[OS] 8. 디스크 관리

디스크(disk)는 대표적인 2차 저장장치로, 컴퓨터에서 작업한 결과를 영구 보관하기 위해 사용한다.

1. 디스크의 구조

논리 블록 (Logical Block)

• 디스크 외부에서는 디스크를 일정한 크기의 저장 공간으로 이루어진 1차원 배열처럼 취급하는데, 이 일정한 크기의 저장 공간을 의미한다.
• 디스크에 데이터가 저장될 때, 디스크 외부로 입출력이 일어날 때 모두 논리 블록 단위로 작업이 수행된다.

섹터 (Sector)

• 데이터에 접근하기 위해서는 해당 논리 블록의 인덱스 번호를 디스크에 전달해야 하며, 디스크 컨트롤러가 해당 논리 블록이 저장된 물리적 위치(= 섹터)를 찾아 작업을 수행하게 된다.
• 논리 블록 하나가 섹터 하나로 1:1 mapping 된다.
• 섹터에는 최소한의 단위 정보가 저장된다.

디스크의 물리적 구조

• 하나 이상의 마그네틱 원판(platter)으로 이루어져 있다.

  원판(platter)은 앞/뒷면 양면으로 구성되어 있다.

• 각 원판은 트랙(track)으로 구성된다.

• 각 트랙(track)은 섹터(sector)로 나뉜다.

  섹터(sector) vs. 블록(block)

  • https://www.geeksforgeeks.org/difference-between-page-and-block-in-operating-system/
  • https://stackoverflow.com/questions/51006070/file-system-block-size-vs-disk-block-size

  구분	설명	일반적인 크기
  sector	the smallest unit of information that can be read or written used by disks	512byte
  block	the smallest logical unit of storage allocation and retrieval used by file systems (하나 이상의 sectors로 구성)	4KB

• 여러 원판에서 상대적 위치가 동일한 트랙(track)들의 집합을 실린더(cylinder)라고 한다.

• 디스크에 데이터를 읽고 쓰려면 암(arm)이 해당 섹터(sector)가 위치한 실린더(cylinder)로 이동한 후, 원판이 회전하여 디스크 헤드(head)가 저장된 섹터(sector) 위치에 도달해야 한다.

  디스크 헤드(head)는 암(arm)에 붙어있으며, 암(arm)은 하나의 원판(platter)에 대해 양면마다 하나씩 존재한다.

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2. 디스크 스케줄링

디스크 접근 시간 (Access Time)

디스크 입출력의 효율을 높이려면 디스크 접근 시간을 최소화해야 한다. 특히 탐색 시간을 줄여야 한다!

1. 탐색 시간 (seek time)
   • 헤드를 해당 실린더 위치로 이동시키는 데에 걸리는 시간이다.
   • 이를 줄이기 위해 헤드의 움직임을 최소화 하는 디스크 스케줄링(disk scheduling)을 수행한다.
2. 회전 지연 시간 (rotational latency)
   • 디스크가 회전하여 섹터가 헤드 위치에 도달하기까지 걸리는 시간이다.
   • 상대적으로 수치가 작고 운영체제 입장에서 통제하기 힘들다.
3. 전송 시간 (transfer time)
   • 해당 섹터가 헤드 위치에 도달한 후 데이터를 실제로 섹터에 읽고 쓰는 데에 소요되는 시간이다.
   • 상대적으로 수치가 작고 운영체제 입장에서 통제하기 힘들다.

디스크 스케줄링

• 여러 섹터들에 대한 입출력 요청이 들어올 때, 효율적인 디스크 입출력을 위해 이들을 어떠한 순서로 처리할지 결정하는 메커니즘이다.
• 가장 중요한 목표는 해당 섹터가 속하는 실린더로의 디스크 헤드 이동거리를 줄여 탐색 시간을 줄이는 것이다.

[1] FCFS 스케줄링 (First Come First Served)

디스크에 먼저 들어온 요청을 먼저 처리하는 방식

• 단점: 입출력 요청이 디스크의 양끝에 번갈아 도착한다면 매우 비효율적이다.

