리눅스 구조 (저장 장치)

문린이·2024년 3월 27일

HDD

하드 디스크 드라이브(HDD)는 오랫동안 데이터 저장의 주요 수단으로 사용되어 온 전통적인 저장 장치이다. 리눅스 구조에서 HDD는 파일 시스템과 함께 작동하여 데이터를 저장하고 접근한다. HDD의 동작 방식과 성능 특성은 그 구조와 기계적 특성에 기반을 두고 있다.

HDD의 동작 방식

기계적 구조: HDD는 하나 이상의 회전하는 디스크(플래터)로 구성되어 있다. 이 플래터들은 데이터를 자기적으로 저장하며, 고정된 회전 속도(예: 5400RPM, 7200RPM 등)로 회전한다.
읽기/쓰기 헤드: 데이터의 읽기와 쓰기는 플래터 위를 지나가는 읽기/쓰기 헤드를 통해 이루어진다. 헤드는 액추에이터(Actuator)에 의해 플래터 위로 정밀하게 이동되며, 데이터의 저장 및 검색을 담당한다.
데이터 접근: 데이터를 읽거나 쓸 때, 플래터는 해당 데이터가 저장된 섹터와 트랙 위치로 회전하여 헤드가 정확한 위치에 도달할 수 있도록 한다. 따라서, 데이터 접근 시간은 플래터의 회전 속도와 헤드의 이동 속도에 영향을 받는다.

성능 특성

접근 시간: HDD의 접근 시간은 플래터의 회전 지연(Latency)과 헤드의 추적 시간(Seek Time)에 의해 결정된다. 이러한 기계적 움직임 때문에 SSD(Solid State Drive)와 비교할 때 상대적으로 느리다.
전송 속도: 한 번에 읽거나 쓸 수 있는 데이터의 양은 플래터의 밀도와 회전 속도에 의해 영향을 받는다. 높은 밀도와 빠른 회전 속도는 더 높은 전송 속도를 의미한다.
신뢰성: HDD는 기계적인 부품으로 구성되어 있어 물리적 충격에 취약할 수 있으며, 시간이 지남에 따라 마모될 수 있다. 그러나 적절한 사용 환경과 관리 하에는 긴 수명을 제공할 수 있다.
용량 대비 비용: HDD는 SSD와 비교했을 때 용량 대비 비용이 낮다. 대용량의 데이터를 경제적으로 저장해야 하는 경우에 적합하다.

미리 읽기

HDD(Hard Disk Drive)의 미리읽기(pre-fetching 또는 read-ahead) 기능은 디스크의 효율성과 성능을 향상시키기 위해 설계된 중요한 기능 중 하나이다. 미리읽기는 시스템이 요청받은 데이터 외에도, 앞으로 필요할 것으로 예상되는 데이터를 미리 읽어 메모리(주로 디스크 캐시)에 저장하는 과정이다. 이 방법으로, 실제 데이터 요청이 발생했을 때, HDD가 물리적으로 데이터를 읽는 시간을 줄여 성능을 향상시킬 수 있다.

미리읽기의 작동 방식

순차적 접근 최적화: 미리읽기는 주로 순차적 데이터 접근 패턴에서 효과적이다. 예를 들어, 큰 파일을 읽거나, 멀티미디어 스트리밍과 같이 데이터가 순차적으로 처리되는 작업에서 더 큰 이점을 제공한다.
디스크 캐시 활용: 읽어들인 데이터는 HDD 내부의 디스크 캐시에 저장된다. 디스크 캐시는 빠른 액세스를 위해 사용되는 작은 양의 고속 메모리이다. 시스템이 데이터를 요청할 때, HDD는 먼저 디스크 캐시를 확인하여 요청된 데이터가 캐시에 있는지 확인한다. 데이터가 캐시에 있으면, 디스크에서 물리적으로 데이터를 읽지 않고 캐시에서 바로 데이터를 제공하여 응답 시간을 단축시킨다.
예측 알고리즘: 현대의 HDD는 어떤 데이터가 다음에 필요할지 예측하기 위해 복잡한 알고리즘을 사용한다. 이 알고리즘은 사용자의 데이터 접근 패턴을 분석하여, 앞으로 접근할 가능성이 높은 데이터를 결정하고 미리 읽어들인다.

미리읽기의 장단점

장점: 순차적인 데이터 접근 시 상당한 성능 향상을 제공하며, 디스크의 I/O 요청 처리 시간을 줄여 전체 시스템의 반응 속도를 향상시킬 수 있다.
단점: 무작위 접근 패턴에서는 미리읽기가 그다지 효과적이지 않을 수 있다. 예상치 못한 데이터 접근 패턴에서는 미리읽기로 인해 필요하지 않은 데이터를 읽는 오버헤드가 발생할 수 있으며, 이는 캐시의 유용한 공간을 차지하고 디스크의 작업 부하를 증가시킬 수 있다.

SSD

SSD(Solid State Drive)는 데이터 저장을 위해 NAND 기반 플래시 메모리를 사용하는 비휘발성 저장 장치이다. HDD(Hard Disk Drive)와 달리, SSD는 기계적인 움직임이 없어 더 빠른 데이터 접근 속도와 낮은 지연 시간을 제공한다. 리눅스를 포함한 모던 운영 체제는 SSD의 특성을 활용하여 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.

SSD의 동작 방식

플래시 메모리 사용: SSD는 NAND 플래시 메모리를 사용하여 데이터를 저장한다. 이 메모리 셀들은 전원이 꺼져도 데이터를 유지할 수 있는 비휘발성 특성을 가지고 있다.
데이터 읽기 및 쓰기: SSD는 데이터를 읽고 쓸 때 전기 신호를 사용한다. 이는 HDD의 물리적인 플래터 회전이나 읽기/쓰기 헤드의 움직임에 비해 훨씬 빠른 속도로 이루어진다.
웨어 레벨링(Wear Leveling): SSD는 한곳에 지속적으로 쓰기 작업이 이루어지면 해당 부분의 메모리 셀이 빠르게 마모될 수 있다. 웨어 레벨링 기술을 통해, 데이터 쓰기 작업이 메모리 셀 전체에 고르게 분포되도록 하여, SSD의 수명을 연장한다.
TRIM 명령어: 운영 체제가 SSD에 저장되어 있지 않는 데이터 블록을 SSD 컨트롤러에 알려주어, 효율적인 가비지 컬렉션 및 웨어 레벨링이 가능하게 한다. 이는 SSD의 성능을 최적화하고, 수명을 연장하는 데 도움을 준다.

SSD의 성능 특성

빠른 데이터 접근 속도: SSD는 물리적인 움직임이 없기 때문에, HDD에 비해 훨씬 빠른 데이터 접근 속도와 낮은 지연 시간을 제공한다.
고성능 I/O 작업 처리: 높은 IOPS(Input/Output Operations Per Second)를 지원하여, 동시에 많은 입출력 작업을 빠르게 처리할 수 있다.
낮은 전력 소비: 기계적인 부품이 없기 때문에, HDD에 비해 낮은 전력을 소비한다. 이는 모바일 기기나 에너지 효율이 중요한 환경에서 유리하다.
내구성과 신뢰성: SSD는 물리적인 충격에 강하며, 작동 중 발생할 수 있는 기계적인 오류가 적다.