Computer Science/Database

[데이터베이스] Chapter 12. Physical Storage Systems - Disk mechanism, RAID Level

great_park 2022. 10. 8. 20:11
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Reference
1. Database System Concepts-Abraham Silberschatz, Henry Korth, S. Sudarshan
2. Database System class by Professor Yon Dohn Chung, Department of Computer Science and Engineering, Korea University

중요한 내용 위주로 요약 & 정리하였습니다.

뒤에서 나올 indexing, query processing and optimization 등을 이해하려면 storage 구조에 대해서 학습해야 합니다.

 

12.1 Overview of Physical Storage Media

  • volatile storage : 휘발성, 전원 끄면 사라짐
  • non-volatile storage : 비휘발성, 전원 꺼도 data가 살아있음

 

Storage Hierarchy

  • primary storage : Fastest media, 휘발성 (cache, main memory)
  • secondary storage : moderately fast, 비 휘발성, on-line (flash memory, disk)
  • tertiary storage : slow, 비 휘발성, 보관 용도, off-line

 

Storage Interfaces

  • Disk interface : SATA, SAS, NVMe
  • disk는 보통 computer system과 직접 연결
  • SAN, NAS

 

12.3 Magenetic Hard Disk Mechanism

  • Read-write head : disk를 읽는 부분
  • track : platter가 나뉘는 원형의 단위
  • sector : track을 나누는 단위
  • cylinder : platter의 집합
  • Disk controller : computer system과 disk drive hardware간 interface

⇒ sector에 대한 read, write 의 빠른 접근을 도와줌, checksum 진행하여 각 sector가 제대로 읽히는 지 검사, 망가진 track은 다른 곳으로 옮기고 bad sector는 remapping

 

Performance Measures of Disks

Access time : data 접근 시간, read, write 요청이 들어오고 data transfer가 이뤄지기 전까지의 시간

  • seek time : track 찾기, head의 직선 운동
  • rotational latency : head 밑에 원하는 sector가 오기까지의 지연 시간, 회전 운동

Data-transfer rate : data가 disk에서 가져오거나 저장하는 시간

Mean time to failure (MTTF) : 실패 없이 연속적으로 disk가 동작하는 평균 시간

  • 클수록 좋다.
  • 수명이 길어질수록 짧아진다.

DIsk block : sector의 묶음, storage 할당에 logical unit , 512 byte

Seqeuntail access pattern : 연속적인 block에 대한 요청 → 첫 block을 seek

Random access pattern : 랜덤하게 block 요청 → 각 access마다 seek

I/O operantions per sencond (IOPS) : 임의의 random access를 얼마나 빨리 처리하는 지

 

12.4 Flash memory

NAND Flash

  • page 단위
  • read, wirte, erase(매우 느림)
  • overwrite 개념이 없다.
  • 한 곳에 쓸 수 있는 횟수 제한

Solid state disk (SSD)

  • block-oriemted disk interface 사용하지만 data 저장은 multiple flash storage 사용

Erase block

  • Remapping → logical page 주소와 physical page 주소
  • Flash translation table tracks mapping → flash translation layer에 따라 remapping

 

12.5 RAID

RAID : Redindant Arrays of Independent Disks

RAID는 뜻 그대로 여러 개의 disk를 묶어서 하나의 disk처럼 사용하는 기술입니다.

RAID 사용 이유 ⇒ Redundancy, Parallelism

 

Improvement of Reliability via Redundancy

  • 데이터를 중복으로 저장하여 안정성 향상 → Mirroring(shadowing)
  • disk가 여러 개니 MTTF가 작다.

 

Improvemnt in Performance via Parallelism

  • multiple small access를 load balancing → throughtput 증가 (단일 시간 당 요청 처리)
  • 다량의 disk를 병렬적으로 사용하여 high capacity, high speed → 응답 시간 감소
  • Bit-level striping
  • Block-level striping : block 단위로 나누기

 

RAID Levels

RAID level에는 0부터 6까지 있지만, 실제로 사용되는 level은 0, 1, 5, 6 입니다.

 

Parity blocks

  • disk 장애 시 데이터를 재 구축하는데 사용할 수 있는 사전에 계산된 값
  • ex) disk의 4개의 block 중 3개에 data 넣고 1개는 parity 영역
  • mirring에 비해 작은 용량으로 disk가 망가질 때 repair 가능

 

RAID 0

  • RAID 구성하는 모든 disk에 데이터를 분할하여 저장
  • block striping
  • non-redundant
  • N개 → 성능 N배 , 안정성 1/N배 : 성능과 용량은 최대로, 안정성은 극악

RAID 1 (1+ 0)

  • 동일한 data를 N개로 복제하여 각 disk에 저장
  • Mirroed disk with block striping
  • redundant
  • write 성능 1/N배, read 성능 N배, 안정성 N배

RAID 5

  • Block 단위로 striping 후 error 감지를 위해서 parity 1개를 저장
  • Block-Interleaved Distributed Parity
  • Parity는 disk를 고정하지 않고 매번 다른 disk에 저장한다.
  • 용량, 성능 N-1배 증가
  • RAID 0에서 성능, 용량을 조금 줄이는 대신 안정성을 높인 RAID level

RAID 6

  • Block 단위로 striping 후 error 감지를 위해 parity 2개를 disk에 저장
  • Block-Interleaved Distributed Parity
  • Parity는 disk를 고정하지 않고 매번 다른 disk에 저장한다.
  • 용량, 성능 N-2배 증가
  • RAID 5에서 성능, 용량을 조금 줄이는 대신 안정성을 높인 RAID Level

 

Choice of RAID Level

  • cost
  • performance - I/O operation per second
  • performance during failure and rebuild

 

Hardware Issues

Software RAID : hardware 도움 없이 오직 software만으로 RAID를 구현하는 것

Hardware RAID : NV-RAM (cache) 사용하여 write 기록을 저장

주의점 : disk와 mirroring disk간 차이가 발생할 수 있다. → recovery 필요

  • 요청을 받을 때, 앞 단에 NV-RAM을 거치도록 만든다.
  • NV-RAM이 효율적인 recovery 도움 → corrupted block을 효율적으로 감지

Latent failures : 자석이 약해지면 시간이 지나면서 data가 사라짐

Data scrubbing : latent failure을 미리 감별해서 복구

Hot swapping :

⇒ 많은 hardware RAID system이 단 하나의 failure가 일어나지 않도록 보장해줌

 

Optimization of Disk-Block Access

  • Buffering : in-memory buffer에 disk block을 caching
  • Read-ahead : 요청 전에 미리 memory에 불러두기 (prefetching)
  • Disk-arm-scheduling : disk controller가 가는 길에 있는 요청을 함께 처리

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