운영체제에서 파일 시스템은 데이터를 저장, 검색, 삭제하고 무결성을 유지하는 핵심 컴포넌트입니다. 파일 시스템 구조에 따라 성능과 안정성이 달라지며, 현대적인 파일 시스템은 저널링, 캐싱, 암호화 등의 기능을 통해 효율적인 데이터 관리를 제공합니다.

Storage Structures

파일 시스템은 데이터를 효율적으로 저장하고 관리하기 위해 특정 구조를 사용합니다. 이 구조는 파일의 위치, 크기, 접근 권한 등을 관리하며, 저장된 데이터가 빠르고 안정적으로 접근될 수 있도록 설계됩니다. 또한, 디스크 공간을 효율적으로 활용하고 데이터 손실을 방지하기 위한 다양한 메커니즘이 포함됩니다.

FAT

FAT(File Allocation Table)는 초기 파일 시스템 중 하나로, 파일을 클러스터 단위로 관리합니다. 각 클러스터는 연속된 데이터 블록으로 구성되며, 파일의 각 클러스터가 연결된 정보를 FAT 테이블에 저장합니다.

  • 장점: 구조가 단순하고 다양한 운영체제에서 높은 호환성을 가짐
  • 단점: 대용량 파일을 관리하는 데 비효율적이며, 조각화가 발생할 수 있음

EXT

EXT(Extended File System)는 Linux 운영체제에서 사용되는 대표적인 파일 시스템입니다. EXT는 inode 기반 구조를 사용하여 파일 메타데이터를 관리하며, 파일 크기, 소유자, 권한, 저장 위치 등의 정보를 효율적으로 처리합니다. EXT3부터 저널링 기능이 추가되었고, 최신 버전인 EXT4는 대용량 파일과 성능 향상을 지원합니다.

  • 장점: 안정적이고 Linux 기반 시스템에서 널리 사용됨
  • 단점: Windows에서 기본적으로 지원되지 않으며, 파일 시스템 확장 시 제한이 있을 수 있음

NTFS

NTFS(New Technology File System)는 Windows 운영체제에서 사용하는 파일 시스템으로, MFT(Master File Table)를 활용하여 파일 정보를 저장하고 효율적으로 관리합니다. NTFS는 파일 시스템 보안, 압축, 복구 기능 등을 지원합니다.

  • 장점: 파일 권한 관리, 대용량 파일 지원, 데이터 복구 기능 제공
  • 단점: 구조가 복잡하여 소규모 저장 장치에서는 비효율적일 수 있음

DFS

DFS(Distributed File Systems)은 여러 서버나 컴퓨터에 걸쳐 파일을 저장하고 관리하는 시스템입니다. DFS는 중앙 서버가 아닌 여러 노드에 데이터를 분산시켜 저장함으로써 데이터의 접근 속도를 높이고, 확장성을 제공합니다.

  • 고가용성: 데이터를 여러 서버에 복제하여 서버 중 하나가 실패해도 데이터를 사용할 수 있도록 합니다.
  • 확장성: 데이터가 많아질수록 서버를 추가하여 확장할 수 있습니다.
  • 효율성: 여러 클라이언트가 동시에 접근할 수 있어 데이터 접근 속도가 빨라집니다.
  • NFS(Network File System): UNIX 및 Linux 시스템에서 사용되는 분산 파일 시스템으로, 원격 서버에서 파일을 읽고 쓸 수 있게 합니다.

Data Writing

파일 시스템은 데이터를 효율적으로 저장하기 위해 쓰기 버퍼를 활용하며, 데이터를 먼저 메모리에 기록한 후 일정 시간이 지나면 디스크에 반영합니다. 이를 통해 성능을 최적화할 수 있지만, 데이터 안정성을 유지하기 위한 추가적인 전략이 필요합니다.

Write-back

Write-back은 데이터를 먼저 메모리에 저장한 후, 일정 시간이 지나거나 특정 조건이 충족되었을 때 디스크에 기록하는 방식입니다. 주로 성능을 높이기 위해 사용되며, 캐시가 데이터를 일정 기간 유지함으로써 디스크 I/O를 줄일 수 있습니다. 하지만 시스템 장애가 발생하면 아직 디스크에 기록되지 않은 데이터가 손실될 위험이 있습니다.

Write-through

Write-through는 데이터를 메모리뿐만 아니라 즉시 디스크에도 동시에 기록하는 방식입니다. 데이터가 항상 저장 장치에 존재하기 때문에 장애 발생 시에도 데이터 손실이 없습니다. 하지만 모든 쓰기 작업이 디스크까지 반영되어야 하므로 속도가 느려질 수 있으며, 빈번한 디스크 I/O로 인해 성능이 저하될 가능성이 있습니다.

Optimizations

  • Caching: 자주 사용되는 데이터를 메모리에 저장하여 빠르게 접근하고, 디스크 I/O를 줄여 성능을 개선하며 시스템 반응 속도를 향상시키는 방식
  • Journaling: 데이터를 변경하기 전에 로그에 기록하여 시스템 장애 시 데이터 복구를 용이하게 하지만, 쓰기 성능이 감소할 수 있는 방식
  • Copy-on-Write: 데이터를 변경할 때 기존 데이터를 수정하지 않고 새 위치에 복사본을 저장하여 데이터 손실을 방지하고, 스냅샷을 효율적으로 구현할 수 있는 방식

References