[OS 공룡책] Ch11. Mass-Storage Structure

Chapter 11: Mass-Storage Structure
→ 보조저장장치 특성 살펴보는 Chapter

Overview of Mass-Storage Structure

HDD

• Magnetic disk의 모음
• secondary storage 보조저장장치 → 메인 저장장치 = memory
  
• direct access 지원 cf. tape : sequencial access
  
• Disk I/O time

  1. random-access time

     → 원하는 sector 찾음

  2. transfer time

     → sector에 있는 내용 bus를 통해 가져옴

  3. disk controller overhead

     → 메모리보다 훨씬 많은 시간 소요

Moving-head Disk Mechanism

• arm : 원하는 실린더에 헤드 이동시키기 → seek time
  
• track : 반시계 방향으로 돌려서 원하는 sector에 맞추기 → rotation latency
  

Hard Disk Performance

• Access Latency(Average access time) = average seek time + average rotation time
  
• average latency
  • 1/2 * latency(60/RPM)
  • RPM : disk platter가 1분에 몇 바퀴 도는지 → 60/RPM : 초당 몇 바퀴 도는지
    
  • 평균 반 바퀴
• Average I/O time
  • average access time + (amount to transfer / transfer rate)
    • controller overhead
• Example> 4KB block, 7200RPM, 5ms average seek time, 1Gb/s transfer rate, 0.1ms controller overhead
  • average seek time : 5ms
  • average rotation time : 1/2 * (60 / 7200) = 4.17ms
  • controller overhead : 0.1ms
  • transfer time : 4KB / 1Gb/s = 32 / 1024^2 = 0.031ms
  • average I/O time for 4KB block = 9.27ms + 0.031ms = 9.301ms
    

Disk Structure

• disk : logical block으로 구성 → 하나의 sector 단위로 physical 주소(CHS)에 어떻게 매핑?
  
• CHS : 실린더 번호, 헤더 번호, 섹터 번호
• 1번째 platter 바깥쪽 섹터 : Sector 0 → … → n번째 platter 바깥쪽 → 1번째 platter 바깥에서 두 번째 섹터 → …
  
• angular velocity(각속도)
  • 옛날엔 상수였음 → 각도별로 밀도 달라짐 (일관성 X)
    
  • 요즘엔 ZBR(Zone Bit Recording) 사용 → 위치별로 비트 기록, 일정 각도당 들어가는 sector개수 상이
    

Disk Attachment

• I/O bus
  • ATA (advanced technology attachment) → parallel
    
  • SATA (serial ATA) → serial
    
  • eSATA : 외장하드도 연결
  • USB (Universal Serial Bus)
  • FC (Fiber Channel)
• NVM : PCI 버스에 직접 연결된 NVM express 인터페이스 사용

HDD Scheduling

Disk Scheduling

• Disk I/O request
  • input / output mode
  • disk address
  • memory address
  • 전송할 sector 개수

FCFS Scheduling

• 실린더 번호 queue에 대기
• 640 실린더만큼 이동 → seek time만 고려 (rotation time은 고려 X)
  
• 구현 용이

SSTF Scheduling

• Shortest Seek Time First : 가장 가까운 실린더부터
• 246 실린더만큼 이동
  • 이동 개수 최소화
  • 성능 가장 좋음 : request만 고려
• starvation 발생

SCAN Scheduling

• SCAN algorithm = Elevator algorithm

  • 일정 방향으로만 계속 이동

    → 끝까지 가면 방향 전환

    

• 236 실린더만큼 이동
• 반대방향 가장 먼 실린더가 너무 오래 기다림
• 0까지 굳이 가지 않고 바로 트는 것 = look 방식

C-SCAN (Circular SCAN) Scheduling

• 항상 한 방향으로만 이동
• 382 실린더만큼 이동
• 너무 오래 기다리는 실린더 존재 X
• 끝까지 굳이 가지 않는 것 = c-look 방식

NVM Scheduling

Nonvolatile Memory Device (NVM)

• SSD (비휘발성 메모리), USB 드라이브
• 장점
  • HDD보다 높은 신뢰성 (고장 X)
  • 탐색 지연시간X → 빠른 속도
  • 에너지 효율적
• 단점
  • 높은 가격, 작은 용량, 짧은 수명 (제한적 용도, writing 용량 제한)
  • 페이지 단위 읽고 쓰기 가능하지만 덮어 쓸 수 X
  • 삭제 : 여러 페이지로 구성된 블록 단위로

NAND 플래시 제어기 알고리즘

• 덮어쓰기 X → valid page, invalid page 존재
• Flash Translation Layer (FTL)
  • 유효한 데이터를 포함하는 논리 블록 추적
  • 유효하지 않은 가용공간 → garbage collection
• 과잉 공급(over-provisioning) 기법
  • 유효한 데이터를 이동시킬 여분의 공간
  • 마모 평준화(wear leveling)에 도움됨 → 모든 블록이 최대한 골고루 펴지게
    

NVM Scheduling

• seek time 필요 X → 간단한 FCFS 정책
• Linux의 NOOP 스케줄러 → FCFS 정책 + 인접한 요청 병합하도록 수정
  
• NVM 쓰기 성능
  • 장치가 얼마나 찼는지, 얼마나 마모되었는지 따라 상이
  • write amplication (쓰기 증폭) → valid page 옮기는 과정에서 불필요한 쓰기 작업 발생
    

• 복습 kernel의 기능
  1. virtualization
     • process 추상화
     • memory 가상화
       • virtual memory
  2. concurrency
     • thread
     • synchronization : 일관성 유지
  3. persistency
     • file system

Swap-Space Management

Swap-Space Management

• swap-space
  • memory랑 똑같이
  • 드라이브에 분산 사용
• swap map
  • 각각의 swap-space마다 몇 개씩 할당 등의 부가적 정보들 테이블 형태로 유지

RAID Structure

RAID Structure

• 고려사항
  1. Performance
  2. Reliability
     • 원래 RAID의 시초 = 안전성
• mean time to failure
  • 고장날 때까지 걸리는 평균 시간
  • 클수록 좋음
• mean time to repair
  • 수리할 때 걸리는 시간
  • 짧을수록 좋음
• mean time to data loss
  • 데이터를 잃을 확률
  • 1 / N * Pf

RAID Levels

• RAID 0: non-redundant striping

  

  • 백업 X

• RAID 1: mirrored disks

  

  • 사용 가능 공간 1/2
  • reliability 증가

• RAID 2: memory-style error-correcting codes

  

• RAID 3: bit-interleaved parity

  

  • parity : even, odd (1의 개수 홀수로) → 각 자리에 xor 0 연산해주면 parity bit 결정됨
    
  • 오류 여부 인지 가능

• RAID 4: block-interleaved parity

  

  • block 단위로 parity 계산

• RAID 5: block-interleaved distributed parity

  

• RAID 6: P+Q redundancy

  

  • parity 2개 → error 측면에서 좀 더 안정적