강민철님의 "혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제"을 기반으로 학습한 게시물입니다.
📕 목차

1. 다양한 보조기억장치
2. RAID(Redundant Array of Independent Disks)

1.  다양한 보조기억장치

 

📌 하드 디스크(HDD; Hard Disk Driver)

https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=twin0202&logNo=50155784252

  • 자기적인 방식으로 데이터를 저장하는 장치 → 자기 디스크(magnetic disk)라고도 부른다.
  • 플래터(Platter)
    • 실질적으로 데이터가 저장되는 곳
    • 자기 물질로 덮여 있어 수많은 N극과 S극(0과 1)을 저장한다.
    • CD나 LP와 비슷하지만 더 많은 양의 데이터를 저장하기 위해 일반적으로 여러 겹의 플래터로 이루어져 있고, 양면을 모두 사용할 수 있다.
  • 스핀들(Spindle)
    • 플래터를 회전시키는 구성 요소
    • RPM(Revolution Per Minute) : 스핀들이 플래터를 돌리는 분달 회전수
    • 플래터가 돌아가면서 헤드가 읽는 물리적 방식이라서 전자식 보다는 느리고, 파일 연속 작업시 속도가 점점 감소한다.
  • 헤드(Head)
    • 플래터를 대상으로 데이터를 읽고 쓰는 구성 요소
    • 플래터 위에서 미세하게 떠 있는 채로 데이터를 읽고 쓴다.
    • 양면 플래터 사용 시에는 플래터당 두 개의 헤드가 사용된다.
  • 액츄에이터 암(Actuator arm)
    • 디스크 암이라고도 하며, 제어신호를 받아 헤드를 원하는 위치로 이동시킨다.
    • 일반적으로 모든 헤드는 액츄에이터에 부착되어 다같이 이동한다.

 

🟡 플래터는 트랙(track)과 섹터(sector) 단위로 데이터를 저장한다.

  • 트랙(Track)
    • 플래터를 여러 동심원으로 나누었을 때, 그중 하나의 원을 뜻한다.
  • 섹터(Sector)
    • 트랙을 여러 조각으로 나누었을 때, 그중 한 조각을 뜻한다.
    • HDD의 최소 전송 단위 (약 512 Byte지만 4,096 Byte에 이르는 경우도 있다.)
  • 실린더(Cylinder)
    • 여러 겹의 플래터 상에서 같은 트랙이 위치한 곳을 모아 연결한 논리적 단위
    • 연속된 정보는 보통 한 실린더에 기록된다. (액츄에이터를 움직이지 않고 바로 데이터 접근 가능)
  • 클러스터(Cluster)
    • 섹터의 그룹이며 도스에 의해 인식되는 최소 기억 단위
    • 작게는 16개부터 많게는 128개 이상의 섹터를 하나의 Cluster로 사용한다.
    • 보통은 클러스터의 2^(n)개의 섹터를 가지고 있다.

 

🟡 하드 디스크가 저장된 데이터에 접근하는 시간

https://gusdnd852.tistory.com/86

  1. 탐색 시간(Seek Time)
    • 접근하려는 데이터가 저장된 track까지 head를 이동시키는 시간
    • 데이터 지역성이 높으면 head의 이동 거리가 짧아져 평균 탐색 시간이 크게 줄어든다.
    • 디스크 부품을 더 작고 가볍게 만들 수록 개선할 수 있지만, 용량이 작어진다. (trade-off)
  2. 회전 지연 시간(Rotational Latency)
    • head가 있는 곳으로 platter를 회전시키는 시간
  3. 전송 지연 시간(Transfer Time)
    • HDD와 PC 간에 데이터를 전송하는 시간

 

🤔 프로그래머가 꼭 알아야 할 컴퓨터 시간들

연산명 시간
L1 캐시 참조 0.5ns
분기 예측 오류(branch mispredict) 5ns
L2 캐시 참조 7ns
뮤텍스(mutex) 락/언락 100ns
주 메모리 참조 100ns
Zippy로 1 KB 압축 10,000ns = 10us
1 Gbps 네트워크로 2 KB 전송 20,000ns = 10us
메모리에서 1 MB 순차적으로 read 250,000ns = 250us
같은 데이터 센터 내에서 메시지 왕복 지연시간 500,000ns = 500us
디스크 탐색(seek) 10,000,000ns = 10ms
네트워크에서 1 MB 순차적으로 read 10,000,000ns = 10ms
디스크에서 1 MB 순차적으로 read 30,000,000ns = 30ms
한 패킷의 CA(캘리포니아)로부터 네덜란드까지의 왕복 지연 시간 150,000,000ns = 150ms

https://donghyeon.dev/%EC%9D%B8%ED%94%84%EB%9D%BC/2022/03/04/%EB%8C%80%EA%B7%9C%EB%AA%A8-%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C%EC%97%90%EC%84%9C-%EA%B0%9C%EB%9E%B5%EC%A0%81%EC%9D%B8-%EA%B7%9C%EB%AA%A8-%EC%B6%94%EC%A0%95/

구글의 전설적인 프로그래머 제프 딘(Jeff Dean)은 2011년에 일반적인 컴퓨터 구조에서 응답지연 값을 공개했었다.

