양아름
week03
Chap07

보조기억장치

01. 다양한 보조기억장치

  • 하드 디스크
  • 플래시 메모리
    • USB 메모리
    • SD 카드
    • SSD

하드 디스크

HDD : Hard Disk Drive

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  • 자기적인 방식으로 데이터를 저장하는 보조기억장치이고, 자기 디스크(magnetic disk)의 일종으로 지칭한다.
  • 플래터 (platter) : 실질적으로 데이터가 저장되는 곳은 (동그란 원판)
    • 자기 물질로 덮여 있어 수많은 N극과 S극을 저장
    • N/S은 0과 1의 역할을 수행
  • 스핀들 (spindle) : 플래터를 회전시키는 구성 요소
    • 스핀들이 플래터를 돌리는 속도는 분당 회전수를 나타내는 RPM(Revolution Per Minute)이라는 단위로 표현
    • ex) RPM이 15,000인 하드디스트 - 1분에 15,000바퀴 회전

chap07-02

  • 헤드 (head) : 플래터를 대상으로 데이터를 읽고 쓰는 구성 요소
    • 플래터 위에서 미세하게 떠 있는 채로 데이터를 읽고 쓰는, 마치 바늘같이 생긴 부품
  • 디스크 암 (disk arm) : 헤드를 원하는 위치로 헤드를 이동시키는 부품
  • 하드디스크
    • 하드 디스크는 CP나 LP에 비해 훨씬 더 많은 양의 데이터를 저장해야해 여러 겹의 플래터로 이루어져 있고 플래터 양면을 모두 사용할 수 있다.
    • 양면 플래터를 사용하면 위아래로 플래터당 두 개의 헤드가 사용된다.
    • 모든 헤드는 디스크 암에 부착되 다같이 이동된다.

플래터에 데이터가 어떻게 저장될까?

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  • 플래터는 트랙과 섹터라는 단위로 데이터를 저장한다.
  • 트랙 : 플래터를 여러 동심원으로 나누었을 때 그중 하나의 원
  • 섹터 : 피자처럼 여러 조각을 나누는데, 피자 한 조각
    • 하드 디스크의 가장 작은 전송 단위
    • 하나의 섹터는 일반적으로 512바이트 정도의 크기를 가지고 있지만, 정확한 크기는 하드 디스크에 따라 차이가 있다.
  • 하나 이상의 섹터를 묶어 블록이라 부르기도 한다.
  • 실린더 : 여러 겹의 플래터 상에서 같은 트랙이 위치한 곳을 모아 연결한 논리적 단위

한 플래터를 동심원으로 나눈 공간은 트랙, 같은 트랙끼리 연결한 원통 모양의 공간은 실린더.
플래터는 트랙과 섹터로 나뉘고, 같은 트랙이 모여 실린더를 이룬다.

chap07-04

  • 연속된 정보는 보통 한 실린더에 기록된다.
  • 이유는 디스크 암을 움직이지 않고도 바로 데이터에 접근할 수 있기 때문이다.

저장된 데이터에 접근하는 시간

  • 탐색 시간 (seek time)
    • 접근하려는 데이터가 저장된 트랙까지 헤드를 이동시키는 시간
  • 회전 지연 (rotational latency)
    • 헤드가 있는 곳으로 플래터를 회전시키는 시간
  • 전송 지연 (transfer time)
    • 하드 디스크와 컴퓨터 간에 데이터를 전송하는 시간

이 시간들이 성능에 큰 영향을 끼치는 시간이다.
접근하려는 데이터가 플래터 혹은 헤드를 조금만 옮겨도 접근할 수 있는 곳에 위치해 있는것도 중요하다.

플래시 메모리

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  • 전기적으로 데이터를 읽고 쓸 수 있는 반도체 기반의 저장 장치이다.
  • 보조기억장치 범주에만 속하기보단, 다양한 곳에서 널리 사용하는 저장 장치이다.
    • ROM뿐 만 아니라, 일상에 접하는 모든 전자제품 안에 플래시 메모리가 내장되어 있다.
  • 플래시 메모리에는 셀(cell)이라는 단위가 있는데, 이는 데이터를 저장하는 가장 작은 단위이다.
  • 이 셀이 모이고 모여 MB, GB, TB용량을 갖는 저장 장치가 된다.
  • 하나의 셀에 몇 비트를 저장할 수 있느냐에 따라 플래시 메모리 종류가 나뉜다.

  • SLC (Single Level Cell) : 한 셀에 1비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리 (한 집에 한명)
  • MLC (Multiple Level Cell) : 한 셀에 2비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리 (한 집에 두명)
  • TLC (Triple-Level cell) : 한 셀에 3비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리 (한 집에 세명)

💡 이 차이들이 수명, 속도, 각격에 큰 영향을 끼친다.

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SLC 타입

  • 한 셀로 두 개의 정보를 표현할 수 있다.
  • 수명이 길어 수만에서 수십만 번 가까이 데이터를 쓰고 지우고 반복할 수 있다.

MLC 타입

  • 한 셀로 네 개의 정보를 표현할 수 있다.
  • 한 셀에 두 비트씩 저장할 수 있다는 점에서 대용량화하기 유리하다.

TLC 타입

  • 한 셀로 여덟 개의 정보를 표현할 수 있다.

즉, 셀의 타입에 따라 수명, 가격, 성능이 다르다.
> SLC : 썼다 지우기를 자주 반복해야 하는 경우 혹은 높은 성능을 원하는 경우
> TLC : 저가의 대용량 저장 장치를 원하는 경우
> MLC : 그 중간을 원하는 경우


셀 보다 더 큰 단위

  • 페이지 : 셀들이 모여 만들어진 단위
  • 블록 : 페이지가 모여 만들어진 단위
  • 블록이 모이면 플레인, 플레인이 모여 다이가 된다.

