5.11 Parallelism and Memory Hierarchy:Redundant Arrays of Inexpensive Disks

1. RAID란 무엇인가?

 

RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks)는 여러 개의 작은 디스크를 병렬로 사용하여 성능과 신뢰성을 모두 향상시키는 기술이다.

• 초기 목적:

• 디스크 I/O 성능 개선.

• 대형 디스크를 대체할 수 있는 저렴한 디스크 활용.

• 현대적 초점:

• 주된 목표는 데이터 신뢰성과 내구성.

 

 

2. RAID의 주요 목표

 

(1) 성능 개선

 

• 데이터를 여러 디스크에 나누어 저장(Striping)하여 읽기/쓰기 속도를 증가.

• 병렬 데이터 액세스를 통해 대역폭 확장.

 

(2) 신뢰성 개선

 

• 디스크 고장에도 데이터를 잃지 않기 위해 중복성(Redundancy) 도입.

• 중복 데이터를 이용하여 복구 가능성 제공.

 

 

3. RAID의 기본 레벨

 

RAID는 레벨(0~6)로 구분되며, 각 레벨은 성능과 신뢰성을 다르게 조율한다.

 

RAID 0: Striping (No Redundancy)

 

• 특징: 데이터를 디스크에 분산(Striping) 저장.

• 성능 최적화에 초점, 중복성 없음.

• 장점:

• 대용량 파일을 병렬로 처리하여 읽기/쓰기 속도 증가.

• 저장 공간의 100% 사용 가능.

• 단점: 고장 시 데이터 손실 위험 증가.

 

 

RAID 1: Mirroring

 

• 특징: 모든 데이터를 두 개 이상의 디스크에 동일하게 복사.

• 장점:

• 신뢰성 극대화.

• 디스크 고장 시 복사본에서 즉시 복구 가능.

• 단점:

• 저장 공간 효율 50%.

• 성능 손실: 쓰기 작업이 두 번 발생.

 

RAID 2: Hamming Code (Error Correction)

 

• 특징: 데이터와 함께 에러 검출 및 수정 코드를 저장.

• 장점: 에러 수정 능력.

• 단점: 비효율적이고 복잡하여 거의 사용되지 않음.

 

RAID 3: Bit-Interleaved Parity

 

• 특징: 한 디스크에 Parity 비트 저장.

• 데이터는 비트 단위로 여러 디스크에 분산.

• 장점:

• 한 디스크 고장 시 복구 가능.

• 대용량 파일 처리에 적합.

• 단점:

• 작은 파일 작업에서 비효율적.

 

RAID 4: Block-Interleaved Parity

 

• 특징: 데이터를 블록 단위로 분산하고, 한 디스크에 Parity 블록 저장.

• 장점:

• 블록 단위 읽기에서 독립적인 액세스 가능.

• 작은 읽기 작업 성능 향상.

• 단점:

• 쓰기 병목: Parity 디스크가 집중적으로 쓰기 작업을 처리해야 함.

 

RAID 5: Distributed Parity

 

• 특징:

• RAID 4의 개선 버전.

• Parity 블록을 디스크 전체에 분산 저장.

• 장점:

• 읽기/쓰기 작업 병목 완화.

• 뛰어난 성능과 신뢰성 간의 균형.

• 단점: 복구 시 Parity 계산 복잡.

 

RAID 6: P + Q Redundancy

 

• 특징:

• Parity 정보를 두 디스크에 저장하여 2개의 디스크 오류 복구 가능.

• 장점:

• 이중 고장에도 안전.

• 고용량 데이터 센터에서 널리 사용.

• 단점:

• Parity 계산 복잡도 증가.

• 저장 공간 효율 감소.

 

 

 

4. RAID의 성능 평가

 

(1) 성능

 

• RAID 0과 RAID 5는 높은 성능 제공.

• RAID 1은 읽기 성능은 좋지만 쓰기 성능 저하.

• RAID 3과 4는 작은 쓰기 작업에서 병목 발생.

 

(2) 신뢰성

 

• RAID 1과 RAID 6은 높은 신뢰성 제공.

• RAID 0은 신뢰성 없음.

 

 

 

5. 예제: I/O의 중요성 (Amdahl’s Law 적용)

문제:

• 초기 시스템의 총 실행 시간: 100초.

• CPU 시간: 90초.

• I/O 시간: 10초.

• CPU 성능이 2년마다 두 배 향상.

• 6년 후 성능 향상 비율?

 

계산 과정:

 

1. CPU 시간 감소:

• 2년 후: 45초.

• 4년 후: 23초.

• 6년 후: 11초.

2. 전체 실행 시간:

• 6년 후: 21초.

3. 속도 향상:

• speedUp => 4.7

 

결론:

• CPU 성능은 8배 향상되었지만, 전체 속도 향상은 4.7배에 그침.

• 이유는 I/O 병목 현상.

 

6. RAID 설계 시 고려사항

 

1. Redundancy 수준:

• 성능과 신뢰성 간의 균형 고려.

2. 복구 시간:

• 디스크 재건축 시간이 길어질수록 데이터 손실 위험 증가.

3. Hot-Swapping:

• 장애 디스크 교체 시 시스템 가동 유지.

4. Standby Spares:

• 대체 디스크를 미리 준비하여 신속한 복구 가능.

 

7. 요약

 

• RAID는 디스크 성능 및 신뢰성을 향상시키는 필수 기술.

• RAID 레벨 0~6은 각기 다른 성능/신뢰성 요구사항을 충족.

• 데이터 센터와 고가용성 시스템에서는 주로 RAID 5와 RAID 6이 사용됨.

• I/O 성능은 시스템 성능의 핵심 요소이며, RAID는 이를 해결하기 위한 중요한 접근법.