[Computer Structure] 외부 기억장치

October 22, 2021

외부 기억장치

외부 기억장치

자기 디스크

디스크란?

자성물질로 코딩된 비자성 물질로 만드어진 원형 평판이다.

자기적 읽기 및 쓰기 메커니즘

데이터는 헤드라고 불리는 전도성 코일을 통하여 디스크에 기록되고 검색된다.
쓰기 메커니즘
- 코일에 전기가 흐르면 자기장이 발생한다는 사실을 이용한다.
읽기 메커니즘
- 자기장 내에서 코일이 이동하면, 코일에 전류가 발생한다는 사실을 이용한다.

데이터 조직과 형식화

트랙 (track)
- 트랙의 폭 = 헤드의 폭
섹터 (sector)
- 디스크로 들어오거나 나가는 데이터의 전송단위
- 대부분 고정-길이 섹터를 사용한다.
  - 512B
갭 (gap)
- 인접한 트랙을 분리하는 역할을 한다.
- 인접한 섹터를 분리하는 역할을 한다.
- 헤드가 잘못 정렬되거나 자기장의 간섭으로 인하여 발생하는 오류를 방지하거나 최소화한다.

정면 시각화
측면 시각화

디스크 배치 방식

디스크에 데이터를 배치하는 방식에는 두가지가 존재한다.
- 등각속도
- 다중 영역 기록

하나씩 알아보자.

등각속도

등각속도란, “디스크 중심부에 가까이 위치한 비트”와 “바깥쪽 비트”들의 이동속도 차이를 보완하기 위해서, 바깥쪽으로 갈수록 저장된 정보의 비트들 간격을 증가시킨다.
각 데이터 블록들이 트랙과 섹터에 의해, 직접 주소가 지정된다.
디스크 저장 용량이 가장 안쪽 트랙에서 얻을 수 있는 최대 기록 밀도에 의해 제한된다.
- 바깥쪽에 더 많은 비트를 저장할 수 있지만, ‘바깥쪽 비트수 = 안쪽 비트수’라서 바깥쪽 용량을 낭비하게 된다.
시각화

등선속도는 포스팅 하단에서 다룬다.

다중 영역 기록

트랙마다 거의 같은 비트 밀도를 갖는다.
중심부로부터 멀리 떨어진 영역일수록 더 많은 비트들을 저장할 수 있다.
동작 회로가 복잡해지나 저장 용량을 늘릴 수 있다.

시각화

트랙 내에서 섹터의 위치 찾기

섹터 주요 구성요소
- ID 필드
  - 특정 섹터를 지정하기 위해서 사용되는 식별자이다.
- SYNCH 바이트
  - 필드의 시작점을 구별하는 특수한 비트 패턴

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디스크 성능 파라미터

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탐색 시간
- 디스크 팔을 트랙으로 이동시키는데 걸리는 시간
회전 지연
- 섹터가 헤드에 도달할 때까지 걸리는 시간
전송 시간
- 데이터 전송을 위해 걸리는 시간

RAID

RAID란?

RAID 개발 배경
- “프로세서”와 “디스크 드라이브” 사이의 속도 차이를 줄이기 위해서 제안되었다.
RAID란?
- RAID란 독립적으로 병렬 동작하는 디스크 배열이다.
- 여러 개의 디스크들이 있어서, 원하는 데이터가 서로 다른 디스크 상에 존재하는 경우에는 병렬로 처리가 가능하게 된다.
- 액세스될 데이터가 여러 개의 디스크들에 분산되어 있으면 하나의 입출력 요구가 병렬로 수행될 수 있다.
RAID 신뢰도 문제
- 장치의 개수가 많아질수록, 장애 가능성이 높아진다.
- 따라서, 신뢰도 향상을 위해 여분의 디스크들을 활용한다.
RAID 형태

RAID의 특성

RAID는 운영체제에 의해 “하나의 논리적 드라이브로 보여지는 물리적 디스크 드라이브들의 집합”이다.
- 즉, 독립적으로 병렬 동작하는 디스크 배열이다.
스트라이핑 (striping)
- 데이터가 “배열을 이루고 있는 물리적인 디스크 드라이브들”에 저장되는 방법
스트립 (strip)
- “배열을 이루고 있는 물리적인 디스크 드라이브들”에 저장된 데이터
여분의 디스크 용량
- 디스크 오류 발생시, 데이터 복구를 하기 위한 패리티 정보를 저장하는 공간
- 패리티 정보
  - 오류정정코드

용도에 따른 RAID 종류

RAID의 종류는 다양하다.

자세한 것은 아래에서 다룬다.
높은 전송율을 요구하는 상황
- 작은 크기의 스트립을 갖는 RAID를 사용해야 한다.
- 작은 크기의 스트립들은 전송율이 빠르다.
I/O 접근 횟수가 많은 상황
- 큰 크기의 스트립을 갖는 RAID를 사용해야 한다.
- 큰 크기의 데이터를 한번에 전송하여, 접근 횟수를 최소화한다.

