[혼공컴운] 보조기억장치

개요
1. 다양한 보조기억장치
- 하드디스크
- 플래시 메모리
2. RAID의 정의와 종류
- RAID의 정의
- RAID의 종류

 

✅ 다양한 보조기억장치

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보조기억장치는 대중적으로 하드 디스크와 플래시 메모리가 있으며 흔히 사용되는 USB, SD카드, SSD와 같은 저장장치를 말합니다.

 

📦 하드 디스크

자기적인 방식으로 데이터를 저장하는 보조기억장치로 자기 디스크의 일종으로 지칭하기도 한다. 동작을 LP나 CD와 비슷하게 동작하며 동그란 원판에 데이터를 저장하고 뾰족한 리더기로 회전하는 원판에 데이터를 읽는다. 

• 플래터: 실질적으로 데이터가 저장되는 곳(동그란 원판)으로 수많은 N극과 S극을 저장하며 N극, S극은 0과 1의 역할을 한다.
• 스핀들: 플래터를 회전시키는 구성 요소
• RPM: 스핀들이 플래터를 돌리는 속도로 분당 회전수를 나타내는 단위로 쓰인다. (Revolution Pre Minute)
• 헤드: 플래터를 대상으로 데이터를 읽고 쓰는 구성 요소로 플래터 위에 미세하게 떠 있는 바늘 같은 부품이다.
• 디스크 암: 헤드를 원하는 위치로 이동시키는 구성 요소로 헤드가 부착되어 있다.

하드 디스크

 

플래터의 데이터 저장 방식

트랙과 섹터라는 단위로 데이터를 저장하며 플래터를 여러 동심원으로 나누었을 때 하나의 원을 트랙이라고 하고 트랙을 피자조각처럼 나누었을 때 한 조각을 섹터라고 한다.

섹터는 하드디스크의 가장 작은 전송 단위로 일반적으로 512byte 정도의 크기를 가지고 있지만 하드 디스크별로 상이하다.

하드 디스크는 여러겹의 플래터로 구성이 되어 있는데 이때 하나의 플래터에서 트랙이 아래에 있는 나머지 플래터와 같은 위치로 묶었을 때 그것을 실린더라 하며, 연속된 정보는 보통 한 실린더에 기록된다.(네 개의 섹터에 걸쳐 데이터를 저장할 때 첫번째 플래터의 윗면, 아랫면, 두번째 플래터의 윗면, 아랫면에 저장) 이는 통해 디스크 암이 움직이지 않고 데이터에 접근할 수 있다.

하드 디스크 - 저장단위 및 트랙과 실린더

 

데이터에 접근하는 과정

• 탐색 시간: 접근하려는 데이터가 저장된 트랙까지 헤드를 이동시키는 시간
• 회전 지연: 헤드가 있는 곳으로 플래터를 회전시키는 시간
• 전송 시간: 하드 디스크와 컴퓨터 간에 데이터를 전송하는 시간

 

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📦 플래시 메모리

USB, SD 카드, SSD와 같은 보조기억장치가 대표적인 플래시 메모리 기반의 장치이며 전기적으로 데이터를 읽고 쓸 수 있는 반도체 기반의 저장 장치이다. 주기억장치인 ROM에도 사용되며 거의 모든 전자 제품 안에 내장되있다고 해도 무방하다. 

• 셀: 플래시 메모리의 단위로 셀이 모여 MB, GB, TB 용량을 가지는 저장 장치가 된다. 한 셀에 일정 횟수 이상 데이터를 쓰고 지우면 그 셀은 더 이상 데이터를 저장할 수 없기에 플래시 메모리는 일정 수명을 가진다.
• 종류: 한 셀에 몇 비트를 저장할 수 있는지에 따라 SLC, MLC, TLC.. 으로 나뉜다.

 

SLC (Single Level Cell)

홀로 거주하는 집에 제약 없이 출입 가능하듯 다른 타입에 비해 빠른 입출력이 가능하다. 용량 대비 가격이 높으며 흔히 기업에서 고성능의 빠른 저장장치가 필요한 경우 사용한다.

 

MLC (Multiple Level Cell)

SLC에 비해 속도와 수명은 떨어지지만 대용량화하기에 유리하다는 장점이 있다. 또한 용량 대비 가격이 SLC에 비해 저렴하며 시중에서 많이 사용된다.

 

TLC (Triple Level Cell)

MCL보다도 대용량화에 유리하며 가격도 저렴하다

 

셀보다 더 큰 단위

플래시 메모리는 읽기와 쓰기는 페이지 단위로 일어나지만 삭제는 블록 단위로 일어난다는 특징을 가지고 있다. 이때 페이지는 Free, Valid, Invalid 3가지의 상태를 가질 수 있으며 각각은 아래와 같은 의미를 가진다.

