[OS] Secondary Storage Structure(Disk, 디스크)

운영체제는 사용자와 하드웨어(디스크) 사이의 중재자 역할을 하며, 디스크의 물리적 세부사항을 추상화하여 파일 시스템이나 메모리 관리 기능을 구현한다. 디스크 구조를 이해하는 것은 I/O 성능이나 디스크 스케줄링, 스왑 공간 같은 주요 기능을 이해하는 데 필수이다.

Disk Structure(디스크 구조)

디스크 접근 시간(Disk Access Time)

운영체제가 디스크에서 데이터를 읽을 때 걸리는 시간은 다음과 같이 계산된다.

• 디스크 접근 시간 = 포지셔닝 시간 + 전송 시간
• 포지셔닝 시간 : 디스크 헤드를 원하는 위치로 이동시키는 시간
  • 탐색 시간(Seek Time) : 헤드를 해당 실린더로 이동
  • 회전 지연(Roatational Latency) : 원하는 섹터가 헤드 아래로 올 때까지 대기
• 전송 시간 : 디스크에서 메모리로 데이터를 보내는 시간

운영체제는 이 값을 최소화하기 위해 디스크 스케줄링 알고리즘을 사용한다.

디스크의 추상화 : 섹터(Sector)와 블록(Block)

운영체제는 하드웨어의 복잡한 구조를 다음과 같이 단순화해서 사용한다. :

• 디스크는 OS 입장에서 1차원 배열처럼 보인다.
• 실제로는 각 섹터는 [실린더 번호, 트랙 번호, 섹터 번호]로 매핑된다.
• OS는 이러한 물리 주소를 거의 직접 다루지 않고, 논리 블록 번호(LBA) 기준으로 관리한다.
• 블록 또는 섹터는 운영체제가 디스크에 접근할 때 사용하는 최소 단위이다.

디스크 컨트롤러(Disk Controlloer)

운영체제는 직접 디스크에 접근하지 않고, 대신 디스크 컨트롤러를 통해 요청을 전달한다.

• 컨트롤러는 OS의 명령을 받아 하드웨어에 전달한다.
• I/O 요청 큐를 관리하며, 어느 요청을 먼저 처리할지 정한다.
• 캐시(Buffer) 기능도 포함 -> 같은 요청 반복 시 빠르게 응답이 가능하다.

운영체제는 디바이스 드라이버를 통해 컨트롤러와 통신한다.

디스크 회전 방식과 데이터 배치

• CLV(Constant Linear Velocity) : 트랙이 바깥쪽으로 갈수록 길어진다. -> 더 많은 데이터를 저장함. 디스크 회전 속도를 계속 조절해야한다. (예: CD-ROM, DVD-ROM)
  • 바깥쪽 트랙은 길이가 길지만 데이터 밀도는 일정하게 유지된다.
  • 회전 속도를 조절하여 일정한 전속 속도를 유지한다.
  • 운영체제가 이를 직접 제어하진 않지만, 일정한 읽기 속도를 기대할 수 있다.
• CAV(Constant Angular Velocity) : 디스크는 일정 속도로 회전하지만, 바깥쪽 트랙일수록 더 많은 섹터를 저장할 수 있다. OS는 이런 구조를 활용해서 성능 최적화가 가능하다.(예: HDD, 플로피디스크)
  • 회전 속도는 일정하지만, 바깥쪽 트랙은 더 많은 데이터를 담을 수 있다.
  • OS는 바깥쪽 트랙을 우선적으로 사용해서 성능을 높이기도 한다.
• 디스크 용량 늘리는 방법(벤터 관점) : 운영체제는 디스크의 용량이나 속도를 직접 개선하지 않지만, 디스크의 구조가 바뀌면 OS도 그에 맞게 대응해야 한다.
  • 섹터 수 증가 : 한 트랙당 섹터 수를 늘리면 더 많은 데이터를 저장 가능하다.
  • 실린더 수 증가 : 트랙 수 자체를 늘림으로써 용량을 증가시킨다.

운영체제는 이런 구조를 추상화해서 논리 블록 번호(LBA) 기반으로 접근한다. 즉, “섹터 100번”이 어디 있는지 OS가 몰라도된다. 컨트롤러와 하드웨어가 알아서 처리한다.

Disk Scheduling(디스크 스케줄링)

운영체제에서 디스크는 속도가 느린 자원이다. 특히 디스크에 접근하는 요청이 많을수록 성능 병목(bottleneck)이 생길 수 있다. 예를 들어, 여러 프로세스가 동시에 파일을 읽거나 쓸 때, 디스크는 순차적으로 처리할 수밖에 없다. 디스크는 기계적인 움직임이 필요한 장치이기 때문에, 요청 처리 순서가 전체 성능에 큰 영향을 준다. 운영체제는 요청 큐(request queue)를 정렬하여 최적의 순서로 처리한다.

디스크 I/O 요청 처리 흐름 : 프로세스 → 시스템 콜(read/write) → 파일 시스템 → 버퍼 캐시 → 디스크 드라이버 → 요청 큐 → 디스크

• 각 요청은 특정 블록(예: B0, B2 등)을 읽거나 쓰기 위한 것

• 운영체제는 이 요청들을 디스크 요청 큐에 쌓아두고, 스케줄링 알고리즘을 통해 처리 순서를 결정한다.

• 디스크 접근 시간 최적화 기준
  • Seek Time : 디스크 암을 원하는 실린더로 이동하는 시간(기계적 움직임으로 가장 느리다.)
  • Rotational Time : 섹터가 디스크 헤드 아래로 올 때까지 기다리는 시간(회전 지연)
• 주요 스케줄링 알고리즘

운영체제는 디스크의 사용 목적(파일 서버, DB 서버, 일상용 등)에 따라 가장 적합한 알고리즘을 선택해 사용한다.

