0. Introduction

• 해당 내용은 운영체제와 정보기술의 원리 -반효경 지음- 와 kocw 이화여자대학교 운영체제 - 반효경 교수 -를 보고 정리한 내용이다.
• 정확하지 않은 내용이 있다면 말씀해주시면 감사하겠습니다.

1. 디스크의 구조

• 디스크(disk): 컴퓨터 시스템의 대표적인 2차 저장장치
  • memory는 volatile(휘발성) 저장장치이지만, disk는 영구 보관할 수 있는 2차 저장장치
• 디스크의 효율적인 관리를 위해 디스크 스케쥴링 기법 과 저전력 디스크 관리 기법 에 대해 알아보자.
• 또한, 엘리베이터 scheduling 문제를 통해 쉽게 이해해보자.

1.1 논리 블록(logical block) 단위

디스크 외부(=컴퓨터 host의 내부)에서 보는 디스크의 단위 정보 저장 공간들을 말한다. 내부에서는 sector로 바라본다.

• 주소를 가진 1차원 배열처럼 취급

  • host에서 disk의 정보를 읽을 때, sector 몇 번지가 아니라 1차원 배열에서 몇 번째 있는 정보를 달라고 요청한다.

• 정보를 전송하는 최소 단위

  • disk에 데이터 저장과 disk 외부로의 입출력은 논리 블록 단위로 저장 및 전송이 이뤄진다.

• 어떻게 논리 블록의 저장된 데이터에 접근하는가??

  • 해당 블록의 index 번호를 disk controller에 전달 → disk controller가 대응되는 sector를 찾아 요청 데이터에 대한 입출력 작업을 수행

1.2 디스크의 물리적 구조

• 디스크의 물리적인 구조: 마그네틱의 원판 으로 구성

• 원판 = 트랙(track) 으로 구성

  • 트랙(track) = 섹터(sector) 로 구성

• 논리블록 단위의 disk 내에 물리적인 위치 = 섹터(Sector)

  • 논리 블록 하나가 섹터 하나와 1대1 매핑되어 저장되기 때문
  • sector 0: 최외곽 실린더의 첫 트랙에 있는 첫 번째 섹터

• 실린더(Cylinder)

  • 상대적 위치가 동일한 트랙들의 집합
  • track과 거의 유사하게 사용

• 암(Arm) = disk의 data를 읽고 쓰기 위해서, 해당 섹터가 위치한 실린더로 이동하는 장치

• 헤드(head) = 암에 붙어있는 data를 읽고 쓰는 장치

• Partitioning

  • disk를 하나 이상의 실린더 그룹으로 나누는 과정
  • OS는 이것을 독립적인 disk 로 취급(logical disk)

1.3 Booting

• Logical formatting

  • 파일 시스템을 만드는 것
    • 컴퓨터 전원을 키면 이 파일 시스템에 있는 운영체제가 메모리에 올라와서 booting
  • FAT, inode, free space 등의 구조 포함

• Booting 의 간결한 절차 순서

disk에 CPU가 직접 접근하지 못 하는데 어떻게 접근하는가???

• 전원 on -> CPU가 ROM의 small bootstrap loader가 실행 ->
  • ROM: 전원이 나가도 기억하는 소량의 memory
  • small bootstrap loader: booting을 위한 loader
• small bootstrp loader의 지시에 의해 sector 0 (boot block)을 memory에 load하여 실행->
  • 이 sector 0은 어떤 파일 시스템이든 공통이기 때문에, 이 sector 0에 있는 boot block을 메모리에 올려서 실행한다.
• OS를 disk에서 load하여 실행
  • boot block이 file system에서 OS의 kernel 위치를 찾아서 memory에 올려서 실행하라고 지시한다.

2. 디스크 스케쥴링

2.1 접근시간(Access time)의 구성

탐색시간(seek time), 회전지연시간(rotational latency), 전송시간(transfer time)으로 구분

• 탐색시간(seek time)

  • disk head를 해당 실린더 위치로 이동시키는데 걸리는 시간

• 회전지연시간(rotational latency)

  • 디스크가 회전해서 읽고 쓰려는 섹터가 헤드 위치에 도달하기까지 걸리는 시간

• 전송시간(transfer time)

  • 해당 sector가 head 위치에 도달한 후, data를 실제로 sector에 읽고 쓰는 데 소요되는 시간

• disk I/O에 소요되는 접근시간 최소화 ⇒ disk I/O 효율 상승

  • 회전지연시간, 전송시간은 OS가 통제하기 힘들다.
  • 그래서, 탐색시간 을 줄이기 위해 헤드의 움직임을 최소화하는 스케쥴링 작업을 실행한다.

