[OS] 11.Mass-Storage Systems

Mass Storage Structure

Magnetic Disk : 현대 컴퓨터의 보조 저장장치를 제공 (HDD) - 드라이브는 초당 60에서 250회 회전

• Transfer rate : 드라이브와 컴퓨터 사이에 데이터가 흐르는 속도
• Positioning time (Random-access time) : Seek time + Rotation Latency
• Seek time : 원하는 실린더로 디스크 암을 이동시키는 시간
• Rotation time : 디스크 헤더 아래로 원하는 섹터가 위치하는데 걸리는 시간

드라이브는 I/O 버스를 통해 컴퓨터와 연결
컴퓨터의 Host Controller는 드라이브나 저장장치에 내장된 Disk Controller와 통신하기 위해 버스를 사용

 

Hard Disk 성능

• Access Latency = Average Access time = Average Seek Time + Average Latency (1/2 * latency(60/RPM))
• 가장 빠른 디스크 => 3ms + 2ms = 5ms
• 가장 느린 디스크 => 9ms + 5.56ms = 14.56ms
• Average I/O time = Average Access time + (amount to transfer / transfer rate) + controller overhead
• 7200 RPM 디스크 / Average Seek time : 5ms / 1Gb/s의 전송 속도 / 0.1ms의 컨트롤러 오버헤드
• 4KB 블록을 전송하는 경우의 Average I/O time 

=> 5ms + 4.17ms + 0.1ms + Transfer time (Transfer time = 4KB / 1Gb/s = 32 / (1024²) = 0.031ms) 

=> Average I/O time = 9.27ms + 0.031ms = 9.301ms

 

디스크 구조

• 디스크 드라이브는 Logical Block의 큰 1차원 배열로 저장됨 / Logical Block = 전송의 최소 단위
• Low-Level 포맷팅은 물리적 미디어에 Logical Block을 생성
• 논리적 블록의 1차원 배열은 디스크의 섹터에 순차적으로 매핑됨
• 섹터 0 : 가장 바깥 실린더의 첫 번째 트랙의 첫 번째 섹터
• 트랙을 따라서 매핑이 진행되고 다음으로 해당 실린더의 나머지 트랙, 그리고 안쪽의 실린더 순으로 매핑
• 논리 주소에서 물리 주소로의 변환은 간단
   - Bad Sector의 경우는 어려움 / 일정 각속도는 각 트랙당 섹터 수가 고정이 아님
   - 요즘은 일정 각속도 대신 Zone Bit Recording(ZBR)을 사용

Disk Attachment

• I/O 버스를 통한 I/O 포트를 통해 Host-attached 저장장치에 접근
• ATA(advanced technology attachment), SATA(serial ATA), eSATA, USB(Universal Serial Bus), FC(Fiber Channel) 등 여러 종류 버스 이용 가능
• NVM은 HDD보다 빠르므로 PCI 버스에 직접 연결된 NVM express (NVMe) 인터페이스 사용

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Disk Scheduling

OS는 하드웨어를 효율적으로 사용하는 것에 대한 책임이 있음
디스크 드라이브에 대하여, 이것은 빠른 접근 시간과 디스크 대역폭을 갖추는 것을 의미함
Seek time을 최소화

디스크 대역폭(bandwidth)

• 전송에 사용된 총 바이트 수를 서비스의 첫 요청과 마지막 전송이 완료될 때까지의 총 시간으로 나눔

디스크 I/O 요청은 입력 혹은 출력 모드, 디스크 주소, 메모리 주소, 전송할 섹터의 수를 포함

OS는 장치마다 요청 큐를 유지함

유휴 디스크는 I/O 요청을 즉시 처리할 수 있지만, 바쁜 디스크는 Waiting Queue를 요구함

최적화 알고리즘은 큐가 존재할 때만 의미가 있음

디스크 I/O 요청을 스케줄하기 위한 몇몇 알고리즘이 존재

 

FCFS Scheduling

총 640번의 헤드 이동

 

SSTF Scheduling

현재 헤드 위치에서 최소 Seek time을 갖는 요청을 선택하는 디스크 스케줄링 알고리즘

Shortest Job First(SJF)의 한 형태이며 몇몇 요청에 대해 Starvation이 발생할 수 있음

총 236번의 헤드 이동

 

SCAN Scheduling

디스크 암은 디스크의 한쪽 끝에서 시작하여 다른 쪽 끝으로 이동하며 요청을 처리

그 후 다시 반대 방향으로 헤드가 이동하면서 서비스를 계속 함

총 236번의 헤드 이동

SCAN Algorithm = Elevator Algorithm

요청이 균일하게 분포되어 있는 경우, 다른 쪽 디스크에 밀집도가 가장 높다면 해당 부분의 대기하는 요청들이 오랜 시간을 기다릴 수 있음
 => 해결 방법 : Look 방식 (SCAN과 비슷하지만 끝까지 가지 않고 14와 183에서 각각 턴을 함)

