파일 시스템

파일 시스템

파일 시스템은 컴퓨터 시스템의 필수 구성 요소로, 하드 드라이브, SSD, USB 드라이브와 같은 저장 장치에 데이터를 저장, 정리, 액세스하는 방법을 제공한다. 파일 시스템에는 여러 가지 유형과 구조가 있으며, 각각에 대해 알아보자. 😉

파일 시스템 유형

• 디스크 파일 시스템

  • 설명: HDD, SSD 등의 데이터 저장 장치에 사용되는 디스크 파일 시스템은 물리적 저장 매체에 파일과 디렉터리를 저장, 구성, 관리하도록 설계되었다.

  • 구조: 데이터를 파일과 디렉터리로 구성하는 계층 구조를 가지고 있으며, 이 구조에는 파일 추적을 위한 마스터 파일 테이블 또는 inode, 구성을 위한 디렉터리 및 실제 파일 저장을 위한 데이터 블록이 포함된다.

    • 장점: 데이터를 물리적 매체에 직접 저장하기 때문에 빠른 읽기/쓰기 성능을 제공한다.
    • 단점: 매우 큰 시스템에서는 파일 관리와 백업이 복잡해질 수 있다.
    • 예: NTFS(Windows), EXT4(Linux), FAT32(크로스 플랫폼).
  • NTFS(New Technology File System) 구조
    • Master File Table: 크기, 타임스탬프, 권한 및 데이터 콘텐츠를 포함하여 각 파일 및 디렉터리에 대한 메타데이터를 저장
    • Bitmap: 비트맵의 각 비트는 볼륨(하드 디스크의 저장 영역)의 클러스터(데이터를 저장하는 가장 작은 공간 단위)에 해당되며, ‘1’은 클러스터가 사용됨을 나타내고 ‘0’은 사용할 수 있음을 나타낸다.
    • Directory Data: 파일과 디렉터리의 계층 구조를 추적하는 곳
    • File: NTFS 볼륨에 있는 실제 파일을 나타내며, 디스크에 저장되고 파일 시스템에 의해 관리되는 데이터 모음
    • MFT Mirror: 마스터 파일 테이블의 부분 복사본이며 MFT가 손상된 경우 복구 목적으로 사용된다.
  • EXT4(Extended File System 4) 구조
    • Inode: EXT4와 같은 Unix 스타일 파일 시스템의 데이터 구조로서, 각 inode는 파일, 디렉터리 또는 기호 링크 등의 파일 시스템 개체에 대한 정보를 저장한다.
    • Extent: 디스크에 있는 연속적인 물리적 블록의 범위
    • Extent-Header: 익스텐트의 시작 블록, 익스텐트 내의 블록 수와 같은 정보를 제공
    • Extent-Index: 파일 내의 범위를 추적하는 데 사용되는 데이터 구조인 범위 트리의 일부이다. Extent-index는 다른 Extent-Header를 가리키며, 이는 추가 Extent를 설명하거나 추가 Extent-Index를 가리켜 계층적 트리 구조를 생성할 수 있다.

• 네트워크 파일 시스템

  • 설명: 네트워크를 통해 파일에 액세스하기 위한 프로토콜을 제공하여 클라이언트가 마치 로컬인 것처럼 원격 서버의 파일에 액세스하고 관리할 수 있도록 한다.
  • 구조: NFS는 연결된 서버의 파일 시스템에 의존한다. 네트워크 요청을 해당 서버의 파일 시스템 작업으로 변환한다.
    • 장점: 네트워크를 통해 원격으로 파일에 액세스할 수 있어 공동 작업과 자원 공유에 용이하다.
    • 단점: 네트워크 지연으로 인해 로컬 파일 시스템보다 접근 속도가 느릴 수 있다.
    • 예: NFS(네트워크 파일 시스템).

• 데이터베이스 파일 시스템
  • 설명: 데이터베이스 개념을 파일 시스템과 통합하여 보다 정교한 데이터 관리를 위해 파일 및 디렉터리를 데이터베이스 항목(테이블, 필드, 관계)으로 처리한다.
  • 구조: 복잡한 쿼리 및 관계가 가능하며 종종 인덱싱을 위해 B-트리와 같은 데이터 구조를 사용한다.
    • 장점: SQL 같은 쿼리 언어를 사용하여 복잡한 검색과 데이터 분석이 가능하다.
    • 단점: 전통적인 파일 시스템보다 더 복잡하고 구현이 어려울 수 있다.
    • 예: Oracle, MySQL.
• 분산 파일 시스템
  • 설명: 여러 서버에 걸쳐 데이터를 저장하고 관리하도록 설계되어 고가용성과 확장성을 제공한다.
  • 구조: 파일은 일관성과 내결함성을 보장하기 위한 데이터 복제 및 동기화 메커니즘을 통해 여러 노드에 분산된다.
    • 장점: 데이터 복제를 통해 하드웨어 장애가 발생해도 데이터 손실의 위험을 줄일 수 있다.
    • 단점: 데이터의 일관성을 유지하기 위한 동기화 작업이 추가적인 시스템 오버헤드를 발생시킬 수 있다.
    • 예: HDFS(Hadoop 분산 파일 시스템).