2.2 Disk scheduling 작업

효율적인 disk I/O를 위해 여러 sector들에 대한 I/O 요청이 들어왔을 때, 이들을 어떤 순서로 처리할지 결정하는 mechanism

• 목표: disk head의 이동거리를 줄이는 것
  • seek time을 최소화하는 것과 유사

2.2.1 FCFS(First Come First Served) scheduling

디스크에 먼저 들어온 요청을 먼저 처리하는 방식

• 은행창구처럼 고정된 장소에서 이뤄지는 게 아니라, 데스크 헤드가 움직이면서 서비스를 하기 때문에, 비효율적
• 그룹화를 하지 않고 진행하기 때문.

2.2.2 SSTF(Shortest Seek Time First) scheduling

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

• 문제점: 기아 현상(starvation)

  • 헤드 위치에서 멀리 떨어진 곳의 요청은 무한히 기다려야 하는 문제가 발생

• 이동거리 측면에서 가장 우수한 알고리즘은 아니다.

2.2.3 SCAN algorithum

head가 disk 원판의 안쪽 끝과 바깥쪽 끝을 오가며, 그 경로에 존재하는 모든 요청을 처리

• 엘리베이터에서 사용하는 스케쥴링 알고리즘과 유사

  • elevator scheduling algorithum 이라 불리기도 한다.

• 효율성과 형평성을 모두 만족하는 알고리즘

  • FCFS처럼 불필요한 헤드의 이동 발생 X
  • SSTF처럼 starvation 현상 발생 X

• 문제점

  • 이동 거리 측면에서 효율적이나, 모든 실린더 위치의 기다리는 시간이 공평한 것 X
  • 제일 안쪽과 바깥쪽 위치보다 가운데 위치가 기다리는 평균시간이 더 짧기 때문

2.2.4 C-SCAN algorithum

출발점에서 다른 쪽 끝으로 이동하며 가는 길목에 있는 모든 요청을 처리하는 것까지 SCAN과 동일하나, 다른 쪽 끝에 도달해 원래 출발점 방향으로 이동할 때, 요청을 처리하지 않고, 바로 이동만 한다.

• SCAN algorithum을 개선한 것으로, circular-SCAN의 줄임말이다.
• 장점: 이동거리는 조금 길어지지만, 균일한 탐색시간을 제공

2.2.5 LOOK and C-LOOK algorithum

head가 한쪽 방향으로 이동하다가 그 방향에 더 이상 대기 중인 요청이 없으면 head의 이동 방향을 즉시 반대로 바꾸는 scheduling 방식

• SCAN과 C-SCAN을 개선한 방식
• 진행 방향에 요청이 있는지 살핀 후, 이동하기 때문에 LOOK 이라 한다.
• 지금까지 살펴본 디스크 스케쥴링 기법들 중 LOOK 과 C-LOOK 등의 알고리즘이 많은 시스템에서 FCFS 와 SSTF에 비해 더 효율적인 것으로 알려져있다.

3. Swap-space management

• Disk를 사용하는 두 가지 이유

  • Memory의 volatile 특성 -> file system
  • 프로그램 실행을 위한 memory 공간 부족 -> swap space (swap area)

• Swap space

  • Virtual memory system에서는 디스크를 memory의 연장 공간으로서 사용
  • 파일 시스템 내부에 둘 수도 있으나, 별도 partion 사용이 일반적
    • 공간 효율성보다는 속도 효율성이 우선
      • process가 끝나면 다 사라져버리는 내용이기 때문에, 공간효율성보다는 속도 효율성이 중요하다.
    • 일반 파일보다 훨씬 짧은 시간만 존재하고 자주 참조된다.
    • 따라서, block의 크기 및 저장 방식이 일반 파일 시스템과 다름

4. 다중 디스크 환경에서의 스케쥴링(RAID)

• RAID(Redundant Array of Independent Disks)

  • 여러 개의 disk를 묶어서 사용

• 어디서 다중 디스크를 사용하는가???

  • 동시 사용자가 많은 서버에서는 다수의 disk를 함께 사용한다.

• RAID의 사용 목적과 장점

  • 디스크 처리 속도 향상

    • 여러 disk에 block의 내용을 분산 저장
    • 병렬적으로 읽어온다.

