HDD와 SSD파헤치기-SSD편2(SSD의 데이터 수정 및 최적화)

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  SSD의 데이터 쓰기2(정보의 수정)

  ssd1편에서는 일반적인 데이터 쓰기에 대한 글을 작성하였다.
  그렇다면 기존에 있는 데이터를 수정하여 저장하려면 어떡해야할까?
  우선 페이지는 덮어쓰기가 불가능하기 때문에 기존의 데이터를 어디론가 옮겨놓거나 삭제를 한 뒤 새로운 데이터를 저장하는 과정을 거쳐야할 것이다.
  그러나 ssd는 최적화를 위해 임시적으로 기존의 블록을 지우는 거이 아니라 독특한 방식을 사용하는데 이 게시물에서는 이러한 ssd의 최적화 방식을 자세히 알아보도록 하자.

  수정 데이터의 작업 처리 과정

• 수정 데이터는 빈 페이지에 기록
  
• 기존 페이지의 블록은 그때그때 삭제하는 것이 아니라, 유요하지 않은 데이터임을 표시
  
  • ssd에는 오류 검증 코드가 있는데 이것을 통해 쓰기의 맨 마지막 단계에서 실질적으로 유효한 코드인지 아닌지 판단
• GC(가비지 컬렉션)
  
  • 유효하지 않은 페이지가 쌓였을 때에는 gc가 작동하여 유한효 데이터만 컨트롤러에 의해 다른 블록으로 옮기는 과정을 거친다.
    
  • 이후 유효하지 않은 페이지가 담겨있는 전체 블록을 삭제한다(이는 삭제가 블록 단위로만 이루어지기 때문)
    
• 위 과정을 거친 뒤에 삭제된 블록은 다시 쓱가 가능한 공간으로 바뀐다.
• 수정본이 저장되는 과정은 게시물1에서 서술한 쓰기 과정(명령 수신 해석/페이지 찾기/크기조정/캐시에 저장/페이지 기록 확인/최적화)와 동일하므로 생략한다.

  SSD의 최적화 방식

  앞선 게시물에서 SSD는 쓰기 증폭 현상 예방 및 읽기 쓰기 속도의 증가를 위하여 독특한 최적화 방식들을 쓴다고 설명하였다.
  그중 대표적인 몇가지에 대해 알아보도록 하자.

  GC(가비지 콜렉션)

• 삭제는 페이지가 아닌 여러개의 페이지가 모인 블록의 단위로 이루어진다.
  따라서 다른 작업에 비해 오랜 시간이 걸리므로 삭제 명령은 한꺼번에 모았다가 이루어지는 것이 유리하다.
  
• GC는 이러한 이유에서 유효하지 않은 데이터로 표기된 페이지들을 모아놓고(블록으로), 이 데이터들을 한꺼번에 삭제한 뒤 데이터를 재배치하는 작업까지 진행한다.
  
• 데이터를 재배치하는 작업을 함께 하는 이유는 ssd의 셀은 쓸 수 있는 횟수가 수명처럼 정해져있으므로, 고르게 닳을 수 있도록 하기 위해서이다.

  오류 검출

• SSD의 오류검출은 크게 ECC와 checkSum을 통하여 이루어진다.
  이 둘은 각각 확인 가능한 오류 검출의 범위 및 역할이 다르다.

  ECC

  ECC는 오류 검출 코드 중 하나로, 데이터의 저장시 함께 저장된다.
  데이터를 읽을 때 역시 위 코드를 검사하여 데이터가 유효한지(손상 여부)를 확인하고, 손상이 있다면 이를 감지하고 수정하는 것이 가능하다.

  checkSum

  데이터의 무결성을 보증한다는 데에서는 ecc와 동일하나, 보다 간결한 역할을 한다고 이해하면 된다.
  체크썸도 데이터를 읽을 때에 코드 검사가 이루어지는데, ECC와 다르게 데이터의 손상 여부 즉 무결성 보장에 대해서는 확인이 가능하나 수정은 불가하다.

  웨어레벨링

  각 셀이 모두 균등한 정도의 업무를 분배 받아 작업이 고르게 이루어지도록 하며, 최종적으로는 ssd의 수명을 최대한 효율적으로 사용할 수 있도록 해주는 최적화 방법이다.
  웨어라벨링에는 동적 웨어 라벨링과 정적 웨어라벨링이 있다.

  동적 웨어라벨링

  기본적으로 SSD의 데이터는 정적 데이터(드라이버와 같은 파일들)와 동적 데이터로 나뉜다.
  정적 데이터는 물리적 블록에서 거의 쓰여지지 않고도 않고 거의 변경도 되지 않을 정보이며(즉 쓰기/삭제도 적은 정보로 굉장히 적은 양만 여기에 속한다), 동적 데이터는 자주 재프로그래밍되며 변경 역시 잦은 정보로 우리가 사용하는 대부분의 데이터는 여기에 속할 것이다.
  동적 웨어라벨링은 이러한 동적 데이터들을 어떻게 셀에 적재할 것인가에 대한 방법이다.

  동적 웨어라벨링의 작동 방법

  ssd컨트롤러는 데이터 블록을 사용할 때마다 사용된 블럭이 어떤 것인지 추적하고, 자주 쓰이지 않은 곳에 데이터를 저장시킨다.
  간단하게 구현이 가능하지만, 전체적인 데이터 블록 입장에서보자면 유동성이 떨어지고 이로인한 병목 현상이 일어날 수도 있다는 치명적인 단점이 있다.
  또한 특정 블록만이 자주 사용되어 해당 블록의 마모가 빨라져 전체적인 ssd의 성능에도 영향을 줄 수도 있다.

  정적 웨어라벨링

  대부분의 ssd는 동적인 데이터와 정적인 데이터를 둘다 웨어라벨링한다.
  정적 웨에라벨링은 정적인 데이터를 대상으로 진행하는 웨어라벨링으로, 자주 쓰여질 가능성이 적은 정보들까지 고려대상에 집어넣는다.
  그러나, 이러한 작업이 지나치게 자주 주기적으로 이루지면 과도한 오버헤드 현상(간접비용)이 발생할 수도 있다.
  또한 데이터를 관리하는 방법이 동적 웨어라벨링에 비하여 까다로우며, 쓰기 증폭(우리가 필요한 양보다 데이터가 많은 블록을 차지하는 현상)이 일어날 수도 있다.

  글로벌 웨어라벨링

  위에서 보았다시피 동적 웨어라벨링과 정적 웨어라벨링은 각각 다른 장단점을 가지고있다.
  글로벌 웨어라벨링은 모든 데이터를 대상으로 웨어라벨링을 하는 방식으로, 모든 데이터에게 쓰기 횟수의 균일성을 유지한다고 생각하면 된다.

  TRIM

  우선 운영체젱서 trim기능을 지원해주어야한다.
  이 경우 os의 파일 시스템에서 삭제되거나, 사용되지 않는 데이터 블록이 발견되면 trim명령어를 통해 해당 블록이 지워도 상관없는 블록임을 표시해놓는다.
  이후 ssd는 해당 블록의 데이터가 사용하지 않는것임을 표기해놓는다.
  만약 이 논리적 주소가 사용될 일이 발생한다면 gc가 작동하여 여러개의 삭제 명령을 동시에실행할 수도 있다.
  trim을 사용하면 불필요한 데이터가 미리 삭제되므로, 새로운 데이터를 쓸 때에 불필요한 삭제가 일어나지 않아서 성능 향상에 도움이 되는데 이 부분은 다음 게시물인 ssd3편(삭제원리)에서 자세히 알아보도록 하자.