파일 관리 기법

파일 관리 기법은 컴퓨터 시스템에서 파일을 효율적으로 저장, 검색, 수정 및 관리하는 방법을 말한다.
주요 파일 관리 기법에 대해 알아보자. 😉

파일 시스템 구조

• 계층적 구조 (Hierarchical Structure)
  • 대부분의 파일 시스템은 계층적인 디렉터리 구조를 사용한다. 폴더와 서브폴더를 통해 파일을 조직화한다.
  • NTFS, ext4와 같은 파일 시스템에서 사용되며 대부분 그래픽 사용자 인터페이스에서 쉽게 시각화된다.​​​​

• 플랫 구조 (Flat Structure)

  • 계층적 파일 시스템과 달리 플랫 파일 시스템은 파일을 구성하기 위해 디렉터리를 사용하지 않는다. 대신 모든 파일이 단일 디렉터리에 저장된다.
  • 어떤 파일도 다른 파일의 “하위”가 아니므로 구조가 단순화되지만 많은 수의 파일을 처리할 때 파일을 구성하고 찾는 것이 다소 어려워진다.

• 인덱스 구조 (Indexed Structure)

  • 파일은 디스크의 파일 위치에 대한 정보를 보유하는 인덱스와 연결된다.
  • 파일에 액세스해야 할 때 시스템은 전체 디스크를 검색할 필요 없이 신속하게 해당 파일을 찾기 위해 해당 인덱스를 조회한다.

파일 할당 방법

• 연속 할당 (Contiguous Allocation)
  • 설명: 파일의 모든 데이터가 디스크 상에서 연속적인 공간에 저장된다.
  • 장점
    • 블록이 연속되어 있기 때문에 읽기/쓰기 헤드가 덜 움직여야 하므로 더 빠른 액세스가 가능합니다.
    • 시작 블록과 길이만 있으면 파일을 찾을 수 있어 구현이 간단합니다.
  • 단점
    • 시간이 지남에 따라 파일이 삭제되고 생성되면서 외부단편화(남아있는 메모리의 크기가 충분하지만, 연속적이지 않은 공간에 존재하여 실행하지 못하는 현상)가 발생하여 새 파일을 위한 연속 공간이 부족해질 수 있다.
    • 파일이 처음에 할당된 공간보다 커지는 경우에도 확장된 크기를 수용할 수 있는 연속된 공간이 없을 수 있으므로 유연성이 부족하다.​​​​

• 연결 리스트 할당 (Linked List Allocation)
  • 설명: 파일의 각 부분이 디스크의 다양한 위치에 저장되며, 각 부분은 다음 부분의 위치를 가리킨다.
  • 장점
    • 어떤 블록이라도 파일에 추가할 수 있으므로 외부 단편화가 발생하지 않는다.
    • 순차 접근에 적합하며, 생성 후 크기가 늘어나는 파일을 수용할 수 있다.
  • 단점
    • 블록 n에 접근하려면 n-1개의 블록을 통과해야 하므로 직접 접근이나 랜덤 접근에는 효율적이지 않다.
    • 각 블록 내 포인터를 위한 추가 저장 공간이 필요하며, 단일 블록을 잃으면 전체 파일이 손실될 수 있다.

• 인덱스 할당 (Indexed Allocation)
  • 설명: 파일의 모든 블록에 대한 포인터를 포함하는 인덱스 블록이 생성되며, 디렉토리 항목에는 인덱스 블록에 대한 포인터가 포함되어 있으며 인덱스 블록은 실제 파일 블록을 가리킨다.
  • 장점
    • 인덱스를 통해 모든 블록에 직접 접근이 가능하다.
    • 블록은 디스크의 어느 곳에나 있을 수 있으므로 외부 단편화를 방지한다.
  • 단점
    • 인덱스 블록이 손상되면 파일 전체가 손실될 수 있다.