[OSTEP] 38. RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks)

아래에서는 OSTEP의 단순화 모델을 그대로 따릅니다. 단일 디스크가 sequential에서 $S\,[\mathrm{MB/s}]$ , random에서 $R\,[\mathrm{MB/s}]$ 의 처리량을 낸다고 두고( $S \gg R$ ), RAID 레벨별 steady-state 처리량을 $S$ 와 $R$ 의 선형 결합으로 계산합니다. 또한 처리량 식은 충분한 큐 깊이가 있어 디스크들을 병렬로 포화시킬 수 있다는 가정을 포함합니다.

2. RAID 0: Striping#

RAID 0은 중복이 없는 스트라이핑입니다. 신뢰성을 올리지 않고 오직 성능과 용량만 최대화합니다.

Figure 38.1: RAID-0 Simple Striping

용량: $N \cdot B$
신뢰성: 없음(디스크 1개 고장이 곧 데이터 손실)
성능(처리량):
- Sequential read/write: $N \cdot S$
- Random read/write: $N \cdot R$
Latency: 작은 단일 요청은 단일 디스크와 거의 동일(요청은 한 디스크로만 감)

2.1 Chunk size가 바뀌면 무엇이 달라지나#

스트라이핑은 블록을 디스크에 round-robin으로 뿌리지만, 실제 시스템은 보통 chunk size를 1블록보다 크게 잡습니다.

Figure 38.2: Striping With A Bigger Chunk Size

chunk가 작으면 한 파일이 여러 디스크로 퍼져 단일 파일 병렬성이 좋아질 수 있음
chunk가 크면 단일 파일이 한 디스크에 머무는 구간이 늘어 positioning 오버헤드를 줄일 수 있음

즉 chunk size는 워크로드(요청 크기, 동시성, 파일 크기 분포)에 강하게 의존하는 성능 파라미터입니다.

3. RAID 1: Mirroring#

RAID 1은 미러링입니다. 각 블록의 복사본을 다른 디스크에 저장해 디스크 고장에 대비합니다. 흔한 배치는 미러 쌍을 만들고 그 위에 스트라이핑을 하는 RAID 10 형태입니다.

Figure 38.3: Simple RAID-1 Mirroring

용량: $\frac{N}{2} \cdot B$ (2-way 미러 기준)
신뢰성: 최악의 경우 1개 고장을 확실히 허용, 고장 위치가 운 좋게 분산되면 최대 $\frac{N}{2}$ 개까지도 가능
성능(처리량):
- Sequential read/write: $\frac{N}{2}\cdot S$
- Random read: $N \cdot R$
- Random write: $\frac{N}{2}\cdot R$

읽기는 두 복사본 중 아무거나 선택할 수 있어 random read에서 특히 유리합니다. 반면 쓰기는 두 복사본을 모두 갱신해야 합니다. 다만 두 디스크에 병렬로 쓸 수 있으므로 단일 쓰기 지연은 보통 단일 디스크보다 큰 폭으로 늘지 않고, 대략 느린 쪽에 맞춰지는 정도로 이해하면 됩니다.

3.1 Consistent-update problem#

RAID 1(그리고 다중 디스크를 함께 갱신하는 RAID)은 한 번의 논리 쓰기가 여러 디스크 쓰기로 분해됩니다. 이때 크래시 타이밍이 나쁘면

한 디스크에는 새 데이터가 기록되고
다른 디스크에는 옛 데이터가 남아

복사본 간 내용이 불일치해질 수 있습니다.

일반적인 해결은 RAID 내부에 write-ahead log를 두고, 다중 디스크 갱신을 트랜잭션처럼 처리하는 것입니다. 하드웨어 RAID는 이를 위해 배터리 백업이 있는 캐시 같은 비휘발성 버퍼를 함께 쓰기도 합니다.

4. RAID 4: Dedicated Parity#

미러링은 용량 비용이 큽니다. RAID 4는 이를 줄이기 위해 패리티(Parity) 를 사용합니다.

Figure 38.4: RAID-4 With Parity

한 stripe에 데이터 블록들이 있고, 별도의 패리티 디스크에 패리티 블록을 둡니다. 디스크 1개가 고장 나면 남은 블록들과 패리티로 복구할 수 있습니다.

용량: $(N-1)\cdot B$
신뢰성: 디스크 1개 고장까지 허용

4.1 XOR 패리티의 불변식#

stripe의 데이터 블록을 $D_0,\dots,D_{N-2}$ , 패리티를 $P$ 라고 하면

P = D_0 \oplus D_1 \oplus \cdots \oplus D_{N-2} \tag{1}

한 블록이 사라지면 같은 연산으로 복원됩니다.

4.2 Full-stripe write와 small write#

큰 연속 쓰기에서는 stripe를 통째로 채우는 full-stripe write가 가능합니다. 이때는

새 데이터들로 새 패리티를 계산하고
데이터 + 패리티를 병렬로 한 번에 기록

하면 되므로 효율이 좋습니다.

