[운영체제] 12. Disk Management and Scheduling

Disk Structure

1) Logical Block

- 디스크의 외부에서 보는 디스크의 단위 정보 저장 공간들

- 주소를 가진 1차원 배열처럼 취급

- 정보를 전송하는 최소 단위

 

2) Sector

- Logical Block이 물리적인 디스크에 매핑된 위치

- Sector 0은 최외곽 실린더의 첫 트랙에 있는 첫 번째 섹터이다 (Booting과 관련됨)

 

Disk Management

1) Physical formatting (Low-level formatting)

header, trailer에 metadata 저장

- 디스크를 컨트롤러가 읽고 쓸 수 있도록 섹터들로 나누는 과정 (요즘은 미리 formatting되어 나온다)

- 각 섹터는 header + 실제 data(512B) + trailer로 구성

- header과 trailer는 secter number, ECC(Error-Correcting Code) 등의 정보가 저장되며 controller가 직접 접근 및 운영

 

* ECC

데이터를 작게 요약한 fingerprint를 함께 저장하여 데이터 꺼낼 때 비교. 주로 해시 함수 사용

상당한 양의 에러를 잡아낼 수 있으며, 규모에 따라 데이터의 수정까지도 가능하다

 

2) Partitioning

디스크를 하나 이상의 실린더 그룹으로 나누는 과정

- physical formatting 이후에 섹터 영역을 묶어 하나의 독립적인 디스크로 만드는 과정 ex) C, D 드라이브

- OS는 이것을 독립적 disk로 취급한다(logical disk)

 

3) Logical formatting

파일 시스템을 만드는 것

- FAT, inode, free space 등의 구조 포함

 

4) Booting

- ROM(비휘발성)에 있는 "small bootstrap loader"가 CPU에 의해 instruction 형태로 실행

- sector 0 (boot block)을 load하여 실행

- sector 0은 "full bootstrap loader program"

- OS를 disk에서 load하여 실행

 

Disk Scheduling

1) Access time

- Seek time : 헤드를 해당 실린더로 움직이는 시간 (가장 오래 걸림)

- Rotational Latency : 헤드가 원하는 섹터에 도달하기까지 걸리는 시간 (seek time의 1/10)

- Transfer time : 실제 데이터의 전송 시간

 

2) Disk bandwidth

단위 시간 당 전송된 바이트의 수

 

3) Disk scheduling

- seek time을 최소화하는 것이 목표 (한 번의 seek로 최대한 많은 데이터를 transfer)

- seek time = seek distance

 

Disk Scheduling Algorithm

1) FCFS (First Come First Service)

- 들어온 순서대로 처리. 비효율적

 

2) SSTF (Shortest Seek Time First)

- queue에 들어온 요청 중 현재 head에 가장 가까운 위치의 요청을 먼저 처리 -> 이동 거리가 줄어든다

- starvation 발생 가능 (멀리 있는 것)

3) SCAN (Elevator scheduling)

- 큐에 어떤 요청이 들어왔던 디스크 한 쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하며 가는 길목에 있는 모든 요청 처리

- disk head의 이동 거리도 줄어들고 starvation도 발생하지 않는다

- 실린더 위치에 따라 대기 시간이 다르다 (가운데 부분은 양쪽 가장자리보다 적게 기다림)

 

4) C-SCAN (Circular SCAN)

- 다른쪽 끝에 도달했으면 큐에 있는 요청을 처리하지 않고 곧바로 출발점으로 다시 이동

- 이동 거리는 길어질 수 있지만 SCAN보다 균일한 대기 시간을 제공한다

 

5) N-SCAN 

- 일단 disk head가 한 방향으로 움직이기 시작하면 그 시점에 들어온 요청은 되돌아올 때 처리

* SCAN : 가는 도중에 들어온 요청도 처리

 

6) LOOK & C-LOOK

- head가 진행 중인 방향에 더 이상 기다리는 요청이 없으면 헤드의 이동 방향을 즉시 반대로 돌림

 

Disk Scheduling Algorithm의 결정

1) SCAN, C-SCAN 기반 알고리즘 사용: LOOK, C-LOOK 등이 일반적으로 DISK I/O가 많은 시스템에서 효율적

2) File의 할당 방법에 따라 디스크 요청이 영향을 받는다

  - 연속 할당 : 이동 거리가 더 줄어든다

  - 산발적 할당 : 이동 거리 증가

3) merge해서 한꺼번에 처리함으로써 disk I/O의 효율을 높인다

4) 필요할 경우 다른 알고리즘으로 쉽게 교체할 수 있도록 OS와 별개의 모듈로 작성

 

Swap-Space Management

1. DISK를 사용하는 두 가지 이유

1) 메모리의 휘발성(volatile)

- file system 처럼 영속적으로 데이터 유지하는 경우 DRAM이 아닌 DISK에 저장해야 한다

 

2) 프로그램 실행을 위한 memory 공간 부족

- 물리적 메모리 및 DRAM 메모리 공간 부족 (high multiprogramming degree)

- 메모리의 연장 공간으로 DISK를 사용하며, swap area의 용도로 쓰인다

 

2. Swap-space

1) virtual memory system에서는 DISK를 memory의 연장 공간으로 사용

 

2) file system 내부에 둘 수도 있으나 별도의 partition 사용이 일반적임

- swap area에 저장되는 데이터들은 프로그램이 끝나면 사라지는 내용 (공간 효율성 < 시간 효율성)

- 일반 파일보다 훨씬 짧은 시간만 존재하고 자주 참조됨

- 쫓겨날 때도 가능한 빠르게 DISK에서 써줘야 함

- page fault가 나서 swap area에 있는 것을 MEM에 올릴 때도 빠르게 올려야 함

 

3) 디스크에 접근하는 대부분의 시간은 seek time

> seek time 줄이기 위해 큰 단위로 swap area에 올리고 내림 (보통 512KB)

 

RAID (Redundant Array of Independent Disks)

여러 개의 디스크를 묶어서 사용

 

사용 목적

1. DISK 처리 속도 향상

- 여러 DISK에 block의 내용을 분산 저장

- 병렬적으로 읽어 옴(interleaving, striping)

 

2. 신뢰성 (reliability)의 향상

- 동일 정보를 여러 개의 DISK에 중복 저장

- 하나의 DISK가 고장 시 다른 DISK에서 읽어옴 (mirroring, shadowing)

- 단순한 중복 저장이 아니라 일부 DISK에 parity를 저장하여 공간의 효율성을 높일 수 있다

 

* parity

중복 저장의 양을 낮추고, 오류가 생겼을 때 이를 체크할 수 있도록 함

ex) hash 함수