[운영체제] RAID

쉽게 배우는 운영체제 교재에 대한 TIL입니다.

 

RAID (Redundant Array of Independent Disks)

데이터를 저장장치에 보관할 때는 백업을 해야만 하는데, 중요한 데이터를 수시로 백업을 해야 할 때 수동으로 하면 매우 번거롭기 때문에 백업 전용 소프트웨어를 사용하기도 한다. RAID는 복수 배열 독립 디스크로 번역되는데 자동으로 백업하고 장애가 발생하면 이를 복구하는 시스템이다.
 
RAID의 원리는 하나의 원본 디스크와 같은 크기의 백업 디스크에 같은 내용을 동시에 저장하고, 한 디스크가 고장 났을 때 다른 디스크를 사용하여 데이터를 복구하는 것으로 미러링이라고 한다. 또한, RAID에는 여러 디스크에 데이터를 쪼개어 저장하여 데이터의 입출력 속도를 높이는 방식도 있는데 이러한 방식을 스트라이핑이라고 한다.
 

RAID 0 (스트라이핑)

병렬로 연결된 여러 개의 디스크에 데이터를 나눠서 입출력할 수 있도록 구성된다. 4개의 데이터를 저장하는 경우, 일반 방식에서는 1개의 디스크에 순서대로 네 번 저장하지만 RAID 0에서는 아래 그림과 같이 4개의 데이터를 4개의 디스크에 나누어서 저장한다.
 

 
당연히 1개의 디스크로 구성된 일반 시스템보다 이론적으로는 입출력 속도가 디스크 개수배만큼 빠르겠지만, 장애 발생 시 복구하는 기능이 없기 때문에 장애가 발생하면 데이터를 잃는다.
 

RAID 1 (미러링)

하나의 데이터를 2개의 디스크에 나누어 저장하여 장애 시 백업 디스크로 활용한다.
 

 
RAID 1의 단점은 당연히 저장하는 데이터와 같은 크기의 디스크가 하나 더 필요하기 때문에 비용이 증가한다는 점이다. 또한 같은 내용을 두 번 저장하기 때문에 속도가 느려질 수 있다.
 

RAID 2

오류를 검출하는 기능이 없는 디스크에 대해 오류 교정 코드(ECC)를 따로 관리해서 오류가 발생하면 ECC 코드를 이용하여 복구한다.
 

 
RAID 2는 n개의 디스크에 대해 오류 교정 코드를 저장하기 위한 n-1개의 추가 디스크를 필요로 하므로 RAID 1보다는 저장 공간이 적게 든다.
 
하드디스크의 데이터 저장 단위는 블록인 것과는 다르게 RAID 2에서는 데이터가 비트 단위로 저장된다. 즉 비트를 분리하여 여러 개의 디스크에 나누어 저장하는데 이렇게 비트 단위로 저장하는 이유는 각 비트의 ECC 코드를 구성하여 나중에 비트 단위로 복구하기 위해서다. 따라서,  ECC 코드를 계산하는 데 많은 시간을 소비하기 때문에 잘 사용되지 않는다.
 

RAID 3

오류 교정 코드가 아닌 오류 검출 코드(EDC)인 패리티 비트를 사용하여 데이터를 복구한다. 오류 검출 코드는 이름 그대로 오류를 검출하는 코드일 뿐 복구하지는 못하는데, RAID의 경우 패리티 비트로 오류를 복구할 수 있다.
 

 
위 그림처럼 4개의 디스크가 있고 별도의 디스크 1개에 짝수 패리티 비트를 보관하고 3번째 디스크에 장애가 생겨서 복구해야 한다고 가정해 보자. 짝수 패리티 비트란 0과 1로 이루어진 비트 시퀀스에서 1의 총개수를 짝수로 만드는 비트를 의미한다. 예를 들어, 1101이라는 비트 시퀀스에서 1의 개수를 짝수로 만드는 짝수 패리티 비트는 0이 아닌 1이다. 따라서, 짝수 패리티 비트까지 포함한 비트 시퀀스는 11011인데, 만약 3번째 비트, 즉 3번째 디스크에 장애가 생겨 값을 알지 못하게 되어도 1의 개수가 짝수라는 것을 알고 있으니 3번째 디스크의 데이터를 0으로 간단하게 복구할 수 있다.
 