RAID 종류: RAID 0

여분의 디스크가 존재하지 않는다.
- 즉, 에러복구를 위한 디스크가 없다.
데이터가 사용 가능한 모든 디스크들에 나누어 저장된다.
- 하나의 논리적인 디스크 상에 저장되어 있는 것처럼 보인다.
- 스트립 = 물리적 블록, 섹터 등
- 스트립은 배열 내에 연속적으로 배치된 디스크들에 대해 라운드-로빈 방식으로 저장된다.
장단점
- 속도 향상
- 에러가 발생해도 복구 불가능

형태

RAID 종류: RAID 1

모든 데이터들을 여분의 디스크에 그대로 복사하여 저장한다.
- 이것을 Mirrored Disks 라고 한다.
데이터는 모든 디스크에 스트라이핑된다.
특징
- 읽기 요구는 두 개의 디스크 중에서 “속도가 빠른 쪽에서 제공”한다.
  - 원본 디스크, 여분 디스크 중 빠른 쪽에서 제공
- 쓰기 요구는 두 개의 스트립을 모두 갱신해야 한다. (병렬 수행)
  - 원본 디스크, 여분 디스크 모두 갱신해야 한다.
- 오류에 대한 복구가 간단하다.
  - 원본 데이터 그대로 백업했으므로
- 비용이 높다.
주로 시스템 소프트웨어 및 중요한 파일을 저장하는 드라이브로만 사용된다.

형태

RAID 종류: RAID 2

RAID 2와 RAID 3의 공통사항
- 병렬 액세스 기법을 사용한다.
  - 병렬 액세스 기법: 하나의 I/O 요구에 모든 디스크들이 동시에 참여한다.
- 아주 작은 크기의 스트립을 사용한다.
  - 바이트, 워드 크기
  - 따라서, 전송율이 중요한 상황에서 유용하다.
RAID 2와 RAID 3의 차이점
- 여분의 디스크 수는 데이터 디스크 수의 로그값에 비례한다.
구성요소
- Working 디스크
  - 실제 데이터가 저장되어 있는 디스크
- 여분 디스크 (페리티 디스크)
  - 실제 데이터를 복구하기 위한 정보(페리티)가 저장되어있는 디스크
읽기 동작
- 모든 디스크들(working disks)이 액세스된다.
쓰기 동작
- 모든 디스크/페리티 디스크들이 동시에 액세스된다.

형태

RAID 종류: RAID 3

RAID 2와 RAID 3의 공통사항
- 병렬 액세스 기법을 사용한다.
  - 병렬 액세스 기법: 하나의 I/O 요구에 모든 디스크들이 동시에 참여한다.
- 아주 작은 크기의 스트립을 사용한다.
  - 바이트, 워드 크기
  - 따라서, 전송율이 중요한 상황에서 유용하다.
RAID 2와 RAID 3의 차이점
- 배열이 아무리 크더라도 여분의 디스크는 1개만 있으면 된다.

형태

RAID 종류: RAID 4

RAID 4와 RAID 5와 RAID 6의 공통사항
- 독립적인 액세스 기법을 사용한다.
  - 독립적인 액세스 기법: 각 디스크가 독립적으로 작동하며, 독립적인 I/O 요구들이 병렬로 처리 가능하다.
- 스트립들 상대적으로 크다.
  - 블록 단위
  - 따라서, 높은 I/O 요구율을 필요로 하는 상황에 적합하다.
RAID 4와 RAID 5와 RAID 6의 차이점
- 비트 단위 패리티 스트립은 각 데이터 디스크상의 대응되는 스트립에 대해서 계산된다.
  - 즉, 아래 그림의 주황색 박스부분과 같다.
- I/O 쓰기 요구시, 쓰기에 대해 패널티가 수반된다.
- 왜냐하면 각 디스크에 데이터를 쓸 때, 각 쓰기마다 패리티 비트가 업데이트되어야 하기 때문이다. 이때 속도가 저하된다.

형태
- 쓰기 패널티 예시
  - 만약, ‘block 0’과 ‘block 10’에 쓰기 요청이 들어와서 병렬처리 시도시, ‘P(0-3)’, ‘P(8-11)’을 동시에 접근할 수 없다.
  - 따라서, 병목이 발생하여 속도가 저하된다.

RAID 종류: RAID 5

RAID 4와 RAID 5와 RAID 6의 공통사항
- 독립적인 액세스 기법을 사용한다.
  - 독립적인 액세스 기법: 각 디스크가 독립적으로 작동하며, 독립적인 I/O 요구들이 병렬로 처리 가능하다.
- 스트립들 상대적으로 크다.
  - 블록 단위
  - 따라서, 높은 I/O 요구율을 필요로 하는 상황에 적합하다.
RAID 4와 RAID 5와 RAID 6의 차이점
- 패리티 스트립들이 모든 디스크에 분산되어 저장된다.
- RAID 4에서 나타나는 I/O 병목을 회피할 수 있다.
주로 파일 서버, DB 서버, 응용 서버, 웹 서버 등에서 사용된다.

