[FP] 02. 화일 저장장치

기본 개념

저장 장치 : 저장 매체+매체에 데이터를 저장하고 검색하기 위한 장치

저장 매체 : 데이터를 저장하는 물리적 재료 (소멸성 vs 비소멸성)

접근 장치 : 데이터를 판독하거나 기록하는 장치

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저장 장치 (Storage device)

1차 저장 장치 (Primary storage) - 소멸성

• 메인 메모리 : 내용 접근 시간은 일정하고 빠르다. 프로그램/데이터를 처리하기 위한 작업 공간. 용량이 적다. DRAM(dynamic random access memory), 재충전(refresh)이 필요하다.
• 캐시 메모리 : 메인 메모리 성능 향상 목적, 가장 빠르고 비쌈. SRAM(static random access memory) : 데이터를 유지하기 위해 자주 재생(refresh)할 필요 없음

2차 저장 장치 (Secondary storage) - 비소멸성

• 자기 디스크(magnetic disk) : 데이터 저장 장치의 주 매체, 저장된 데이터는 메인 메모리를 거쳐 CPU가 처리
  내용 접근 시간 느림. 용량이 크고 싸서 화일 저장에 쓰임. 대용량, 비소멸성
• 플래시 메모리(flash memory) : 고밀도, 고성능 메모리 / 비소멸성 / 메인 메모리와 비슷한 접근 속도
  재기록시 한 블록 전체를 동시에 지우고 기록해야 함
• 광 디스크(optical dist) : 광학적으로 저장, 레이저로 판독, 용량이 크고 보존 기간이 김, DVD(4.5~15GB)
• 자기 테이프(magnetic tape) : 데이터의 백업과 보존을 위한 저장 매체, 순차 접근 저장 장치
  테이프 쥬크 박스 (대용량 데이터 저장 가능, TB 규모) - 단순히 저장 용도 (잘 안 씀)

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자기 디스크 (Magnetic Disk)

직접 접근 저장 장치(DASD; direct access storage device) 중에 가장 많이 씌는 장치 – 1955년 IBM 개발

종류 : 하드 디스크(금속/유리로 만들어진 디스크 원반에 자기 기록 물질로 코팅한 디스크) vs 플로피 디스크
분류 기준 : 기록 표면의 수 / 데이터 전송률 / 기록,판독 헤드 이동 시간 / 접근 방법 / 회전 지연 / 밀도

 

자기 디스크의 물리적 특성

• 디스크 팩 : 디스크 원반의 모음 (보통 6~20개) (직경 3.5인치, 10.5인치, 14인치 등 다양) (3600~7200rpm 회전 속도)
  각 면 당 수천~수만 개의 트랙. 맨 위/아래를 제외한 양면을 사용. (11개 디스크는 20면 사용)
• 디스크 구동기 : 제어기, 접근 암, 판독/기록 헤드, 팩 회전 장치 / 고정식, 탈착식 있음
• 디스크 제어기 : 원하는 데이터가 어느 구동기, 면, 주소에 있는지 판독 / 버퍼 관리 / 오류 발견, 수정 / 판독, 기록 관리

데이터 저장

• 트랙 : 아무런 자기화가 되지 않은 ‘갭’으로 분리된 ‘섹터’들로 구성
• 섹터 : 디스크에 기록, 판독 작업에 관한 최소의 단위 * 실린더 : 지름이 같은 모든 트랙
• 블록 : 디스크와 메인 메모리 사이에 전송되는 데이터의 논리적 단위 / 블록은 하나 이상의 섹터로 구성

유동 헤드 디스크

• 각 기록 면마다 판독, 기록 헤드가 있음
• 판독, 기록시 헤드가 원하는 트랙에 위치하도록 접근 암을 이동
• 전송 시간 : 데이터를 동일한 면보다는 동일한 실린더에 저장하는 것이 효율적

고정 헤드 디스크

• 기록 면의 각 트랙마다 하나의 판독, 기록 헤드가 있음
• 판독, 기록을 위해 헤드를 이동시킬 필요가 없음

윈체스터 디스크

• 기록면, 접근 장치, 판독/기록 헤드가 함께 밀봉
• 기록 밀도가 높음 (헤드가 디스크에 근접하기 때문)
• 우리가 아는 보편적인 하드 디스크는 윈체스터 디스크
• 용량 : 수~수십 GB / 회전 속도 : 5400~10000rpm / 전송률 5~50MB/sec

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플로피 디스크 (Floppy Disk)

