HDD란?

Hard Disk Drive

    Hard Disk Drives, Disk Scheduling, RAID

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Hard Disk Drive

하드 디스크는 실제로 디스크로 이루어져있고 이 디스크를 돌리면서 Arm으로 데이터를 읽는 구조입니다.

구체적인 구조를 한번 볼까요?

이것은 HDD안의 Platter 입니다. Plater은 두개의 Surface를 앞뒤로 가지고 있죠.

각 Surface는 동심원들로 이루어져 있는데 이를 Track이라고 부릅니다.

Track은 gap으로 구분되는 Sector로 이루어져 있고 이 Sector에 데이터를 저장하게 됩니다.

 

그럼 정보는 어떻게 Read/Write 할까요?

 

• Surface는 track으로 이루어져있고 track은 Sector로 이루어져 있습니다.
• Disk platter들은 반 시계방향으로 움직입니다
• Arm의 Head는 적당한 Track을 찾기 위해 앞뒤로 움직입니다
• Head가 Track에 도착하면 Surface가 도는 동안 Controller가 정보를 읽습니다.

 

여기서 알 수 있는 사실은 정보를 찾는 과정에서 Delay가 발생한다는 것입니다.

만약 저희가 위 그림과 같이 Blue Sector를 읽고 Red Sector를 그다음에 읽으려 한다면

그 사이에 Seek Time이 또 발생할 것입니다.

 

이런 것을 고려하여 Disk Access Time은 어떻게 구할 수 있을까요?

 

• Seek time : 헤드가 알맞은 Track으로 가는데 걸리는 시간
  • 3~9 ms정도 걸림
• Rotational latency :  헤드가 알맞은 Sector로 가는 시간
  • T avg rotation = (1/2) x (1/RPMs) x (60 sec/1 min)
  • Typical rotation 은 7200 RPMs 정도 됩니다.
• Transfer time : Target Sector를 읽는데 걸리는 시간 
  • T avg transfer = (1/RPMs) x 1/(avg # sectors/track) x 1/(avg # sectors/track) 

 

을 더한 값이 바로 Disk Acces Time이 됩니다.

한번 실제로 구해 볼까요?

 

• Given : 
  • Rotational rate = 7200 RPM
  • Average seek time = 9 ms
  • Avg# sector/track = 400
• Calculate :
  • T avg rotation = 1/2 x (1/7200) x 60(sec) = 0.004 sec = 4ms
  • T avg transfer = 1/7200 x (1/400) x 60(sec) = 0.00002 sec = 0.02 ms
  • Disk Access Time = 9ms + 4ms + 0.02ms
• Important points :
  • Access time은 Seek Time과 Rotational latency가 Dominant 합니다
  • 그러니까 첫번째 bit를 찾는데 비용이 많이 들고 읽는 것은 매우 쉽다는 것이죠
  • SRAM은 4ns/doubleword 가 걸리고 DRAM은 60ns/doubleword가 걸리므로 Disk는 매우 느리다고 할 수 있습니다. (각 40,000배와 2,500배 정도 느림)

그럼 이것을 어떻게 Logical Disk Block으로 나타낼까요?

현대 아키텍쳐에서 매우 복잡한 Disk던, SSD던 간단하고 추상화된 Array로 저장공간을 표현합니다.

 

이 Logical Block으로 Mapping을 해주는 것은 Device 내부의 Firmware가 해줍니다. HDD로 예시를 들면 (Surface, track, sector) 로 변환이 되겠죠?

 

그렇다면 어떻게 Mapping하는 것이 좋을까요?

 

가까운 Sector를 Logical Block에서도 가깝도록 mapping해주는 것이 좋을 것입니다.

이렇게 구현하면 I/O access의 지역적인 특성을 나타내기 편합니다.

만약 Bad Sector가 나타난다면 Bad Sector와 인접한 섹터에 같은 Logical Block으로 map을 넘겨줍니다.

다만 이것은 I/O의 성능 저하 가능성이 있습니다.

 

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Disk Scheduling

Accesss time을 어떻게 해야 줄일 수 있을까요?

이는 Seek Time과 Rotational Latency를 줄여야 한다는 의미입니다.

 

일단 I/O Request가 어떻게 동작하는지 살펴볼까요?

