유성이의 공부일지(7) - 혼자공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제 7장

07 - 1. 다양한 보조기억장치

 
하드 디스크

- 하드 디스크는 자기적인 방식으로 데이터를 저장하는 보조기억장치
- 이 때문에 하드 디스크를 자기 디스크의 일종으로 지칭하기도 함
- 대용량 저장 장치가 필요한 작업이나 서버실에 자주 출입하는 작업을 한다면 하드 디스크를 자주 접할 수 있음
- 플래터는 하드 디스크에서 실질 적으로 저장되는 곳은 위의 그림 속에 있는 동그란 원판임
- 자기 물질로 덮여 있어 수많은 N극과 S극을 저장하는데 참고로 이는 0과 1의 역할을 수행함
- 스핀들은 그 플래터를 회전시키는 구성요소
- 스핀들이 플래터를 돌리는 속도는 분당 회전수를 나타내는 RPM으로 표현됨
- 가령 RPM이 15,000인 하드디스크는 1분에 15000바퀴를 회전함
- 헤드는 플래터를 대상으로 데이터를 읽고 쓰는 구성 요소
- 여기서 말하는 헤드는 플래터 위에서 미세하게 떠 있는 채로 데이터를 읽고 쓰는, 마치 바늘같이 생신 부품임
- 헤드는 원하는 위치로 헤드를 이동시키는 디스크 암에 부착되어 있음
- CD나 LP에 비해 하드 디스크는 훨씬 더 많은 양의 데이터를 저장해야 하므로 일반적으로 여러 겹의 플래터로 이루어져 있고 플래터 양면을 모두 사용할 수 있음
- 양면 플래터를 사용하면 위아래로 플래터당 두 개의 헤드가 사용됨
- 플래터는 트랙과 섹터라는 단위로 데이터에 저장됨
- 플래터를 여러 동심원으로 나누었을 때 그중 하나의 원을 트랙이라고 부름
- 트랙은 마치 피자처럼 여러 조각으로 나뉘는데, 이 한조각을 섹터라고 부름
- 참고로 하나 이상의 섹터를 묶어서 블록이라고 표현함
- 실린더는 여러 겹의 플래터 상에서 같은 트랙이 위치 한 곳을 모아 연결한 논리적 단위를 말함
- 하드 디스크가 저장된 데이터에 접근하는 시간을 크게 탐색 시간, 회전 지연, 전송 시간으로 나뉨
- 탐색 시간은 접근하려는 데이터가 저장된 트랙까지 헤드를 이동시키는 시간을 의미
- 회전 지연은 헤드가 있는 곳으로 플래터를 회전시키는 시간을 의미
- 전송 시간은 하드 디스와 컴퓨터 간에 데이터를 전송하는 시간을 의미
 
참고로!!
- 제프 딘은 과거 프로그래머가 꼭 알아야 할 컴퓨터 시간들을 공개한 바 있는데 일부를 발췌함

L1 캐시 참조 시간	0.5ns
L2 캐시 참조 시간	5ns
메모리 참조 시간	7ns
메모리에서 1MB를 순차적으로 읽는 시간	250,000ns
(하드) 디스크 탐색 시간	10,000,000ns
(하드) 디스크에서 1MB를 순차적으로 읽는 시간	30,000,000ns
한 패킷이 캘리포니아에서 네덜란드까지 왕복하는 시간	150,000,000ns

 
- 플레터의 한 면당 헤드가 하나씩 달려 있는 하드 디스크를 단일 헤드 디스크라고 부름
- 대신 헤드가 트랙별로 여러 개 달려 있는 하드 디스크가 있는데 이를 다중 헤드 디스크라고 부름
- 헤드를 움직일 필요가 없는 다중 헤드 디스크를 고정 헤드 디스크
- 헤드를 데이터가 있는 곳까지 움직여야 하는 단일 헤드 디스크를 이동 헤드 디스크
 

플래시 메모리

- 우리가 흔히 사용하는 USB 메모리, SD 카드, SSD가 모두 플레시 메모리 기반의 보조기억장치
- 전기적으로 데이터를 읽고 쓸 수 있는 반도체 기반의 저장 장치
 
참고로(2)
- 플래시 메모리에는 NAND 플래시 메모리와 NOR 플래시 메모리가 있음
- 이 둘 중 대용량 저장 장치로 많이 사용되는 것은 NAND 플래시 메모리임
- 플래시 메모리에는 셀이라는 단위가 있음
- 셀이란 플래시 메모리에서 데이터를 저장하는 가장 작은 단위임
- 이 때 하나의 셀에 몇 비트를 저장할 수 있으냐에 따라 플래시 메모리 종류가 나뉨
- 1비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리를 SLC, 2비트를 MLC, 3비트를 TLC 라고 함
 

SLC 타입

- 한 셀로 두개의 정보를 표현 할 수 있음
- SLC 타입은 MLC나 TLC 타입에 비트에 비하여 빠른 입출력이 가능함
- 수명도 MLC나 TLC보다 길어서 수만에서 수십 만 번 가까이 데이터를 쓰고 지우고를 반복할 수 있음
- 하지만 SLC 타입은 용량 대비 가격이 높음
 

