Mass-Storage-Structure

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Mass Storage

• 영구적으로 파일과 데이터들을 관리하기 위해서는 mass storage 가 필요하다.
• Hard disk / nonvolatile memory devices

여러 측면 존재

• Sequential access vs Random access
• Synchronous transfer vs Asynchronous transfer
• Dedicated vs Shared
• Read-only vs Read-write

OS 의 주 목적

1. Mass storage 에 대해 가장 간단한 인터페이스 제공
2. 최대 동시성에 대해 I/O 최적화

Hard Disk Drive

Transclude of Hard-Disk-Drive

Nonvolatile Memory Devices

• Read-only memory(ROM) : 생산될 때 프로그램이 작성된다.
• Programmable ROM(PROM) : 한번 프로그램이 작성될 수 있다.
• Erasable PROM(EPROM) : 지워질 수 있다.
• Electrically erasable PROM (EEPROM) : 전자기적 삭제 가능성
• Flash memory : EEPROM 이다. block 단위로 삭제 가능
• Flash memory-based NVM
  • Solid-state disks(SSDs)
  • USB drives
  • 회로에 박혀있는 memory
• 장점
  • 전기적 NVM 들은 HDD 보다 더 안전하고 빠르다. HDD 는 외부 충격에 고장나기 쉽기 때문.
  • 움직이지 않아도 되기 때문에 seek time, rotational latency 가 발생하지 않는다.
• 단점
  • NVM 들은 더 비싸고 더 적은 용량을 갖는다.
  • 더 짧은 수명을 갖는다.
  • 전기적 성질로 인해 삭제 가능한 정도가 제한되어 있다.

NAND Flash Controller

• HDD 의 sector 와 같이 Page 조각 block 단위로 읽히고 씌여진다.
• 이 block 단위가 최소단위가 되고 block 내부 중간만 수정할 수 없다.
• NAND Flash Controller
  • Flash Translation Layer(FTL) table 을 유지한다.
    • Logical block 들이 유효한지 추적하기 위해
  • Garbage collection 을 구현
    • invalid page space 를 할당 해제하기 위해
    • valid 얼마 안남은 경우 전부 옮기고 block clear, invalid
  • Overpositioning 을 할당한다.
    • GC 에 대한 작업 공간을 제공하기 위해
  • Wear leveling(닮은 정도) 를 제공한다.
    • 수명이 있기 때문에 닮은 정도를 제공해 골고루 사용할 수 있도록 한다.

HDD Scheduling

• OS 는 하드웨어를 효율적으로 사용하려 한다.
  • 효율적? fast access time, disk bandwidth
  • Disk bandwidth : 전송되는 byte 의 총량. 첫 요청과 전송 완료까지의 총 시간으로 나누어진다.
• 목적
  • Minimize seek time
    • Seek time 과 Seek distance 는 서로 비슷하기 때문에 거리를 줄이자!
• 드라이브에 I/O 필요하면 OS 에 system call 을 호출시킨다.
  • I/O 요청이 포함하는 것
    • input 인지 output 인지
    • 전송을 위한 메모리 주소
    • 전송 데이터의 크기
  • Idle(안 바쁜 상태) : 즉시 처리
  • 바쁘면 queue 에 저장
• 과거에는 OS 가 queue, 디스크 head 이동을 다뤄야 했지만 현재는 Storage 가 전담
  • Logical block address 만 제공한다.
  • Drive controller 가 queue 를 다룰 수 있다.

FCFS Scheduling

• First-come, first-served : 큐에 들어온 순서대로 처리한다.
• 빠르진 않다.

SCAN Algorithm

• 종종 elevator algorithm 이라 불린다.
• 위/아래 한쪽으로 쭉 이동하고 다음 쪽으로 이동한다.
• FCFS 보다는 적은 이동거리를 갖는다.

C-SCAN Scheduling

• Circular SCAN 이다.
• 한쪽 끝에 도달하면 내려가는 것이 아니라 계속해서 올라간다.
• seek time 이 좀 더 평등하게 평균적으로 위치하도록 만든다.