  • 신뢰성(Reliability) 향상

    • 동일 정보를 여러 디스크에 중복 저장 -> 동시 서비스 가능
    • 하나의 디스크가 고장 시, 다른 디스크에서 읽어온다.
    • 단순한 중복 저장이 아니라, 일부 디스크에 parity를 저장하여 공간의 효율성을 높일 수 있다.

• 다중 디스크의 문제와 스케쥴링 목적

  • 다중 디스크 환경에서는 어느 디스크에서 요청을 처리할지 결정하는 스케쥴링 문제까지 포함
  • 다중 디스크 환경에서의 스케쥴링 목적: 부하 균형(load balancing)을 이루면서 확장성 있는 서비스가 목표
    • 일부 디스크가 과부하에 걸리지 않도록, 모든 디스크에 골고루 분배하도록 스케쥴링

• 다중 디스크 스케쥴링의 또 다른 목표: 전력 소모 감소

  • 하나의 디스크로부터 요청을 충분히 감당할 수 있을 때, 다른 디스크들의 회전은 정지하는 게 효율적
  • 유사한 예시: 그룹 엘리베이터
    • 이웃한 여러 대의 엘리베이터가 독립적으로 운영되는 게 아니라, 동일한 제어 시스템에 의해서 공동으로 운영된다.
    • 목표: 다수의 승객이 오래 기다리지 않고, 빠른 서비스를 받는 시스템의 확장성
    • 사용자가 적을 경우, 한 대의 엘리베이터로 운행하는 게 효율적

5. 디스크의 저전력 관리

5.1 비활성화 기법

• 디스크의 상태는 전력소모를 기준으로 4가지 상태로 나뉜다.

  • 활동(active) 상태: 현재 head가 data를 읽거나 쓰고 있는 상태
  • 공회전(idle) 상태: disk가 회전 중이지만, data를 읽거나 쓰지 않는 상태
  • 준비(standby) : disk 회전하지 않지만, interface가 활성화된 상태
  • 휴면(sleep) 상태: disk 회전 X, interface 비활성화

• 활성 상태와 비활성 상태

  • 활성 상태 = active + idle
  • 비활성 상태 = standby + sleep

• 전력 소모 관점에서의 상태

  • 전력 소모가 비활성 상태일 때, 더 적다.

  • 각 상태로 전환 시, 부가적인 전력 및 시간 소모된다.

  • 후속 요청까지의 시간 간격이 일정 시간 이상이어야만, 디스크의 회전을 정지시키는 것이 전력 소모 절감에 효과적

  • 비활성화 시점을 결정하는 게 중요하다는 것

• 디스크 비활성화 시점 결정 방법

  • 시간기반(timeout based): 일정 시간 동안 디스크가 공회전 상태이면 장치를 정지 → 요청이 들어오면 디스크 활성화
  • 예측기반(prediction based): 과거 요청을 관찰하여, 다음 공회전 구간의 길이를 예측 후, 비활성화 시점 결정
  • 확률기반(stochastic based): 확률분포를 사용

5.2 회전속도 조절 기법

• 디스크의 회전속도(RPM)를 가변적으로 조절하는 기법
• OS는 시스템 자원과 부하를 포괄적으로 볼 수 있기 때문에, 하드웨어 혼자보다 더 많은 전력 절감 효과 얻음
• 멀티미디어 환경에서는 미래의 참조 예측이 비교적 정확해서 전력 소모를 줄일 수 있다.

5.3 디스크의 데이터 배치 기법

• 데이터의 복제본을 많이 만들어, 헤드 위치에서 가까운 복제본에 접근하여 빠른 응답시간과 전력 소모량 절감을 얻는 FS2 file 시스템(free space file system)

5.4 버퍼캐싱 및 사전인출 기법

• 전제:미래에 요청할 데이터를 미리 알거나, 어느 정도 예측할 수 있다면
  • 활성 상태일 때 헤드 위치로부터 가까운 데이터를 사전 인출하여, 디스크의 비활성화 가능성을 높여 전력 소모를 줄임

5.5 쓰기전략을 통한 저전력 디스크 기법

• 디스크가 비활성화 상태일 때는 기다리다가, 활성 상태일 때 쓰는 방식으로 전력 소모를 줄이는 방안

Reference

• kocw 이화여자대학교 운영체제 - 반효경 교수 -
• 운영체제와 정보기술의 원리 - 반효경 지음 -