형태

RAID 종류: RAID 6

RAID 4와 RAID 5와 RAID 6의 공통사항
- 독립적인 액세스 기법을 사용한다.
  - 독립적인 액세스 기법: 각 디스크가 독립적으로 작동하며, 독립적인 I/O 요구들이 병렬로 처리 가능하다.
- 스트립들 상대적으로 크다.
  - 블록 단위
  - 따라서, 높은 I/O 요구율을 필요로 하는 상황에 적합하다.
RAID 4와 RAID 5와 RAID 6의 차이점
- 두 가지 서로 다른 패리티 계산이 수행되어 서로 다른 디스크들의 별도 블록에 저장된다.
- 총 N+2 개의 디스크들로 구성되어 있다.
  - N: 일반 디스크 개수
  - 2: 패리티 디스크 개수
- 극히 높은 데이터 가용성을 제공한다.
  - 2개의 디스크가 고장나도 복원이 가능하다.
- 매 쓰기 동작마다 두 개의 패리티 블록을 갱신해야 한다.

형태

RAID 정리

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솔리드 스테이트 드라이브 (SDD)

솔리드 스테이트 드라이브란?

SSD는 데이터를 저장하기 위한 기억장치로 반도체 메모리를 이용하는 저장장치이다.
- 주로 플래시 메모리를 사용한다.
‘자기 디스크’나 ‘읽기/쓰기 헤드’, ‘구동장치’가 없다.

SSD 조직

SSD 인터페이스
제어기
주소지정
데이터 버퍼/캐시
오류 정정
플래시 메모리
- NAND 형

SSD 특징

고성능
물리적 충격과 진동에 덜 민감하다.
기계적인 마모가 발생하지 않아 수명이 길다
전력 소비량이 낮다
액세스 시간 및 지연 시간이 낮다
비트당 가격이 높다

SSD에 대한 현실적인 이슈

장치를 사용할수록 SSD의 성능이 저하된다.
쓰기 한계가 존재한다.
- 쓰기를 할수록 산화막에 손상이 발생하여, 저장된 전자의 양을 정확히 판단하기 어려워 오류 발생 가능성이 증가한다.
- 산화막: float gate에 전자가 들어갈 때 손상될 수 있다.

광 기억장치

광학 디스크

구성요소
- 투과면
  - 레이저 광선을 쏘아 해당 투명 투과면을 통과한다.
- 기록면
  - 반사하는 빛의 반사량 차이로 1과 0을 구분한다.
- 라벨 인쇄면
  - 라벨이 인쇄된 면

트랙과 기록 방향
- 하나의 나선형 트랙 모양이다.
- 같은 길이의 섹터, 단위 길이당 기록 밀도가 동일하다.
- “안쪽의 섹터”와 “바깥쪽의 섹터”의 기록 밀도는 동일하다.
  - 따라서, 데이터 전송속도가 같다.
  - 단, 회전속도는 “바깥쪽”이 더 빠르다.

광학디스크 구동 방식

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CD-ROM

CD-ROM은 원래 오디오 신호를 저장하기 위해 개발되었다.
동작원리
- 피트(Pit)들이 포함된 표면은 높은 반사율을 가진 알루미늄 등으로 코팅된다.
- 표면은 아크릴로 코팅하여 보호한다.
정보 읽기 원리
- 피트(Pit)와 랜드(Land) 사이의 변화가 광 센서에 의해 검색되어 디지털 신호로 변환된다.
CD 종류에 따른 오류 정정 기능
- 데이터 저장 CD
  - 오류 정정 기능이 존재한다.
- 오디오 저장 CD
  - 오류 정정 기능이 없다.

CD의 종류

CD-Recordable (CD-R)
- 데이터를 한번만 쓸 수 있다.
- 매체가 염료 층을 포함하고 있다.
- 고강도 레이저가 염료 층의 반사율을 변경한다.
CD-Rewritable (CD-RW)
- 반복적으로 기록/삭제가 가능하다.

디지털 다목적 디스크 (DVD)

주요 특징
- 다계층 (여러 층으로 데이터를 저장한다.)
- 고용량
- 한 면에 영화 1편 저장 가능하다.
- 영화는 지역 코드를 포함한다.
용량 증대 요인
- 피트들이 더 가까워졌다.
- 복층으로 구성할 수 있다.
- 양면으로 만들 수 있다.
CD vs DVD

블루레이 디스크

HD급 동영상 2시간 분량을 저장할 수 있는 용량 제공
청자색 영역의 짧은 파장을 가진 레이저를 이용해서 읽기/쓰기
초점이 가까워지고, 찌그러짐이 감소하여 피트와 트랙이 더 작아졌다.

광 기억장치들의 특성

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간격: CD → DVD → Blu-ray 순으로 줄어든다.
레이저 파장: CD → DVD → Blu-ray 순으로 줄어든다.

성결대학교 컴퓨터 공학과 최정열 교수님 (2021)
William Stalling, 『컴퓨터시스템구조론(10판)』

본 게시글은 위 강의 및 교재를 기반으로 정리한 글입니다.