• Free: 데이터를 저장하고 있지 않아 새로운 데이터를 저장할 수 있는 상태 
• Valid: 이미 유효한 데이터를 가지고 있는 상태
• Invalid: 쓰레기값이라 부르는 유효하지 않은 데이터를 저장하고 있는 상태(하드 디스크와 달리 덮어쓰기가 불가능하여 Valid 상태에는 새 데이터를 저장할 수 없다.)

 

동작 과정

플래시 메모리는 읽기와 쓰기 / 삭제가 각각 다른 단위로 일어나기에 수정을 하는 과정에서 어떻게 이루어지는지 알아보자

C라는 데이터를 블록 X에 저장할 때에는 자연스럽게 페이지 단위로 C가 저장이 된다. 이후에 새롭게 A라는 데이터를 수정하고 싶을 때에는 기존에 있는 데이터를 변환하는 것이 아닌 새롭게 A'가 생기고 A가 Invalid 상태가 된다. 이렇게 되면 쓸 데 없는 A가 데이터를 차지하게 되는데 이러한 것을 막기 위해 가비지 컬렉션을 통해서 유효한 페이지만을 모아서 새롭게 복사해서 블록 Y를 만들고 기존 블록 X를 삭제한다.

 

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✅ RAID의 정의와 종류

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1TB 하드디스크 4개(RAID)와 4TB 하드디스크 한 개의 성능을 비교했을 때 하드디스크 4개로 RAID를 구성하는 것이 성능과 안정성이 뛰어난데 왜인지 알아보겠습니다.

 

📦 RAID의 정의

하드 디스크와 SSD를 사용하는 기술로 데이터의 안정성과 높은 성능을 위해 여러 개의 물리적 보조기억장치를 마치 하나의 논리적 보조기억장치처럼 사용하는 기술이다.

• 단순히 정보를 저장하기만해서는 개인정보, 결재 정보와 같은 민감한 정보에 대해서는 부족한 해법이기에 이를 해결하기 위해서 RAID를 사용한다.

 

📦 RAID의 종류

RAID 0

단순히 여러개의 보조기억장치에 나누어 저장하는 구성방식으로 어떠한 데이터를 저장할 때 번갈아 가며 데이터를 저장하며 이때 줄무늬처럼 분산되어 저장된 데이터를 스트라입이라 하고, 이러한 저장방식을 스트라이핑이라고 한다.

스트라이핑 된 데이터는 읽고 쓰는 속도가 빨라지고, 읽고 썼을 데이터를 동시에 할 수 있기에 이론상 한 개의 저장장치보다 4배 빠르다 (1TB 4개 vs 4TB 1개)

단점으로는 저장된 정보가 안전하지 않아 구성된 하드 디스크 중 하나에 문제가 생긴다면 다른 모든 하드 디스크의 정보를 읽는데 문제가 생길 수 있어 이러한 단점을 극복하고자 등장한 것이 RAID 1이다.

 

RAID 1

복사본을 만드는 방식으로 미러링이라고도 부른다 RAID 0 처럼 데이터 스트라이핑이 되지만 어떠한 데이터를 쓸 때 원본과 복사본 두 군데에 쓰기에 RAID 0보다 느리다.

하지만 복구가 매우 간단하다는 장점을 통해 RAID의 단점을 극복하였다.

RAID는 4배 빠른 속도 4TB의 용량을 사용했다면 RAID는 2TB의 용량밖에 사용하지 못한다는 단점이 있기에 비슷한 성능을 위해서는 많은 하드 디스크가 필요하고 이는 비용가 용량이 증가한다는 단점이 있다.

 

RAID 4

RAID 1처럼 완전 복사하는 미러링 방식 대신 오류를 검출하고 복구하기 위한 정보를 저장한 장치를 두는 방식으로 이러한 정보를 패리티 비트라 한다.

이 장치를 통해 RAID 1보다 적은 하드 디스크로 데이터를 안전하게 보관할 수 있다.

 

RAID 5

RAID 4에서 새로운 데이터가 저장될 때마다 패티리를 저장하는 디스크에도 데이터를 쓰게 되므로 패리티를 저장하는 장치에 병목 현상이 발생한다는 문제가 있었다 그렇기에 RAID에서는 패리티 정보를 분산하여 저장하여 병목현상을 해소하게 되었다.

 

RAID 6

기본적으로 RAID 5와 동일하나 두 개의 패리티를 두는 방식으로 보다 나은 안정성을 제공하지만 패리티가 두 개이기에 쓰는 속도는 RAID보다 느리다.

 

이외에도 다양한 RAID 레벨을 혼합한 방식이 있으며 상황에 따라 사용하면 된다.