First Come, First Service(FCFS)

• 요청 순서대로 처리를 한다.
• 성능은 최악(비효율적인 이동이 발생한다. 예: 183 -> 37)

Shortest-Seek-Time-First(SSTF)

• 현재 디스크 헤드의 위치에서 가장 가까운 요청부터 처리하는 알고리즘
• 디스크 헤드가 위치한 지점에서 가장 이동 거리가 짧은 요청을 선택한다.
• 일종의 탐욕적(greedy) 알고리즘
• 평균 Seek Time이 짧고 빠른 응답시간으로 SSTF는 단일 사용자 환경이나 가벼운 워크로드에서 많이 사용된다.
• 단점 : Starvation 문제 발생 : 요청 큐에 183번 요청이 존재하는 경우 183번보다 현재 디스크 헤드의 위치에서 가까운 요청이 들어오면, 디스크 헤더가 183번으로 영원히 가지 않는 상황이 발생된다.

SCAN

• 디스크 암(헤드)은 한 방향으로 쭉 이동하면서, 그 방향에 있는 요청들을 순차적으로 처리하고, 끝에 도달하면 방향을 바꿔 반대 방향으로 또 요청들을 처리하는 방식이다.(엘리베이터 방식으로도 불림)
• Starvation 문제가 발생하지 않는다.
• 연속적인 요청에 강하다.(데이터가 순차적으로 저장될 때 효과적이다.)

C-SCAN

• 디스크 헤드는 한 방향으로 요청을 처리하고, 끝에 도달하면 처음으로 되돌아가되, 돌아가는 길에는 아무 요청도 처리하지 않는다.
• 처리 방향은 단방향이고, 돌아가는 과정은 리셋 느낌이고 요청을 무시한다.

LOOK and C-LOOK

LOOK과 C-LOOK은 SCAN/C-SCAN의 “불필요한 끝까지의 이동”을 제거한 버전이다.

• LOOK은 SCAN처럼 양방향 처리를 하지만, 실제로 요청이 있는 마지막 트랙까지만 가고, 거기서 방향을 바꾼다.
• C-LOOK은 C-SCAN처럼 단방향으로만 처리하지만, 처리 가능한 가장 먼 요청까지만 이동하고, 다시 맨 처음 요청이 있는 곳으로 점프한다.(그 사이 요청들은 모두 무시)

Disk Formatting(디스크 포맷팅)

Low-Level Formatting(물리적 포맷)

디스크를 섹터 단위로 나누는 작업, 하드웨어 수준에서 수행된다.

• 디스크가 데이터를 저장할 준비를 하는 가장 기초적인 단계이다.
• 각 섹터에 다음과 같은 구조가 만들어진다.

• Header/ Trailer는 디스크 컨트롤러가 사용하는 정보를 포함한다. :
  • 섹터 번호
  • 오류 정정 코드(ECC)
• 이 과정은 보통 제조 단계 또는 펌웨어 수준에서만 수행되고, 사용자가 직접 실행하는 경우는 거의 없다.

Partition + Logical Formatting(운영체제의 포맷)

운영체제는 디스크를 실제로 사용하기 위해 아래 두 단계가 더 필요하다.

• Partitioning(파티셔닝)
• 디스크를 여러 개의 논리 구간(파티션)으로 나눈다.
• 각 파티션은 독립된 디스크처럼 사용 가능하다. (예: C:드라이브, D:드라이브)
• Logical Formatting(논리 포맷)
• 각 파티션에 파일 시스템 구조를 설치 (에: superblock, inode table, free space bitmap 등)

  이 작업을 통해 디스크는 파일을 읽고 쓰는 논리적 단위로 사용 가능해진다.

전체 포맷의 정의(Full File System Formatting)

• Low-level formatting + logical formatting(+Partition)

운영체제는 포맷된 디스크에만 파일 시스템을 설치할 수 있고, 이를 통해 파일 단위로 읽기/쓰기 연산을 수행할 수 있다.

Disk Cache(디스크 캐시)

디스크 캐시는 디스크의 일부 데이터를 임시로 저장하는 고속 메모리 공간이다. 보통 DRAM이나 SSD 내장 메모리에 위치하며, 디스크 컨트롤러나 OS가 관리한다.

• 목적 : 느린 디스크 접근을 줄이고, 자주 사용하는 데이터에 빠르게 접근하기 위함이다.

• 구성 : 디스크에 있는 일부 섹터(블록)를 복사해서 담아두는 버퍼 영역이다.

• 디스크 캐시 운영
• 읽기 요청(Read)
  • OS가 특정 섹터를 요청
  • 디스크 캐시에 해당 섹터가 있는지 확인(-> 캐시 히트 여부)
    • 있으면 : 디스크 접근 없이 바로 반환
    • 없으면 : 디스크에서 읽어와 캐시에 저장한 뒤, 상위 계층에 반환
• 쓰기 요청(Write)
  • OS가 디스크의 특정 섹터를 수정하고자 할 때
    • 있으면 : 해당 블록 업데이트
    • 없으면 : 디스크에서 읽어와 캐시에 저장한 뒤, 상위 계층에 반환
  • 쓰기 후 디스크에 즉시 반영할지 or 나중에 반영할지는 정책에 따라 다르다.
    • Write-through : 캐시와 디스크에 동시에 반영(안정성 좋음)
    • Write-back : 일단 캐시에만 반영하고, 나중에 디스크에 씀(속도 빠름)

디스크 캐시는 운영체제가 디스크 접근 속도를 줄이기 위해 사용하는 고속 임시 저장소이다.