Rapid advances in storage technology and the requirements of a new area such as mobile computing and embedded applications indicate that a new type of non-volatile solid state memory, flash memory, will replace conventional magnetic disks as a secondary storage. This storage organization enables system to have all data reside in fast memory and also can eliminate unnecessary data copy and movement between primary storage and secondary storage. In addition, it is expected to improve performance degradation caused by high disk access latency.
Flash memory provides useful characteristics as a storage system, including non-volatility, in-system programmability, low power consumption, reasonable tolerance, and high density. Though it is possible to develop a file system using flash memory, this approach is not easy to implement due to flash memory's deficiencies. The most complicated matter is that flash memory requires the need to erase blocks of memory before they are overwritten. The whole segment must be erased during data updates, which takes more time and needs lots of power. Furthermore, flash memory offers high access latency for write/erase operation, consuming a lot of power and provides the limited number of erase cycle in the lifetime of de-vice. The issues related to the design of a file system using flash memory can be categorized to two themes, i.e., how to overcome flash memory's in-ability of in-place update and how to reduce the frequency of erase/write to flash memory.
This thesis describes a new mechanism to overcome flash memory's limitations in a file system using flash memory, offering non-in-place update scheme and a new cleaning policy. Firstly, we exploit two types of i-nodes which are allocated in separate flash areas and also introduce a delta logging method to efficiently utilize flash memory space. The separation of i-nodes copes with meta-data update that occupies the majority of write operations. During every update, the delta logging scheme does not invalidate the whole block, but tries to only add appropriate logs onto a new i-node. Also, we propose a cleaning policy to reduce the cleaning cost and to pro-long flash memory lifetime. A new cleaning policy takes into account the frequency of erase operation for all of segments in order to evenly wear out flash memory. A trace-driven simulation shows the results that the performance of our system with two workloads is improved in terms of both time and space utilization. Though the number of erase operation and the cleaning cost is slightly increased, a new cleaning policy outperforms traditional cleaning policies from the standpoint of wear-leveling.
저장매체 관련 기술의 급속한 발전과 더불어 이동 컴퓨팅 혹은 내장형 응용분야에서 기존의 하드디스크를 대체할 대안으로서 플래쉬 메모리가 제안된다. 플래쉬 메모리는 하드디스크에 비해서 읽기 속도가 상당히 빠르고 외부 충격에 견고한 특성을 가진다. 그러나, 플래쉬 메모리를 사용하여 파일 시스템을 구현하기 위해서는 플래쉬 메모리가 가진 하드웨어적인 단점들을 극복해야만 한다. 첫째, 데이터의 덧쓰기가 지원되지 않는다. 플래쉬 메모리의 특정 블록에 위치한 데이터를 수정하기 위해서는 반드시 플래쉬 메모리의 세그먼트를 지워야 되며, 이에 필요한 연산을 수행하는 부담은 상당하게 작용한다. 일반적으로 64KB 크기의 세그먼트를 지우는 작업은 0.6 ~0.8 초 정도의 상당한 시간이 걸리며, 빈번한 지우기 작업은 전체 파일 시스템의 성능을 저하시키는 원인이 된다. 따라서 파일을 수정할 때마다 해당 블록을 지우고 다시 쓰기를 반복하는 것은 불가능하며, 일반적으로 새로운 파일을 만들고 필요에 따라서 과거에 사용한 세그먼트는 지우는 형태로 수정작업 및 쓰기작업이 이루어지게 된다. 특히, 파일 시스템에서 수행되는 쓰기 연산의 대부분이 메타데이터에 편중되어 있으므로 효율적인 메터데이터의 관리는 쓰기 작업에 필요한 연산과 지우기 작업의 빈도를 줄여주므로 시스템 성능에 상당한 효과를 보여 준다. 둘째, 플래쉬 메모리의 쓰기/지우기 회수가 제한되어 있다는 문제점을 가진다. 쓰기 작업과 지우기 작업이 특정 세그먼트에 편중될 경우, 파일 작업 연산 수행을 시스템에서 보장하지 못할 수 있으며, 이는 전체 파일 시스템 성능저하를 초래하고 수명을 단축시킬 수 있다. 따라서 효과적인 cleaning 관리 기법은 플래쉬 메모리의 수명을 연장시키고, cleaning에 소요되는 비용을 절감하므로 파일시스템 성능에 직접적인 영향을 줄 수 있게 된다. 본 논문에서는 파일시스템 측면에서 플래쉬 메모리의 단점을 극복하고 성능을 향상시키는 방안들을 제안한다. 쓰기 연산의 대부분을 차지하는 메터데이터 연산을 효율적으로 처리하기 위해 i-node의 구조를 두 가지 유형으로 분류하고, 덧쓰기가 자주 발생되는 부분들을 저장하기 위한 새로운 유형의 i-node를 정의한다. 데이터의 덧쓰기를 지원하기 위해서 기존의 delta-logging 기법을 사용하여 변경된 정보의 값을 log 형태로 분류하고 이를 새로운 i-node에 첨가한다. I-node의 한 필드가 변경될 경우에도 기존의 방식과 달리, 전체 블록을 쓰지 않고 변경된 부분의 log만 첨가하면 되므로, 시간적/공간적 측면에서 상당한 성능 개선을 가져올 수 있게 된다. Copy-on-write 방식에서 발생되는 불가피한 cleaning의 부담을 줄이고 플래쉬 메모리의 수명을 연장하기 위해서, 새로운 cleaning 방식을 제안한다. Cleaning을 위하여 지울 대상 세그먼트를 선택할 때 플래쉬 메모리의 각 세그먼트별 지우기 회수를 고려하므로써 전체 플래쉬 메모리에 대한 지우기 작업이 균등하게 분포하도록 한다. 시뮬레이션을 사용하여 sequential/random/locality 접근 유형에 따라 파일시스템의 throughput 및 각 파일 연산에 대한 성능을 분석하고, cleaning 방식별 성능을 비교하였다.