유연한 원반으로 만든 디스크

• 3.5인치-80트랙-18섹터/트랙-512B/섹터-1.44MB
• 5.25인치-80트랙-15섹터/트랙-512B/섹터-1.2MB
• 회전속도 : 360rpm
• 수직축 기록 : 저장 용량을 늘리기 위한 신기술

표면과 수직 방향으로 자화시켜 각 자화점의 표면 폭을 축소시킴

밀도를 50배 이상 향상

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디스크 저장 장치의 특성

디스크 특성 요소

• 회전 속도
• 디스크 드라이브의 원반 수
• 기록면당 트랙 수
• 트랙당 섹터 수
• 섹터당 바이트 수

Giga 디스크 : 원반 수 8개(기록면 16개), 16384 트랙/기록면, 128섹터/트랙, 4096바이트/섹터

용량 -> 2^4 x 2^14 x 2^7 x 2^12 = 2^37 = 128GB 

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디스크 데이터 접근

메인 메모리에서만 연산 작업이 가능해서 디스크와 메인 메모리 사이의 데이터 블록 전송이 필요

블록은 하나 이상의 섹터로 구성

블록이 위치하는 트랙이 포함된 실린더에 헤드가 위치

-> 디스크가 회전하면서 블록이 포함된 섹터들을 헤드가 인식, 판독/기록

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블로킹의 고려 사항

• 적재 밀도 : 갱신을 위한 블록 내의 자유 공간 할당, 실제 데이터가 저장된 공간과 자유 공간을 포함한 총 공간과의 비율
• 균형 밀도 : 레코드 자체의 확장과 축소, 상당히 긴 기간 동안 시스템을 운용하고 안정시킨 뒤에 예상되는 저장 밀도
• 집약성 : 상호 연관된 레코드들의 물리적 근접성 / 같은 블록, 트랙, 실린더

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자기 테이프 (Magnetic Tape)

개방 릴 테이프(대형 컴퓨터용), 테이프 카트리지 (중소형 컴퓨터용)

산화 제2철이 입혀진 1.5/1000인치 정도의 얇은 테이프

길이 : 300~360ft (보통 2400ft)

폭 : 1/2인치(주로), 1/4인치

평행한 트랙들로 구성 (보통 7-트랙, 9-트랙)

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• 테이프 구동기 : 판독/기록 헤드 (판독/기록은 테이프의 자화 표면과 헤드의 자속 사이의 상호 작용)
• 데이터 표현 : 자화된 방향에 따라 0 또는 1의 값을 가진다.
• 기록 : 충전된 코일에 의해 자화
• 판독 : 자화가 코일에 전류를 유도하여 감지
• 기록 밀도 : 1인치당 비트수 (bpi : bits per inch)
  1바이트 : 한 컬럼에 수직으로 기록할 수 있는 비트로 이루어진 단위, 보통 8비트로 하나의 문자를 표현
  9트랙 테이프 : 8트랙에는 데이터, 1트랙에는 오류 제어 비트 (parity bit)
• Parity bit : 01010011을 전송하면 뒤에 하나의 비트를 더 만들어서 짝/홀을 정한다. 짝수로 하기로 했으면 뒤에 Parity bit를 붙여서 1의 개수를 짝수로 만든다. => 01010011[0]
• 블록 : 메모리와 테이프 사이의 데이터 입출력 단위 (보통 4000B~20000B) - 버퍼의 크기를 감안하여 결정
• 블로킹 : 블록을 1개 또는 여러 개의 논리적 레코드를 포함할 수 있는 적절한 크기로 설정하는 것
• 블록 간 갭 (IBG: inter block gap) : 테이프 이동 속도 조절, 가속 시간과 감속 시간 제공 / 없으면 문제 발생, 통상 0.3~0.75인치

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광 디스크

CD-ROM

• 미리 기록된 데이터를 읽기만 가능
• 레이저 빔으로 금속성 표면에 구멍(pit)을 만드는 방법이 보통
• EFM : 1바이트(8비트)를 14개의 채널 비트로 변환하여 저장 (연속된 1을 표현할 수 없기 때문에 1을 이웃하지 않게)
• 중심에서 바깥까지 약 3마일의 단일 나선형 트랙으로 구성
• 위치에 관계없이 저장 밀도 일정
• 중심에서 바깥으로 순차 판독
• 균일 선형 속도(CLV) 방식 (섹터가 모두 같은 시간 내에 판독)
• 안쪽 섹터와 바깥쪽 섹터의 회전 속도가 다름
• 실제 순차 판독 시간 : 77분 / 저장 용량은 보통 650MB
• (균일 각속도(CAV)(자기 디스크) : 안쪽과 바깥쪽 섹터의 회전 속도 같음) 
• 섹터 : 2352B / 초당 75개의 섹터 판독(150KB/sec)
• 주소 표현 방식 : 시작부터 해당 섹터까지의 경과 시간 <분:초:섹터번호>
• 장점 : 가격이 저렴, 대용량(650MB), 대량 생산 가능, 보존성이 좋음
• 단점 : 자기 디스크보다 탐구 시간이 김 (회전 속도 가변), 임의 접근이 신속하지 못함, 판독 전용이다. 