물론 최근에는 기술이 많이 발전되어 몇 가지는 유효하지 않지만, 여전히 이 수치들은 컴퓨터 연산 처리 속도를 짐작할 수 있도록 도와준다.

 

🟡 고정 헤드 디스크와 이동 헤드 디스크

https://arainablog.tistory.com/324

  • 고정 헤드 디스크(fixed-head disk) = 다중 헤드 디스크(multiple-head disk)
    • head가 track별로 여러 개 달려 있다.
    • 탐색 시간이 들지 않는다. (탐색 시간 = 0)
  • 이동 헤드 디스크(movable-head disk) = 단일 헤드 디스크(single-head disk)
    • Platter의 한 면당 head가 하나씩 달려있다.

 

 

📌 플래시 메모리(Flash Memory)
  • USB, SD 카드, SSD가 모두 플래시 메모리 기반 보조 기억 장치에 해당한다.
  • ROM이나 일상적으로 접하는 거의 모든 전자 제품 안에 내장되어 있다고 봐도 무방하다.
  • 작고 가볍고, 전력을 적게 쓰고, 충격에 강하다.
  • 많은 용량을 담을 수는 없으며, 데이터를 영구 보존할 수 없다.
  • 크게 NAND 플래스 메모리와 NOR 플래시 메모리가 있다.
    • 연산을 수행하는 기반 회로에 따라 결정된다.
    • 대용량 저장 장치로 많이 사용되는 플래시 메모리는 보통 NAND 플래시 메모리다.

 

🟡 셀(Cell)

https://news.skhynix.co.kr/post/data-in-nand-flash-memory

  • 플래시 메모리에서 데이터를 저장하는 가장 작은 단위
  • 하나의 셀에 몇 bit 저장 가능한지에 따라 플래시 메모리 종류(SLC, MLC, TLC, QLC)가 나뉜다.
  • 셀은 플래시 메모리 수명, 속도, 가격에 큰 영향을 미친다.

 

1️⃣ SLC(Single Level Cell) 타입

  • Physical bit density : 12GB
  • Write 동작 비율(SLC 대비) : 1
  • Read 횟수 (per 1bit) : 1회
  • 가장 빠르고, 읽고 쓰는 횟수가 비교적 적어 수명도 가장 적지만 용량이 적고 가격이 비싸다.
✒️ 집적도(density) : 동일한 면적에 반도체 칩이 얼마나 많은 논리 소자로 구성되어 있는지를 나타내는 척도

 

2️⃣ MLC(Multiple Level Cell) 타입

  • Physical bit density : 6GB
  • Write 동작 비율(SLC 대비) : > 1.5
  • Read 횟수 (per 1bit) : 1.5회
  • SLC보다 대용화하기 유리하고 저렴하지만, Write time, Read time, 신뢰성 같은 성능 품질이 하락한다.

 

3️⃣ TLC(Triple Level Cell) 타입

  • Physical bit density : 4GB
  • Write 동작 비율(SLC 대비) : >> 2.33
  • Read 횟수 (per 1bit) : 2.33회

 

🟡 셀보다 더 큰 단위들

https://technicalmasterblog.wordpress.com/2019/03/19/how-is-nand-flash-memory-array-organized/

  • Cell → Page → Block → Plane → Die
    1. 페이지(Page) : Cell이 모여서 만들어진 단위 (읽기/쓰기 단위)
      • Free : 어떠한 데이터도 저장하고 있지 않아서 새로운 데이터를 저장할 수 있는 상태
      • Valid : 이미 유효한 데이터를 저장하고 있는 상태 (새 데이터 저장 불가)
      • Invalid : 쓰레기 값처럼 유효하지 않은 데이터를 저장하는 상태
    2. 블록(Block) : Page가 모여 만들어진 단위 (삭제 단위)
    3. 플레인(Plane) : Block이 모여 만들어진 단위
    4. 다이(Die) : Plane이 모여 만들어진 단위
✒️ 플래시 메모리는 HDD와 달리 덮어쓰기가 불가능하다

 

🟡 플래시 메모리 동작 원리

 

FTL Design based on Log Blocks

FTL(Flash Translation Layer)은 RAM공간에 저장되는 Mapping Table Size를 줄이기 위해 Log Block을 사용하는 Hybrid Mapping방법이 고안되었고, 이 Log Block의 활용방법에 따라 여러 Scheme들이 제안되었다. Log Blocks Hybr

ji007.tistory.com

https://velog.io/@khs0415p/13-%EB%B3%B4%EC%A1%B0-%EA%B8%B0%EC%96%B5%EC%9E%A5%EC%B9%98

  1. X블록에 읽기/쓰기 단위인 Page에 C라는 값을 저장한다.
  2. A를 A' 수정하고 싶으면 A를 Invalid 처리하고 A'을 Free 상태의 Page에 저장한다. 
  3. 가비지 컬렉션(garbage collection) 기능으로 유효한 Page만을 새로운 블록으로 옮긴다.
  4. 삭제 단위인 X블록의 데이터를 지워버린다.