 

C-SCAN (Circular SCAN) Scheduling

SCAN보다 더 균일한 대기 시간을 제공

헤드는 디스크 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 이동하면서 요청을 처리하고 끝에 도달하면 즉시 돌아감

실린더를 원형 리스트로 취급하며 마지막 실린더에서 첫 번째 실린더로 감싸지는 방식

총 382번의 헤드 이
 => C-Look 방식도 존재

 

디스크 스케줄링 알고리즘 선택

• SSTF가 흔하고 자연스러움
• SCAN과 C-SCAN은 디스크에 부하를 주는 시스템에서 더 나은 성능을 보임 (Starvation이 적음)
• 성능은 요청의 수와 타입에 따라 달라짐
• 디스크 서비스를 위한 요청은 파일 할당 방법에 영향을 받을 수 있음
• 디스크 스케줄링 알고리즘은 OS의 별도 모듈에 작성되어 필요한 경우 다른 알고리즘으로 교체 가능해야 함
• Disk Rotation Latency는 OS가 계산하기 어려움

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Nonvolatile Memory Device (NVM)

비휘발성 메모리인 SSD(Solid State Disk)와 USB 드라이브
HDD보다 신뢰성이 높으며 탐색이나 지연시간이 없기 때문에 속도가 빠름
MB당 가격이 높고, 용량은 작으며, 수명이 짧아 용도가 제한적임
장점 : 더 작고, 빠름 / 에너지 효율적
표준 버스 인터페이스가 성능에 제한을 주므로 PCI와 같은 시스템 버스에 직접 연결할 수 있도록 설계함

 

NAND 반도체는 일부 특성 때문에 자체적인 저장 및 신뢰성 문제가 있음

• 페이지 단위로 읽고 쓰기는 가능하지만 데이터를 덮어 쓸 수 없음
• 삭제는 여러 페이지로 구성된 블록 단위로 이루어짐
• NAND 반도체는 삭제할 때마다 기능이 열화되므로 약 100000 프로그램 삭제 주기 후에 셀은 더 이상 데이터를 유지하지 않음
• 수명이 DWPD(Drive writes per day)로 정의됨

NAND 플래시 제어기 알고리즘

• 덮어쓸 수 없기 때문에 유효한 데이터와 유효하지 않은 데이터가 포함된 페이지가 존재
• 유효한 데이터를 포함하는 논리 블록을 추적하기 위해 컨트롤러는  플래시 변환 계층(Flash Translation Layer, FTL)을 유지함
• 유효하지 않는 가용 공간을 가비지 수집으로 처리함
• 쓰기 성능 향상을 위해 과잉 공급(over-provisioning) 기법을 사용함
• 과잉 공급 공간은 마모 평준화(wear leveling)에 도움이 됨
• 마모 평준화 : SSD 저장 장치의 수명을 늘리기 위한 기법

NVM 스케줄링

• NVM 장치는 간단한 FCFS 정책을 사용함
• Linux의 NOOP 스케줄러는 FCFS 정책을 사용하지만 인접한 요청을 병합하도록 수정함
• IOPS(Input/output Operations per Second) 측면에서 HDD보다 NVM이 훨씬 빠름
• NVM의 쓰기 성능은 장치가 얼마나 찼는지 얼마나 마모되었는지 따라 달라짐
• 응용 프로그램이 아니라 가비지 수집 및 공간 관리를 수행하는 NVM 장치에 의한 I/O 요청 생성을 쓰기 증폭(write amplication)이라고 하며 장치의 쓰기 성능에 영향을 줌

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Swap-Space Management

Swap-Space : 가상 메모리는 메인 메모리의 확장으로 디스크 공간을 사용 (메모리의 연장 느낌)

최근에는 메모리 용량의 증가로 흔하지는 않음

Swap-Space는 일반 파일 시스템 또는 더 흔히는 분리된 디스크 파티션에 있을 수 있음

 

Swap-Space 관리

• 커널은 Swap-space의 상태를 추적하기 위해 Swap Maps를 사용
• 몇몇 시스템은 여러 개의 Swap-space를 허용

 

 

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RAID

RAID : Redundant Array of Inexpensive (independent) Disks (비싸지 않은 디스크의 다중 배열)

여러 디스크 드라이브가 중복성을 통해 신뢰성을 제공

• Mean time to failure 증가
• Mean time to repair : 다른 고장으로 인하여 데이터 손실이 발생할 수 있는 노출 시간
• Mean time to data loss는 위의 두 요소의 영향을 받음
• 만약 Mirrored 디스크가 독립적으로 고장난 경우, Mean time to failure가 100,000시간이고 Mean time to repair가 10시간이면 Mean time to data loss = 100,000² / (2*10) = 500 * 10⁶시간 = 57,000년
• 쓰기 성능의 향상을 위해 자주 NVRAM과 결합
• 여러 개의 디스크가 협력하여 작동하는 디스크 사용 기술의 많은 개선 사항이 존재