[운영체제 공룡책] 11-15. Storage management

11. Mass Storage Structure

• Mass-Storage
  • 비휘발성 (non-voliatie, Secondary Storage
  • 보통 하드디스크나 NVM이라 칭함, 제 2 저장 장치 혹은 보조 저장장치라고 함
  • 때로는 마그네틱 테입이나, 광학 디스크, 클라우드 저장소를 사용하는 경우가 있음
  • RAID 시스템을 이용함
• 전통적인 HDD 스케쥴링
  • 다스크에 대한 입출력은 왜 굉장히 느릴까? (교수님보다 설명 잘함)
  • 
  • seek time (or 액세스 시간을 최소화)
    • deivce arm이 head를 움직이는 데, 특정 실린더의 특정 섹터를 찾아가는 데 걸리는 시간을 의미함 (이게 제일 오래걸림)
    • rotational latency : 하드가 빙글빙글 돌면서 내가 원하는 섹터에 도달하기까지 소요되는 시간 중 제일 오래 걸리는 시간?
  • data transfer의 bandwidth를 최대화
    • 한번에 데이터를 읽어올 수 있는 양
• FIFO Scheduling
  • 먼저 온 요청을 먼저 처리. head movement가 효율적이지는 않음
• SCAN Scheduling
  • 한쪽 종단에서 종단으로 계속 움직이면서 들어온 Request들을 처리함
  • 하지만 양방향으로 움직이는 것 보다는 한 방향으로 움직이는 게 구현이 편하기 때문에 S-SCAN이라는 게 나옴
• C-SCAN (Circular-SCAN) Scheduling
  • 한 방향으로만 헤드를 움직이고, 시작점에서 끝점까지 읽어들인 다음에 되돌아올때에는 아무것도 읽지 않고 다시 첫 시작점으로 돌아온다 (단, 되돌아올 떄 움직임은 무시함)
• Boot Block
  • 전원이 꺼졌을 때 컴퓨터를 구동시키기 위한 첫번째 프로그램을 bootstrap이라 했지!
  • Boot Block을 flash memory(ROM)에 저장함
• RAID : Redundant Arrays of Independent Disks
  • 읽고 쓰는 성능을 높이고 저장소의 신뢰성을 높이기 위해 사용함!
  • 데이터 읽기와 쓰기의 bandwitdh을 늘려야 하는데 병렬로 처리가 가능함
  • 저장과 쓰기가 올바르게 되었는지 reliability를 정해줘야함! redundant information을 추가해두면 데이터 깨짐을 방지할 수 있고 꺠졌을 때도 복구할 수 있음
  • 하드디스크가 맛가도 안전한 방법을 고민
• 잠깐 영어단어!
  • Reliability 신뢰성
  • Redundancy 중복성?? 정리해고당한, 불필요한
• Redundancy : Improvement of Reliability (데이터의 Reliability를 Redundancy 로 올리는 방법?)
  • 왜 필요한가?
    • N개의 디스크가 있을 때에는 오류가 발생할 가능성이 훨씬 높다
    • mean time between failures(MTBF) = 만약 10만 시간에 1번 씩 오류가 발생하는데, 디스크가 100개라면 천 시간마다 한 번씩 발생하는 꼴임. 데이터센터 같은 경우 디스크가 엄청 많은데 매 시간마다 디스크 하나씩 버려야한다면 ㅎㄷㄷ
    • 중요한 데이터는 그냥 저장할 수 없다! 실패되도 복원할 수 있어야한다. 신뢰성을 높이기 위해 미러링을 함 (모든 디스크에 중복된 데이터를 저장함)
• Paralleism(병렬) : Imporvement in Performance 병렬처리를 하여 성능을 높여보자! (bandwidth을 크게 함)
  • striping : 여러 개의 드라이브가 있을 때 전송률을 올리는 데 사용할 수가 있는데 이것을 스트라이핑이라고 함
  • bit-level striping : 비트 레벨로 스트라이핑을 한다고 하여 이렇게 함
  • block-level striping
• RAID Levels
  • mirroring : 높은 신뢰성을 가지나 너무 비쌈 (모든 디스크에 데이터를 동일하게 복제)
  • striping : 효과적이지만 신뢰성과 관련은 없음 (두 개 이상의 디스크에 데이터를 랜덤하게 쓰는 방법)
  • parity bit : 데이터가 깨졌는지 확인하기 위한 체크용 비트(ex: 전송자는 짝수라했는데 받을떄 홀수로 되어있으면 데이터 신뢰성 잃음!)
    • 1 : 1의 개수가 짝수면 even
    • 0 : 1의 개수가 홀수명 odd
    • 이걸 확장하면 checksum, 더 확장하면 CRC가 됨
  • 에러를 감지하고, 에러가 감지되었으면 복구까지 할 수 있는 지 레벨로 분류해보자! 성능과 비용을 트레이드오프 할거임!
    • RAID 0 : 아무 것도 저장 안함
    • RAID 1 : mirroring
    • RAID 4 : block-interleaved parity
    • RAID 5 : block-interleaved distributed parity
    • RAID 6 : P + Q redundancy (Parity bit와 Queue를 둬서 더 강화시킴)
    • Multidimensional RAID 6 : 다차원 RAID
    • RAID 0 + 1, RAID 1 + 0 을 조합하여 사용하는 케이스
    • 