 

I/O Request는 

 

Read할지 Write 할지

데이터를 올릴 Memory address

데이터를 가져올 Disk address (offset)

Number of sectors to transfer (length)

 

로 이루어져 있습니다.

이 Requests들은 즉시 처리되기도 하지만 만약 다른 Request가 있을 경우 I/O Queue에 저장됩니다.

이 I/O Queue를 어떤 순서로 처리할 것인지를 정하는 것이 바로 Disk Scheduling 입니다.

 

• FCFS : First Come 한것을 First Serve하는 모델로 제일 간단합니다. 
• SSTF : Shortest Seek Time First로 가장 Seek Time이 작은것을 먼저 처리합니다.
  • SJF CPU Scheduler처럼 몇몇 Seek Time이 멀 것으로 예상되는 바깥쪽 트랙에 대해서 Starvation문제를 일으킵니다.
• SCAN : 다른 말로 Elevator Algorithm이라고도 하며, 한 방향으로만 쭉 갔다가, 다른 방향으로 다시 쭉 가는 알고리즘입니다.
  • 만약 request가 새로 queue에 도착했는데 현재 Head의 위치와 가깝다고 하더라도 반대의 Direction을 가진다면 매우 오래 기다리게 된다는 문제가 있습니다.
  • 응답 시간이 양 끝이 가운데보다 느려 일관성이 없습니다.
• C-SCAN: 한 방향으로 가기는 하는데, 방향의 끝에 도달하면 바로 처음으로 돌아가서 같은 방향으로 갑니다, 즉 반대 방향으로는 절대 움직이지 않습니다.
  
  • 주목할 점은 중간에 들어오는 요청이 있어도 무시한다는 점입니다.

다음 중 어떤 Scheduling 알고리즘을 구할지는 tpye과 number of requests에 의해 결정됩니다.

• SSTF는 간단하고 자연스럽습니다
• SCAN과 C-SCAN은 Disk의 작업량이 몹시 많은 프로그램에 사용됩니다. Starvation 문제가 적기 때문이죠.

RAID

저희는 Disk를 한개만 놓고 보는것이 아닌 Array of Disk로 봅니다. RAID는 이 Disk중 어떤 것들에 접근할지 계산해줍니다.

RAID의 평가 기준은 다음과 같습니다.

• Reliability : 얼마나 많은 Disk faluts를 복원할 수 있는지
• Capacity : 얼마나 많은 용량을 시스템이 사용할 수 있는지
• Performance

그럼 RAID의 종류에 대해서 살펴볼까요?

• RAID 0

  

  • RAID 0은 모든 DISK를 각각 다른 정보를 저장하는데 사용합니다. 
  • Parity 정보나, 중복된 데이터 저장이나, 복원에 대한 정보는 전혀 저장되지 않습니다.
    • 장점 : Performance & Space efficiency (Capacity, Performance)
      
      • Space를 전부 사용하므로 Space efficiency값은 1입니다.
    • 단점 : high failure rate (Reliability)

      

• RAID 1

  

  
  
  • RAID1은 완전히 같은 copy data를 저장합니다. 극단적으로 n개의 RAID 1 Disk가 있다면 1개 빼고 전부 Copy Data를 저장합니다.
  • Array는 가장 작은 member의 disk 까지만 커질 수 있습니다.
    • 장점: Low failure rate(Reliability) 

    

    • 단점: Capacity & Performance

      

• RAID 4

  

  • RAID 4는 3개의 n-1개의 저장 블록과 한개의 parity block으로 나눕니다.
    • 장점: Relatively high (Reliability, Performance, Capacity)

      

• RAID 5

  

  •  RAID 5는 RAID 4와 다르게 Parity 전용 Disk 공간을 분리하여 두지 않습니다.
    • 더 나은 Random performance를 보입니다.
    • Parity Disk가 병목에 걸리지 않습니다.
• RAID 6

  

  
  
  • RAID 6은 RAID 5에 Parity bit를 한개 더 쓰는 것입니다.
    • RAID 5 보다 failure rate가 낮습니다.
    • 그렇지만 Parity bit를 두개 연산해야 하므로 Performance penalty가 있습니다.
    • 최근 시스템의 제일 유명한 방식입니다.