MLC 타입

- 한 셀로 네 개의 정표를 표현 할 수 있음
- SLC 타입은 보다는 속도와 수명은 떨어지지만, 한 셀에 두 비트씩 저장 가능
- 예를 들어 집의 개수가 같다면 한 집에 한 명씩 사는 것보다 한 집에 두 명씩 사는 것이 훨씬 더 많은 사람을 수용할 수 있는 이치임
- 또한 MLC 타입은 용량 대비 가격이 낮음
- 시중에서 사용되는 마낳은 플래시 메모리 저장 장치 들이 MLC 나 TLC로 만들어짐
 

TLC 타입

- 한 셀당 3비트씩 저장 할 수 있고 한 셀로 여덟 개의 정보를 표현 가능
- 일반적으로 SLC나 MLC 타입보다 수명과 속도가 떨어지지만 용량 대비 가격도 저렴함
 

구분	SLC	MLC	TLC
셀당 bit	1bit	2bit	3bit
수명	길다	보통	짧다
읽기/쓰기 속도	빠르다	보통	느리다
용량 대비 가격	높다	보통	낮다

 

출처 medium Develicit SSD의 구조

- 셀들로 모여 만들어진 단위를 페이지
- 페이지가 모여 만들어진 단위를 블록
- 블록이 모여 플레인
- 플레인이 모여 다이
- 플레시 메모리에서 읽기와 쓰기는 페이지 단위로 이뤄짐
- 하지만 삭제는 페이지보다 큰 블록 단위로 이루어짐
- 읽기/쓰기 단위와 삭제 단위로 다르다는 것이 특징임
 
- 이 때 페이지는 세 개의 상태를 갖는데 Free, Valid, Invalid 임
- Free 상태는 어떠한 데이터도 저장하고 있지 않아 새로운 데이터를 저장할 수 있는 상태
- Valid 상태는 이미 유효한 데이터를 저장하고 있는 상태
- Invalid 상태는 쓰레기 값이라고 부르는 유효하지 않은 데이터를 저장하고 있는 상태
- 플래시 메모리는 하드 디스크와는 달리 덮어쓰기가 불가능하여 Valid 상태인 페이지에는 새 데이터를 저장 x
- SSD를 비롯한 플래시 메모리는 쓰레기 값을 정리하기 위해 가비지 컬렉션 기능을 제공함
- 이는 유효한 페이지들만 새로운 블록으로 복사한 후 기존 블록을 삭제하여 공간을 정리하는 기능임

07-2. RAID의 정의와 종류

RAID의 정의

- 주로 하드디스크와 SSD를 사용하는 기술
- 데이터의 안정성 혹은 높은 성능을 위해 여러 개의 물리적 보조기억장치를 마치 하나의 논리적 보조기억장치처럼 사용함
 

RAID의 종류

- RAID 구성 방법을 RAID 레벨이라고 표현함
- 그와 관련된 대표적으로는 RAID0, RAID1, RAID2, RAID3, RAID4,RAID5,RAID6가 있음
- 나머지로는 RAID 10, RAID 50이 있음
 
 

 

RAID 0

- 여러 개의 보조기억장치에 데이터를 단순히 나누어 저장하는 구성 방식
- 어떠한 데이터를 저장할 때 각 하드디스크는 아래와 같이 번갈아 가며 데이터를 저장
- 즉 저장되는 데이터가 하드 디스크 개수만큼 나뉘어 저장됨
- 이 때 마치 줄무늬처럼 분산되어 저장된 데이터를 스트라입이라 함
- 분산하여 저장하는 것을 스트라이핑이라고 함
- 스트라이핑이 된다면 저장된 데이터를 읽고 쓰는 속도가 빨라짐
- 4TB 저장장치 한 개를 읽고 쓰는 속도 보다 RAID 0으로 구성된 1TB 저장장치 네 개의 속도가 이론상 네 배가량 빠름
- 단점으로는 지정된 정보가 안전하지 x
- RAID 0 으로 구성된 하드 디스크 중 하나에 문제가 생기면 다른 모든 하드 디스크 정보를 읽는데 문제가 생김
 

 
RAID 1

- 복사본을 만드는 방식
- 마치 거울처럼 완전한 복사본을 만드는 구성이기에 미러링이라고 부름
- 장점은는 복구가 매우 단단함 똑같은 디스크가 두 개 있으니, 하나에 문제가 발생해도 잃어버린 정보를 금방 되찾을 수 있음
- 단점은 하드 디스크의 개수가 한정되어 있을 때 사용가능한 용량이 적어진다는 단점이 있음
 

 

RAID 4

- RAID 1 처럼 완전한 복사본을 만드는 대신 오류를 검출하고 복구하기 위한 정보를 저장 한 장치를 두는 구성 방식
- 이때 오류를 검출하고 복구하기 위한 정보를 패리티 비트라고 함
- RAID 4에서는 패리티를 저장한 장치를 이용해 다른 장치들의 오류를 검출하고, 오류가 있다면 복구함
- RAID 4는 RAID 1 보다 적은 하드 디스크로도 데이터를 안전하게 보관가능함
 

 

RAID 5

- 패리티 정보를 분산하여 저장하는 방식
- RAID 4의 문제인 병목 현상을 해소 시킴
 

 

RAID 6

- 서로 다른 두 개의 패리티를 두는 방식
- 이는 오류를 검출하고 복구할 수 있는 수단이 두 개가 생긴 셈
- RAID 6는 4,5보다 안전한 구성임
- 새로운 정보를 저장할때 마다 함께 저장할 패리티가 두 개 이므로, 쓰기속도는 RAID 5 보다는 느림
- 데이터 지정 속도를 조금 희생하더라도 데이터를 더욱 안전하게 보관하고 싶을 때 사용하는 방식