 

2. RAID(Redundant Array of Independent Disks)

 

📌 RAID의 정의
 

Raid 데이터 복구 튜토리얼 : Raid 5/0/1/6/1로부터 데이터를 복구하는 법

Raid 데이터 복구는 누군가에겐 쉽겠지만 일반인들에게는 매우 어렵습니다. 여기서는 Raid 5/0/1/6/1로부터 파일을 복구하는 법에 관한 완전한 길라잡이를 설명드리겠습니다. 꼼꼼히 읽어보세요.

4ddig.tenorshare.com

  • 저렴한 Disk를 하나로 모아 고성능 Disk처럼 사용하려는 취지에서 시작됐다.
    • 이론 상 4TB HDD 하나에 저장하는 것보다 1TB HDD 4개에 저장하는 것이 4배가량 빠르다.
    • 데이터를 동시에 읽고 쓸 수 있기 때문이다.
  • IT 기업에서 매일같이 쏟아지는 수십, 수백 TB 데이터를 관리하고, 절대 잃어버려서 안 될 민감한 정보들을 복구하기도 용이하다.
  • 데이터 안정성 혹은 높은 성능을 위해 여러 개의 물리적 보조 기억 장치를 하나의 논리적 보조 기억 장치처럼 사용하는 기술이다.
  • 여러 개의 HDD와 SSD를 사용하여 고성능 혹은 고가용성을 위한 개념이다.

 

📌 RAID의 종류
  • RAID 레벨 : RAID 구성 방법

 

 

RAID 종류 및 특징

RAID Redundant Array Inexpensive Disk 혹은 Redundant Array Independent Disk 의 약자 처음 개념이 등장할 때는 여러개의 저렴한 디스크를 하나로 모아 고성능의 디스크처럼 사용하자는 생각에서 출발. 현재는 꼭

dev-mystory.tistory.com

아래 사진은 모두 해당 블로그에서 가져왔습니다! 근데 정리 잘 되어 있어서 참고용으로 게시.

 

1️⃣ RAID0

  • 여러 개의 보조 기억 장치에 데이터를 단순히 나누어 저장하는 구성 방식
  • 스트라입(Stripe) : 분산되어 저장된 데이터, 분산하여 저장하는 것은 Striping이라 한다.
  • 오류 검출 기능이 없기 때문에 하나의 Disk에 문제가 생기면 전체에 문제가 생긴다.
  • 안정성보다는 고성능을 위해 사용된다.

 

2️⃣ RAID1

  • 복사본을 만드는 방식이며, 미러링(mirroring)이라고도 부른다.
  • RAID0에서 속도를 절반 가량 희생하여 안정성을 높인 방법이다.
  • 복구가 간단하지만, 사용 가능한 용량이 적어진다.

 

3️⃣ RAID4

  • 완전한 복사본을 만드는 대신 오류를 검출하고 복구하기 위한 정보인 패리티 비트(parity bit) 저장한다.
  • RAID0 보다 안정성을 높이고, RAID1 보다 성능을 높였다.
  • Parity 전용 disk에 부하가 걸릴 경우 전체 성능이 저하되며, 읽기 보다는 쓰기에서 성능 저하가 크다.
    • disk에 쓸 때는 parity bit를 연산하여 기록해야 하지만, 읽을 때는 데이터만 있으면 되기 때문이다.
  • 새로운 데이터가 저장될 때마다 parity를 저장하는 disk에도 접근하게 되어 병목 현상이 발생한다.

 

✒️ Parity

원래 parity bit는 오류 검출만 가능하고 복구는 불가능하지만 RAID에서는 가능하다.
예를 들어, BLOCK A-PARITY에는 BLOCK A1~3번 데이터 실제값을 확인하여 1이 홀수갠지 짝수갠지를 기억한다.
만약 Disk 1이 손상되어 BLOCK A2가 사라져도 parity bit를 역산하여 기존 데이터를 복구할 수 있다(고 한다..)

하여튼 RAID4에서는 Parity 정보를 저장한 장치로써 나머지 장치들의 오류를 검출 및 복구한다.

 

4️⃣ RAID5

  • parity를 저장하는 별도의 Disk를 두지 않고 parity bit를 분산하여 저장한다. (병목 현상 해소)
  • 구현을 위해 3개 이상의 Disk가 필요하지만, 성능상 이유로 적어도 5개의 Disk를 사용하는 걸 권장한다.
  • Disk에 장애가 발생 시 RAID5 Array를 재구성하는데 오랜 시간이 걸릴 수 있다.
  • 동시에 2개의 Disk가 손상되면 전체 Disk 데이터를 복구할 수 없게 된다.

 

5️⃣ RAID6

  • RAID5보다 보수적으로 parity bit를 분산하여 disk 당 2개씩 저장한다.
  • RAID5에서 속도를 다소 희생하고 안전성을 높인 방식이다.

 

이외에도 여러 RAID가 있고, RAID를 혼합한 Nested RAID도 존재한다.

 

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