CD-WO (write once) : WORM(Write Once Read Many)의 CD 버전 / 한 번만 기록, 판정은 무한정 가능

CD-MO (magneto optic) : 광자기 디스크(MOD)의 CD 버전 / 소거 가능한 광 디스크, 백업 장치로 유망

CD-RW : 읽고 쓸 수 있으나 지우려면 한 번에 지워야 함

 

DVD (digital video disk)

• 양면 사용, 밀도와 저장 방식 개선
• CD의 7배 이상(4.7~17GB)
• 영화나 비디오 저장 매체로 개발
• 컴퓨터 저장 매체로 이용

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RAID

Redundant Arrays of Inexpensive Disks

디스크의 성능과 신뢰성을 증진시키는 디스크 조직 기법 (데이터의 복구, 데이터 접근의 효율성을 증진시키기 위해 등장)

많은 수의 저가 소형 디스크를 이용 (고도의 신뢰성 / 고속의 데이터 전송 / 대용량의 데이터 전송)

많은 수의 디스크를 병렬로 작동 (데이터의 판독, 기록 속도 개선)

다중 디스크에 정보를 중복으로 저장 (신뢰성 증가 = 고장이 잘 안 난다)

대용량 (여러 개의 디스크를 논리적으로는 하나의 디스크로 생각)

 

디스크 신뢰성

• MTTF (mean time to failure) : 디스크의 장애간 평균 시간
• 단일 디스크 : 100,000시간 / 100개의 디스크로 구성된 디스크 어레이는 100,000/100 = 1000시간 만에 고장이 발생
• Mirroring 기법(디스크 중복) : 신뢰성 문제를 해결. 미러링된 디스크의 MTTF는 개별 디스크의 MTTF와 MTTR에 의존
• MTTR (mean time to repair) : 디스크 교체와 복구 시간
• 데이터 손실간 평균 시간 : 단일 디스크 MTTF : 100,000시간 / MTTR : 10시간 / 

디스크 병렬성

• Data Striping을 통해 전송률을 개선
• 데이터를 같은 크기로 분할하여 여러 디스크에 차례로 분산 저장
• 비트 레벨 스트라이핑 : 각 바이트의 비트를 여러 디스크에 분할 저장
  4개의 디스크로 구성된 디스크 어레이 -> 각 바이트의 비트 i를 디스크 (i mod 4)+1에 기록 / 블록이 4배 크고 속도가 4배 빠름
• 블록 레벨 스트라이핑 : 화일의 블록들을 여러 디스크에 차례로 분산 저장
  d 디스크 어레이 -> 화일의 블록 i를 디스크 (i mod d)+1에 저장, d개의 블록을 병렬로 판독 -> d배의 전송률 제공
• 비트와 블록 레벨은 모두 저장 속도는 같지만 읽는 속도는 다르다.
• 읽기는 블록 단위로 읽기 때문에 블록 단위로 읽는 것이 더 빠르다.

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RAID 레벨 0

• 데이터 손실이 중요하지 않은 고성능 응용에서 사용

RAID 레벨 1

• 디스크 고장 시 데이터 재구성이 용이
• 최고의 기록 성능 제공
• 데이터베이스의 로그 화일 저장에 이용
• 높은 오버헤드 때문에 레벨 3이나 5를 선호

RAID 레벨 2, 4 : 레벨 3과 5에 포함

RAID 레벨 3, 5

• 레벨3 : 고도의 데이터 전송이 필요할 때
• 레벨5 : 대부분의 데이터베이스 시스템에서와 같이 임의 판독이 중요할 때

RAID 레벨 6

• 고도의 신뢰성이 요구되는 환경

RAID를 조합해서 쓸 수도 있다. [레벨 0 + 레벨 1 => 4개의 Disk에 쓰면서 다른 4개의 Disk에 Mirroring]