Mass-Storage Structure

Mass-Storage

종류

• HDD(Hard Disk Drive): 우리가 흔히 아는 저장소

• SSD(Solid State Disk): NAND flash memory, Controller로 이를 통제하는 저장소

• RAM disk: RAM을 저장소처럼 사용하는 기법
  ex) 32bit OS에서 4GB의 램만 인식하는데 그 이상의 램을 저장소처럼 사용

• Other: Magnetic Tape(카세트 테이프), CD, DVD 등

Disk Attachment

• Host Attached: 호스트(컴퓨터 자체)에 붙어있는 저장소
  ex) IDE, SCSI

• Network Attaached: 네트워크를 통해 원격으로 접속하는 저장소
  ex) NAS, SAN

Network Attached Storage(NAS)

• IP주소를 통해 클라이언트가 원격 스토리지로 접근
• 파일시스템 형태, File-level access로 제공 → NFS(리눅스), CIFS(윈도우)
• 원격의 파일 스토리지를 LAN/WAN 등의 인터넷으로 제공

Storage Area Network(SAN)

• NAS는 저장공간 개념이라면 SAN은 네트워크 개념
• 저장공간을 하나의 그룹으로 묶어서 SAN으로 운용
• 광섬유, SCSI같은 프로토콜을 사용, IP인터넷 접근을 하지 않음
• Block-level access(파일을 블록으로 나눔)
• 파일시스템: GFS(google file system: 대용량의 데이터를 다루는 곳에서 사용)
• 데이터센터에가면 SAN으로 묶인 수많은 storage array 존재

HDD

Disk Performance

• Seek time: 암이 움직여서 원하는 섹터로 가는 시간
• Rotation time: 정보가 저장된 실린더가 암의 위치에 오도록 회전하는 시간
• Transfer time: 암이 섹터의 정보를 읽은 후 요청으로 보내는데까지의 시간
• Seek time이 제일 큰 시간이라서 이것을 줄이는 것이 목표

Disk Scheduling Algorithm

• FCFS: 읽어야하는 순서대로 읽음

• SSTF: 근처에 있는 데이터부터 읽음
  계속 근처의 데이터가 추가되면 starvation 발생

• SCAN: 엘레베이터처럼 한방향으로 끝까지 증가시키거나, 감소시키면서 읽음

• C-SCAN: SCAN은 양방향이나, C-SCAN은 증가시키며 쭉 읽고 0으로 되돌아가 또 증가시키며 읽음

• C-LOOK: SCAN은 끝까지 읽지만, LOOK은 현재 Queue에 lT는 범위까지만 읽음

Disk Controller

• HDD의 내부동작(Platter, 헤드의 움직임 등)을 CPU가 관리하기엔 오버헤드가 너무 커서 대신 수행
• Read-ahead: spetia llocality 특성을 활용서 옆에 있는 데이터도 같이 읽음
• Caching: 자주 읽는 블록을 캐싱
• 하드웨어 문제 발생하면 다시 읽으라고 요청
• 디스크 손상으로 섹터가 고장나면 이 부분을 찾아서 쓰지 못하도록 remapping

Swap-Space Management

• VM에서 사용할 디스크의 공간을 관리해야함
• 윈도우는 빈파일을 만들어서 그 공간을 정의→ 공간을 늘리고 줄이기 용이하나 Protection은 잘 되지 않음
• 리눅스는 그 공간에 별도의 파티션을 분할
  → Protection, 접근 관점에서 좋으나 공간 관리가 어려움

RAID

목적

• 다수의 디스크를 하나의 디스크처럼 묶어 사용하는 기술

• Reliability

  • Mirroring(Shadowing)
    파일이 손상돼도 백업할 수 있도록 똑같은 데이터를 복제

  • Parity Code, Error-Correcting Code
    손상이 일어나더라도 복구할 수 있는 코드

• Performance

  • Data Striping
    • 데이터를 bit-elvel, block-level로 쪼개서 저장
    • 실제로는 block-level striping을 사용
      bit-level로 세세하게 나누면 locality 성질을 잃음
    • 기존에 한 디스크에 저장했다면 arm seek time이 길어서 오래 걸리나, 여러 디스크에 나눠 저장하면 병렬적으로 찾을 수 있어서 성능 개선 가능

RAID 0

• Block Striping O, Mirroring X
• 하지만 하나의 디스크의 블록에 에러가 나면 모든 0~3번의 디스크들이 쓸모없게 됨

RAID 1

• Block Striping X, Mirroring O
• Reliability는 올라가지만 디스크 공간을 2배 줄어들고 돈도 2배나 소모

RAID 2

• Bit Striping + Error Correcting Code
• 블록을 비트단위로 더 쪼개어 여러 디스크에 분배해서 저장하고 ECC를 다른 디스크에 생성
• 거의 쓰지 않는 방식, 오로지 Reliability에만 전념한 기술

RAID 3

• Bit Striping + Parity Code
• 블록을 비트단위로 더 쪼개어 여러 디스크에 분배해서 저장하고 Parity Code를 다른 디스크에 생성
• Parity Code를 써서 ECC를 쓴 RAID 2보다 Reliability는 적어도 공간은 덜 사용

RAID 4

• Block striping + Parity Code
• Bit Striping은 너무 세세하게 쪼개서 별로이므로, 차라리 Block Striping을 하자
• 각 블록들을 여러 디스크에 분배해서 저장하고 ECC를 다른 디스크에 생성
• A0, A9, A2, A7를 수정하면 마지막 4번 디스크를 3번 수정해야해서 성능 저하

RAID 5

• RAID 4 + Parity의 위치를 조정
• RAID 4의 Parity 블록은 혼자 오버헤드를 많이 받음
• Parity 블록을 분산시킴으로써 과부화를 분배

RAID 6

• RAID5 + Pairty Code를 Error Correcting Code와 섞음
• Parity Code만으로는 Reliability가 떨어지므로 ECC와 혼합

RAID 0+1

• RAID 0인 Striping을 먼저하고 RAID 1인 Mirroring을 함
• Striping을 통해 Performance를 챙기고 Mirroirng으로 Relability를 챙김
• 1번 디스크의 A5가 고장나면 0~3번 디스크 모두 쓸모없게 되는 문제 발생

RAID 10

• RAID 0+1의 순서를 바꿧기에 성능면에선 RAID 0+1와 유사하나 Reliability는 더 좋음
• 기존의 RAID 0+1은 4개의 디스크를 손상입지만,
  RAID 10은 2번 디스크의 A5가 고장나면 2번 디스크만 쓸모없어짐