Error Detection and Correction

• Error Dectection : 문제가 발생했는지 안 했는지 탐색하는 것
  • ex) bit flipping(하나의 bit(데이터) 가 바뀌는 것)
• Parity Bit : 에러 탐지를 위해 하나의 추가 정보를 제공하는 것 (더했을 때 홀, 짝)
  • 2 개 변경되면 변하지 않기 때문에 한계가 있다.
• Error-Correction Code (ECC) : 탐지할 뿐만 아니라 정정한다.
  • 정정 되면 soft error
  • 정정 안되면 hard error

Storage Device Management

• Low-level formatting / Physical formatting : 디스크를 disk controller 가 읽거나 쓸 수 있는 sector(구역) 으로 나눈다.
  • 각 sector 는 header information, plus data, ECC 를 갖을 수 있다.
  • 주로 512 bytes
• Logical formatting (making a file system)
  • Partition : 디스크를 하나, 혹은 그 이상의 실린더로 나누는 것
  • 파티션 각각을 logical disk 로 취급한다.
  • 대부분 파일 시스템 block 들 → cluster 들로 묶인다. (효율 증가)
• Root partition → OS 포함. boot time 에 mount 된다.
• Mount : 운영체제와 해당 사용자가 파일 시스템에 접근할 수 있도록 하는 과
• Mount 될 때, 파일 시스템은 메타데이터를 확인한다.
  • 올바르지 않으면? → 고치고 다시
  • 올바르면 접근 허용
• Initial bootstrap 은 NVM flash memory firmware 에 저장되어 있다.
• Full bootstrap program 은 boot partition 의 boot block 에 저장되어 있다.
• Booting Process

1. 컴퓨터 전원 on
2. mother board 위에 있는 BIOS Firmware 가 시작 테스트하고 실행
3. 디스크 특정위치의 Master Block Record 를 읽어 boot partition 을 찾는다.
4. Boot loader 가 boot partition 읽어 load
5. kernel 을 메모리에 Load, kernel 초기화 및 설정

Swap-Space Management

• DRAM 이 모든 프로세스를 다루기에 충분히 크지 않기 때문에 swapping, paging 사용
• OS 는 이를 다루기 위해 swap space management 를 제공
• Swap space 를 파일 시스템 내부에 둘 수도 있으나 별도 partition 사용이 일반적
  • Secondary storage 느리기에 성능 최적화 중요
  • 일반 파일보다 훨씬 짧은 시간만 존재하고 자주 참조됨
  • 따라서, blcok 크기, 저장 방식이 일반 파일 시스템과 다르다.

Storage Attachment

저장소 접근 방식

1. local I/O 포트를 통해서 호스트 연결방식
2. Remote procedure call 통해 네트워크 연결방식
3. 클라우드 사용

RAID

• RAID : Redundant Array of Inexpensive(Independent) Disks
• Redundancy : 중복성 ⇒ 여러 개의 디스크를 묶어서 사용한다.
• Multiple Disk 인 경우 분리되어 있어 각각 직접 접근해줘야 한다.
• RAID 의 경우 물리적으로는 분리되어 있으므로 평행하게 접근 가능하다.
• 처리 속도 향상
  • Block 의 내용을 분산 저장 가능
  • 병렬적 읽기 가능
• 신뢰성 향상
  • 동일 정보를 여러 디스크에 중복 저장 가능
  • 하나의 디스크 고장 시 다른 디스크에서 읽을 수 있음

• Mean Time Between Failures(MTBF) : 문제가 생겨 사용 불가한 평균시간
• Mean Time to Repair
• Mean Time to Data Loss
• 가장 간단하지만 비싼 접근 : 매일 drive 복사하는 것
• RAID scheme

  • RAID 0 (non-redundant striping) - 같은 내용 백업되어 있지 않다.

  • RAID 1 (mirroring or shadowing) - 복구 가능하도록 data copy

  • RAID 0+1 (mirrored stripes) - stripe 된 후 mirror

  • RAID 1+0 (striped mirrors) - mirror 된 후 stripe

    • 성능 증가, 신뢰도 증가

    

  • RAID 4, 5, 6 (block interleaved parity)

    • Parity disk 를 하나를 둔다. ---⇒
      • mirroring 할 때 2 배의 디스크를 사용해야 하지만 parity disk 하나에 저장해 중복도를 줄인다.
      • parity disk 가 타격을 입으면 파일 복구가 불가능하다.
    • RAID 5 → parity 를 분산시켜 놓는다.
    • redundancy 를 더 적게 사용한다. 참 : https://www.prepressure.com/library/technology/raid