[2] SSTF 스케줄링 (Shortest Seek Time First)

헤드의 현재 위치로부터 가장 가까운 위치에 있는 요청을 제일 먼저 처리하는 방식

• 헤드의 이동 거리를 줄여 디스크 입출력의 효율성을 증가시킬 수 있으나, 이동 거리 측면에서 가장 우수한 알고리즘은 아니다.
• 단점: 현재 헤드 위치로부터 가까운 곳에서 지속적으로 요청이 발생한다면, 헤드 위치로부터 먼 곳의 요청은 무한히 기다려야 하는 기아 현상(starvation)이 발생할 수 있다.

[3] SCAN 알고리즘 (Elevator Scheduling)

헤드가 디스크 원판의 안쪽 끝과 바깥쪽 끝을 오가며, 그 경로에 존재하는 모든 요청을 처리하는 방식

• 디스크의 어떠한 위치에 요청이 들어오는지와 상관없이, 헤드는 정해진 방향으로 이동하며 그 사이에 있는 요청들을 처리한다.

• 마치 엘리베이터처럼 디스크의 한쪽 끝에 도달하면 방향을 바꾸어 다른 쪽 끝을 향해 이동한다.

  

• 장점: 효율성과 형평성을 모두 만족한다.
  • FCFS처럼 불필요한 헤드의 이동이 발생하거나 SSTF처럼 기아 현상이 발생하지 않는다.
  • 한 번만 이동하면 현재 큐에 들어온 모든 요청을 처리할 수 있다.
• 단점: 가운데 위치가 안쪽 또는 바깥쪽 위치보다는 기다리는 평균 시간이 더 짧아 모든 실린더 위치에서 공평한 것은 아니다.

[4] C-SCAN 알고리즘 (Circular-Scan)

SCAN 알고리즘과 비슷하지만, 헤드가 이동하는 방향이 특정 방향일 때만 그 사이에 존재하는 요청들을 처리하는 방식

• SCAN과 달리 헤드가 다른 쪽 끝에 도달해 방향을 바꾼 후에는 요청을 처리하지 않고, 곧바로 출발점으로 다시 이동만 한다.

  

• 장점: 각 실린더 위치에 대해 SCAN 보다 더 균일한 탐색 시간을 제공한다. (탐색 시간의 편차 ⬇️)
• 단점: SCAN 보다 헤드의 이동 거리는 조금 길어진다.

[5] LOOK & C-LOOK 알고리즘

• LOOK 알고리즘: 헤드가 한쪽 방향으로 이동하다가 그 방향에 더 이상 대기 중인 요청이 없으면 헤드의 이동 방향을 즉시 반대로 바꾸는 방식이다.
• C-LOOK 알고리즘: LOOK과 유사하게 전방에 요청이 없을 때 방향을 바꾸고, C-SCAN과 유사하게 특정 방향으로 헤드를 이동할 때에만 요청을 처리하는 방식이다.

디스크 입출력이 많은 시스템에서 FCFS, SSTF에 비해 SCAN, C-SCAN, LOOK, C-LOOK 등의 알고리즘이 더 효율적이다.

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3. 다중 디스크 환경에서의 스케줄링

다중 디스크를 사용하면 시스템의 성능과 신뢰성을 향상시킬 수 있다. (ex. 동시 사용자가 많은 포털 사이트 등)

디스크 스케줄링 기법

• 단일 디스크 스케줄링: 하나의 디스크 내에서 입출력 요청의 처리 순서를 결정한다.
• 다중 디스크 스케줄링: 작업을 수행할 디스크를 결정하는 문제까지 포함한다.

다중 디스크 스케줄링의 목표

스케줄링의 목표에 따라 요청을 처리할 디스크를 결정하는 기준이 달라진다.

1. 탐색 시간(seek time)을 줄이는 것
   • 여러 디스크 중 헤드의 현재 위치가 요청한 데이터와 가장 가까운 디스크를 선택한다.
2. 각 디스크 간 load balancing을 이루는 것
   • 많은 요청을 동시에 처리할 수 있는 확장성이 중요한 경우, 일부 디스크가 과부하 상태에 이르지 않고 모든 디스크에 요청이 골고루 분배되도록 스케줄링한다.
   • ex) 그룹 엘리베이터 시스템 (다수의 승객이 오래 기다리지 않고 빠른 서비스를 받을 수 있도록 함)
3. 전력 소모를 줄이는 것
   • 일부 디스크에 요청을 집중시키고, 나머지 디스크는 회전을 정지시킨다.
   • 요청의 빈도가 일부 디스크만으로 요청을 충분히 처리할 수 있을 정도인 상황에 한해서 적용 가능하다.
   • ex) 사용자가 적은 경우, 일부 엘리베이터에 부하를 집중시키는 부하편향 기법