12. I/O Systems

• 대부분 컴퓨팅에서 I/O는 주된 작업임
• I/O 명령어와 I/O 장치들을 제어하는 것은 OS의 할 일! (교수님 잡담 : 실제 업무에서는 OS 커널을 건드리는 일은 없고, I/O Drivers를 만드는 게 더 중요한데, OS에 대한 이해도는 중요함)
• PC bus (CPU가 bus를 통해 각 영역의 컨트롤러에게 명령을 내림!)
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• Memory-Mapped I/O
  • I/O 장치에 내리는 명령을 어떻게 전달할 것인가?
    • data-in register
    • data-out register
    • status register
    • control register
  • Memory-mapped I/O : I/O Address에 어떤 interrupt controller가 매핑되어 있는 지 메모리에 매핑시켜둠
    • 그래서 디바이스에 직접 명령어를 전달하지 않고, 메모리에 I/O 명령을 주어서 control register의 역할을 할 수 있게 됨
• 세 가지 유형의 I/O
  • polling : or busy-waiting
    • 상태 레지스터의 상태를 계속 읽으면서 원하는 값이 올때까지 기다림
  • interrupt
    • interrupt driven I/O : wait 과 signal (이미지 첨부)
    • 
    • interrupt-request line이라는 하드웨어로 요소로부터 interrupt가 오면 CPU는 해당 interrupt를 감지하여, CPU는 interrupt를 처리해주는 interrupt service routin(ISR)에게 제어권을 넘겨줌
    • interrupt 들을 interrupt vector table에 모아놓고 ISR로 처리
  • DMA : Direct Memory Access
    • 아주 대용량 전송의 경우 다이렉트로 메모리에 접근함
    • 순서 이미지
    • 
• Blocking I/O vs Non-blocking I/O
  • Blocking I/O : a thread is suspended
    • running 상태에서 waiting queue로 이동
  • Non-blocking I/O : does not halt the execution of the thread
    • 바로 리턴을 해버리고 waiting queue에 이동하지 않음
  • non-blocing VS asynchronous
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13. File System Interface

• File System
  • 논리적으로 스토리지에다 데이터와 프로그램을 쓰는 것을 이야기함
  • 하드디스크에 물리적으로 데이터 읽고 쓰고 남기는 것은 OS의 할 일, 우리가 관심있는 것은 어플리케이션을 작성할 때 하드 접근해서 읽고 쓰고 안함. Interface를 통해 작성함 (물론 DBMS는 직접 하드 접근)
  • 두 가지 파트
    • file
    • directory
• 접근 방법
  • sequential (순차적)
  • direct (랜덤 액세스)
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• 디렉토리 구조
  • 처음에는 파일 하나에 디렉토리 하나로 single level로 관리함
  • 그 이후 two-level
  • Tree structured
  • Acyclic-graph
  • General graph

14. File-System Implementation

• 파일 시스템의 레이어
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• Allocation Method
  • 이 파일 시스템에 파일을 어떻게 할당할 것인가? 하드디스크의 섹터를 파일에 어떻게 할당해줄거냐?
  • 세 가지 범용적인 사용 방법
    • Contiguous Allocation (메모리때 배웠던거랑 유사!)
      • 문제점
        • external fragmentaion
        • need for compaction
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    • Linked Allocation
      • 위 Contiguous 문제들을 해결
      • 파일을 block 단위로 쪼개서 링크드 리스트로 연결함!
      • 문제점
        • 중간부터 데이터를 보고 싶을 경우에도 처음부터 뒤져봐야함 (ex: 동영상)
        • 그리고 중간 노드가 깨져서 잃게되면 복구 불가능함 (시작점만 끝점만 알고 있어서 그럼)
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    • FAT : File Allocation Table
      • 위 Linked Allocation 방법을 좀 더 효율적으로 사용하기 위한 개념
      • Linked List에 인덱스 테이블을 추가함
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    • Indexed Allocation
      • Linked Allocation을 FAT랑 효율적이긴 한데 여전히 꼬롬한 문제가 있음(without the FAT) → 여전히 block 자체가 scattered 되어있음 (뭔소린지 모름)
      • 하드디스크도 베드 섹터가 있어서 데이터가 깨질 수 있음. 이런 것을 방지하기 위해 링크드 리스트 순서를 인덱스 블록에 다 담아둠
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      • 파일을 지워도 복원할 수 있는 이유 : Index Block만 찾으면 됌!
    • Free-Space Management
      • 안쓰는 메모리 공간에 대해서도 알고 있어야함! 링크드 리스트 기반인 경우는 다 필요쓰!
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퀴즈

운영체제_퀴즈_12.pdf

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