비트 단위로 데이터를 나누어 저장하는 RAID 2와 달리 RAID 3은 섹터 단위로 데이터를 나누어 저장한다. 일반적으로 디스크는 섹터 단위로 읽기 때문에 어떤 섹터에 오류가 있는지 여부를 알 수 있다. 비트 단위가 아닌 섹터 단위이므로 당연히 하나의 디스크에는 여러 개의 비트로 이루어진 비트 시퀀스가 존재할 것이다. 따라서, 위에서 설명한 단일 패리티 비트 방식이 아닌 N개의 패리티 비트를 이용한 N-way 패리티 비트 방식을 사용하는데, 이러한 N개의 패리티 비트를 별도의 디스크에 보관한다.
 
RAID 2처럼 추가되는 디스크의 양은 적지만 패리티 비트를 구성하는 데 필요한 계산량이 많다는 단점이 존재한다.
 

RAID 4

RAID 3와 같은 방식이지만 데이터가 섹터 단위가 아닌 블록 단위로 되어 있다.
 

 
RAID 3과 마찬가지로 패리티 비트를 추가하기 위한 계산량이 많지만 추가되는 디스크의 양은 적다.
 

RAID 5

RAID 4는 모든 패리티 비트가 하나의 디스크에 저장되기 때문에 입출력이 일어날 때마다 패리티 비트 디스크에 데이터가 저장되어 병목 현상이 발생할 수 있고, 복수의 디스크가 동시에 장애가 발생할 경우와 패리티 비트 디스크에 장애가 발생하는 경우에는 복구가 안 된다는 단점이 있다.
 
RAID 5는 RAID 4와 같은 방법을 사용하지만 아래 그림과 같이 패리티 비트를 여러 디스크에 분산하여 구성하는 방식으로 병목 현상을 해결한 기법이다.
 

 
복수의 디스크가 동시에 장애가 발생하는 경우를 제외한 RAID 4의 단점을 모두 극복했다.
 

RAID 6

RAID 5가 해결하지 못한 복수의 디스크가 동시에 장애가 발생하는 경우를 패리티 비트 디스크를 2개로 구성하는 방식으로 해결하였다. 하지만, 최대 2개의 디스크 장애만 복구할 수 있어 3개 이상은 해결하지 못한다.
 

 
또한, RAID 5보다 계산량이 많고 추가되는 디스크도 더 많다는 단점이 존재한다.
 

RAID 10

빠른 입출력이 장점인 RAID 0과 복구 기능이 있는 RAID 1을 결합한 방식으로 RAID 1 + 0을 의미한다. RAID 10과 유사한 형태로 RAID 0 + 1이 있으나 복구의 효율성 문제로 RAID 10이 많이 사용된다.
 

 
쉽게 말하자면, RAID 0+1의 경우 스트라이핑을 하되 외부에 미러링을 적용한 방식이고 RAID 10은 스트라이핑을 하되 내부에 미러링을 적용한 방식이다.
 
RAID 0+1의 경우 장애가 발생했을 때 이를 복구하려면 모든 디스크를 중단해야 하지만 RAID 10은 내부에 미러링이 적용되어 있어 장애가 발생한 디스크만 중단하여 복구할 수 있다.
 

RAID 50과 RAID 60

RAID 10과 마찬가지로 RAID 5+0, RAID 6+0을 의미하므로, 각각 RAID 5, RAID 6으로 묶은 두 쌍을 다시 RAID 0으로 묶어 사용한다.