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4. 디스크의 저전력 관리

[1] 비활성화 기법

• 전력 소모를 기준으로 나눈 디스크의 상태

  • 활성 상태: 디스크가 회전 중인 상태

    디스크 상태	설명
    활동 상태 (active)	현재 헤드가 데이터를 읽거나 쓰고 있는 상태
    공회전 상태 (idle)	디스크가 회전 중이지만 데이터를 읽거나 쓰지는 않는 상태

  • 비활성 상태: 디스크의 회전이 정지한 상태

    디스크 상태	설명
    준비 상태 (standby)	디스크가 회전하지 않지만 인터페이스가 활성화된 상태
    휴면 상태 (sleep)	디스크가 회전하지 않고 인터페이스도 비활성화된 상태

  요청이 없을 경우, 디스크를 정지시켜 비활성 상태로 전환하는 것이 전력 절감 측면에서 효과적이다.

• 디스크의 상태를 전환할 때는 부가적인 전력 및 시간이 소모되므로, 다음 요청까지의 시간 간격이 일정 시간(breakeven time) 이상일 경우에만 디스크를 비활성 상태로 전환(= 디스크 회전 정지)하는 것이 전력 소모를 절감하는 데에 효과적이다.

  

• 디스크 비활성화 시점의 결정 방법
  • 시간 기반 기법 (timeout based): 일정 시간 동안 디스크가 공회전 상태이면 정지시켰다가, 다시 요청이 왔을 때 디스크를 활성화한다.
  • 예측 기반 기법 (prediction based): 과거 요청을 통해 다음 공회전 구간의 길이를 예측한 후 디스크 비활성화 시점을 결정한다.
  • 확률 기반 기법 (stochastic based): 디스크의 상태 변경 시간 간격을 구하기 위해 확률 분포를 통해 요청을 모델링하고 통계적 모델을 이용한다.

[2] 회전 속도 조절 기법

디스크의 회전 속도(Rotations Per Minute, RPM)를 가변적으로 조절하여 디스크의 전력 소모를 줄이는 기법이다.

[3] 디스크의 데이터 배치 기법

• 빠른 속도로 증가하고 있는 디스크의 용량에 비해, 디스크의 접근 속도는 기계적 메커니즘으로 인해 큰 발전이 없는 상황이다.
• FS2 파일 시스템: 디스크 내에 데이터의 복제본을 많이 만들어 헤드 위치에서 가까운 복제본에 접근하도록 함으로써 빠른 응답 시간과 전력 소모량 절감을 얻는 방식이다.

[4] 버퍼 캐싱 및 사전 인출 기법

• 미래에 요청될 데이터를 미리 알거나 어느 정도 예측할 수 있다면, 디스크가 활성 상태일 때 헤드 위치로부터 가까운 데이터를 사전 인출(prefetching)함으로써, 향후 디스크의 비활성화 가능성을 높여 전력 소모를 줄일 수 있다.
• 데드라인을 꼭 지켜야하는 요청이 아니라면, 디스크의 활성 상태에 따라 요청을 최대한 지연시켜 전력 소모를 줄일 수 있다.
• 디스크가 저전력 모드일 때는 입출력 처리를 최대한 지연시키고, 디스크가 정상 전력 모드일 때 사전 인출을 공격적으로 함으로써 디스크의 상태 변화 횟수를 최소화 할 수도 있다.

[5] 쓰기 전략을 통한 저전력 디스크 기법

• write-back with eager updates: 대상 디스크가 비활성 상태일 때는 디스크 쓰기를 하지 않고 기다렸다가, 활성 상태로 돌아왔을 때 쓰는 방식
• write-through with deferred update: 대상 디스크가 비활성 상태일 때는 블록들을 로그 디스크에 썼다가, 활성 상태로 돌아왔을 때 디스크에 쓰는 방식

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References

• “운영체제와 정보기술의 원리(반효경 저)”, 9장 디스크 관리