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  • 읽기와 쓰기는 페이지 단위로 이뤄진다.
  • 삭제는 페이지보다 큰 블록 단위로 이뤄진다.
  • 읽기/쓰기 단위와 삭제 단위가 다르다는 것이 플래스 메모리의 가장 큰 특징 중 하나이다.

페이지의 상태

  • Free : 어떠한 데이터도 저장하고 있지 않아 새로운 데이터를 저장할 수 있는 상태
  • Valid : 이미 유효한 데이터를 저장하고 있는 상태
  • Invalid : 쓰레기값이라 부르는 유효하지 않은 데이터를 저장하고 있는 상태

덮어쓰기가 불가능하며, Valid상태인 페이지에는 새 데이터를 저장할 수 없다.

가비지 컬렉션

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  • 유효한 페이지들만 새로운 블록으로 복사한 후 기존 블록을 삭제하여 공간을 정리하는 기능

02. RAID의 정의와 종류

RAID의 정의

서버 엔지니어라면, 매일 수십, 수백 TB 데이터가 쏟아지고, 데이터에는 개인 정보, 결제 정보 등 절대 잃어버리면 안 될 민감한 정보를 어떻게 관리할 수 있을까 ?

이럴 때 사용할 수 있는 방법이 RAID이다.

RAID : Redundant Array of Independent Disks

  • 하드 디스크와 SSD를 사용하는 기술로, 데이터의 안전성 혹은 높은 성능을 위해 여러 개의 물리적 보조기억장치를 마치 하나의 논리적 보조기억장치처럼 사용하는 기술을 의미한다.

RAID의 종류

  • RAID레벨
    • 대표적으로 RAID0, RAID1, RAID2, RAID3, RAID4, RAID5, RAID6이 있다.
    • 그로부터 파생된 RAID 10, RAID50등이 있다.
    • 2, 3은 현재 잘 사용되지 않는다.
  • RAID 0 : 데이터를 균등하게 분산하여 저장한다.
  • RAID 1 : 완전한 복사본을 만든다.
  • RAID 4 : 패리티를 저장한 장치를 따로 두는 방식
  • RAID 5 : 패리티를 분산하여 저장하는 방식
  • RAID 6 : 서로 다른 두 개의 패리티를 두는 방식

RAID 0

  • 여러 개의 보조기억장치에 데이터를 단순히 나누어 저장하는 구성 방식이다.
  • 스트라입(stripe) : 줄무늬처럼 분산되어 저장된 데이터
  • 스트라이핑(striping) : 분산하여 저장하는 것.

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1TB하드 디스크 네 개로 RAID 0를 구성했다면 ?
어떠한 데이터를 저장 할 때 각 하드 디스크는 번갈아 가며 데이터를 저장한다.
즉, 저장되는 데이터가 하드 디스크 개수만큼 나뉘어 저장한다.

  • 스트라이핑되면 저장된 데이터를 읽고 쓰는 속도가 빨라진다. (4배 빠르다.)
  • 하나의 대용량 저장 장치를 이용했더라면 여러 번에 걸쳐 읽고 썼을 데이터를 동시에 읽고 쓸 수 있기 때문이다.

단점

  • 저장된 정보가 안전하지 않다.
  • RAID 0으로 구성된 하드디스크 중 하나에 문제가 생긴다면 다른 모든 하드 디스크의 정보를 읽는 데 문제가 생길 수 있다.

RAID 1

  • 복사본을 만드는 방식
  • 미러링(mirroring) : 거울처럼 완전한 복사본을 만드는 구성
  • 쓰기 속도는 RAID 0보다 느리다.

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장점

  • 복구가 매우 간단하다.
    • 똑같은 디스크가 두 개인 셈이니, 하나에 문제가 발생해도 잃어버린 정보도 금방 되찾을 수 있다.

단점

  • 하드 디스크 개수가 한정되었을 때, 사용 가능한 용량이 적어진다.
    • RAID 1에서는 2TB의 정보만 저장할 수 있다.
  • 즉, RAID 1에서는 복사본이 만들어지는 용량만큼 사용자가 사용하지 못한다.
  • 많은 양의 하드 디스크가 필요하고, 비용이 증가한다.

RAID 4

  • RAID 1처럼 완전한 복사본을 만드는 대신 오류를 검출하고 복구하고 위한 정보를 저장한 장치를 두는 구성 방식이다.
  • 패리티 비트 : 오류를 검출하고 복구하기 위한 정보

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  • RAID 1보다 적은 하드 디스크로도 데이터를 안전하게 보관할 수 있다.

RAID 5

chap07-12

  • RAID 4에 병목현상이 발생한다는 문제를 해소할 수 있다.
  • 패리티 정보를 분산하여 저장하는 방식

RAID 6

  • RAID 5와 같지만, 서로 다른 두 개의 패리티를 두는 방식이다.

  • 오류를 검출하고 복구할 수 있는 수단이 두 개인 것이다.

  • 4, 5보다는 안전한 구성이다.

  • 쓰기 속도는 5보다 느리다.

    chap07-13

  • 데이터 저장 속도를 조금 희생하더라도 데이터를 더욱 안전하게 보관하고 싶을 때 사용하는 방식이다.

  • 여러 RAID레벨을 혼합한 방식을 Nested RAID이라 한다.

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