파일 데이터를 디스크에 저장하고, 필요 시 빠르게 검색. - 디렉터리 관리:
계층 구조를 지원하여 데이터를 논리적으로 정리. - 저장 공간 할당 및 해제:
파일의 크기에 맞는 디스크 공간을 할당하거나 삭제된 파일의 공간을 해제. - 데이터 무결성 및 복구:
파일 손상 또는 저장 장치의 오류 발생 시 데이터를 복구하는 메커니즘 제공. - 접근 제어 및 보안:
사용자 권한을 기반으로 읽기, 쓰기, 실행 등의 작업을 제어.
파일 시스템의 구조
파일 시스템은 여러 계층으로 구성된다:
사용자 인터페이스
- 사용자가 파일을 생성, 삭제, 열기, 저장하는 인터페이스.
논리적 파일 시스템
- 디렉터리 구조, 파일 이름, 접근 권한 등 파일의 논리적인 특성을 관리.
파일 조직 모듈
- 파일 데이터를 물리적 디스크에 저장하고, 검색하기 위한 메커니즘을 제공한다.
I/O 제어
- 저장 장치와 파일 시스템 간의 데이터 전송을 처리한다.
물리적 저장소
- 파일 데이터가 실제로 저장되는 디스크의 섹터와 트랙.
파일 할당 방식
파일 데이터를 디스크에 저장하기 위해 사용하는 방식은 다음과 같다:
- 연속 할당(Contiguous Allocation):
- 파일 데이터를 연속된 디스크 블록에 저장.
- 장점: 빠른 접근 속도.
- 단점: 파일 크기 변경 시 조각화(Fragmentation) 문제 발생.
- 연결 할당(Linked Allocation):
- 파일의 각 블록이 다음 블록을 가리키는 포인터를 포함.
- 장점: 조각화 문제 최소화.
- 단점: 랜덤 접근이 느림.
- 인덱스 할당(Indexed Allocation):
- 별도의 인덱스 블록에 파일 블록들의 목록을 저장.
- 장점: 랜덤 접근과 파일 확장에 유리.
- 단점: 인덱스 블록의 크기 제한.
파일 시스템의 종류
- FAT (File Allocation Table):
- 가장 간단하고 널리 사용되는 파일 시스템.
- DOS와 초기 윈도우에서 사용.
- NTFS (New Technology File System):
- 마이크로소프트 윈도우에서 사용.
- 보안, 압축, 대용량 파일 지원.
- EXT (Extended File System):
- 리눅스에서 사용되는 파일 시스템.
- 최신 버전: EXT4.
- HFS+ (Hierarchical File System Plus):
- 애플 macOS에서 사용.
- APFS(Apple File System)로 대체됨.
- ZFS (Zettabyte File System):
- 데이터 무결성과 스냅샷 기능을 제공.
- 대규모 데이터 저장에 적합.
파일 시스템의 문제점과 해결책
문제점
- 조각화(Fragmentation):
파일이 여러 비연속적인 블록에 저장되어 읽기/쓰기 속도가 저하.- 해결책: 디스크 디프래그멘테이션(조각 모음).
- 데이터 손상:
저장 장치 오류로 데이터가 손상될 수 있음.- 해결책: RAID와 같은 백업 및 복구 메커니즘 사용.
- 성능 문제:
대규모 파일 또는 많은 작은 파일을 처리할 때 성능 저하.- 해결책: 캐싱 및 SSD와 같은 고속 저장 장치 사용.
파일 시스템의 발전 방향
- 분산 파일 시스템:
- 여러 서버에 데이터를 분산하여 저장 및 처리(Google File System, HDFS 등).
- 저장 최적화:
- SSD 및 비휘발성 메모리 기반 스토리지에 적합한 파일 시스템 설계.
- 보안 및 암호화:
- 데이터 보호를 위해 기본적인 암호화 기능 내장.
- 대용량 데이터 처리:
- 빅데이터와 클라우드 환경에서 효율적으로 작동하는 파일 시스템.
파일 시스템은 운영체제와 저장 장치 사이의 핵심적인 인터페이스로, 데이터의 효율적인 관리와 저장을 위해 중요한 역할을 한다.
Turning Vision into Reality.