Figure 38.5: Full-stripe Writes In RAID-4

문제는 작은 랜덤 쓰기입니다. stripe의 일부만 덮어쓰면 패리티를 갱신해야 하며, 대표적인 구현이 read-modify-write입니다.

old data 읽기
old parity 읽기
new parity 계산
new data 쓰기
new parity 쓰기

패리티 갱신은 다음 형태로 정리할 수 있습니다.

P_{\mathrm{new}} = \left(D_{\mathrm{old}} \oplus D_{\mathrm{new}}\right) \oplus P_{\mathrm{old}} \tag{2}

참고로 small write는 read-modify-write 말고, 같은 stripe의 다른 데이터 블록들을 모두 읽어 새 패리티를 재구성하는 방식(reconstruct-write)도 가능합니다. 어느 쪽이 유리한지는 디스크 수와 워크로드에 따라 갈립니다.

4.3 RAID 4 성능 요약#

Sequential read: $(N-1)\cdot S$
Sequential write: $(N-1)\cdot S$ (full-stripe write 가정)
Random read: $(N-1)\cdot R$
Small random write: 패리티 디스크가 병목

특히 small random write는 패리티 디스크가 논리 쓰기마다 패리티 블록 read + write를 수행해야 해서, 전체 처리량이 패리티 디스크 처리량에 의해 제한됩니다. 단순화 모델에서는

\mathrm{Throughput}_{\mathrm{RAID4,\,rand\,write}} \approx \frac{R}{2} \tag{3}

로 요약합니다.

Figure 38.6: Writes Contend On Parity Disk

5. RAID 5: Rotating Parity#

RAID 4의 가장 큰 문제는 패리티 디스크 단일 병목입니다. RAID 5는 패리티 블록을 디스크들에 회전 배치하여 이를 제거합니다.

Figure 38.7: RAID-5 With Rotated Parity

용량: $(N-1)\cdot B$
신뢰성: 디스크 1개 고장까지 허용

성능은 RAID 4와 대부분 같지만, small random write에서 병목이 크게 완화됩니다.

Sequential read/write: $(N-1)\cdot S$
Random read: $N\cdot R$
Small random write: 4 I/O 비용은 남지만, 디스크 전체에 분산되어 병렬성이 생김

단순화 모델에서는 RAID 5 small random write 처리량을

\mathrm{Throughput}_{\mathrm{RAID5,\,rand\,write}} \approx \frac{N}{4}\,R \tag{4}

로 요약합니다. 손실 계수 4는 각 논리 쓰기가 2 reads + 2 writes의 물리 I/O로 분해되는 비용을 반영합니다.

6. RAID 레벨 비교#

아래 표는 $N$ 개 디스크, 디스크당 용량 $B$ , 단일 디스크 처리량 $S$ 및 $R$ , 단일 디스크 요청 지연 $T$ 라는 단순화 모델에서의 비교입니다.

Figure 38.8: RAID Capacity, Reliability, and Performance

구분	RAID 0	RAID 1	RAID 4	RAID 5
유효 용량	$N\cdot B$	$\frac{N}{2}\cdot B$	$(N-1)\cdot B$	$(N-1)\cdot B$
허용 고장 수	0	1 (최악)	1	1
Seq read	$N\cdot S$	$\frac{N}{2}\cdot S$	$(N-1)\cdot S$	$(N-1)\cdot S$
Seq write	$N\cdot S$	$\frac{N}{2}\cdot S$	$(N-1)\cdot S$	$(N-1)\cdot S$
Rand read	$N\cdot R$	$N\cdot R$	$(N-1)\cdot R$	$N\cdot R$
Rand write	$N\cdot R$	$\frac{N}{2}\cdot R$	$\frac{R}{2}$	$\frac{N}{4}\cdot R$
Latency read	$T$	$T$	$T$	$T$
Latency write	$T$	$\approx T$	$\approx 2T$	$\approx 2T$

$\approx 2T$ 는 small write의 두 단계(읽기 단계 + 쓰기 단계)를 가정한 값입니다. full-stripe write에서는 더 낮아질 수 있습니다.

7. 요약#

RAID는 여러 디스크를 묶어 성능, 용량, 신뢰성을 서로 다른 비율로 최적화하는 기술입니다.
RAID 0은 최고 성능과 용량을 주지만 신뢰성이 없습니다.
RAID 1은 용량을 희생하고 신뢰성과 random read 성능을 얻습니다. 대신 다중 디스크 갱신에 따른 consistent-update 문제가 존재합니다.
RAID 4/5는 패리티로 용량 효율을 높이지만 small write에서 read-modify-write 계열 비용을 치릅니다.
RAID 4는 패리티 디스크 단일 병목이 치명적이고, RAID 5는 패리티 회전으로 병목을 완화해 실무에서 더 널리 쓰입니다.