A very promising approach for using NAND flash memory as a storage medium is a flash file system. In order to design a higher-performance flash file system, two issues should be considered carefully. One issue is the design of an efficient index structure that contains the locations of both files and data in the flash memory. For large-capacity storages, the index structure must be stored in the flash memory to realize low memory consumption; however, this may degrade the system performance. The other issue is the design of a novel garbage collection (GC) scheme that reclaims obsolete pages. This scheme can induce considerable additional read and write operations while identifying and migrating valid pages.
In this thesis, we present broadly two approaches in phase. As a first step with respect to the index structure, we propose a novel efficient metadata management scheme including $\It{embedding inode}$ and $\It{hybrid indexing}$ schemes for flash file systems. As a second step finally, we design a new flash file system, called $\It{FlashLight}$, which includes following features: ($\It{i}$) a lightweight index structure that introduces $\It{hybrid indexing scheme}$ and $\It{intra-inode index logging}$ and ($\It{ii}$) an efficient GC scheme that adopts a dirty list with an on-demand GC approach as well as fine-grained data separation and $\It{erase-unit data allocation}$. We implemented FlashLight in a Linux OS with kernel version 2.6.21 on an embedded device. With several benchmark programs, the experimental results confirm that FlashLight enhances the performance up to 27.4% over UBIFS by alleviating index management and GC overheads up to 33.8%.
낸드 플래시 메모리는 최근 임베디드 시스템에서 가장 각광받는 저장 매체의 하나로 널리 쓰이고 있다. 하지만, 페이지 단위의 읽기/쓰기 연산 단위와 느린 삭제 연산, 그리고 쓰기 전에 삭제를 해야하는 여러 하드웨어적 제약 사항이 있다. 따라서, 이러한 성능 저하를 유발하는 여러 특성들을 최대한 숨겨 저장 매체 성능을 개선하는 것이 중요한 문제이다.
고성능 플래시 파일 시스템을 설계하기 위해서는 다음의 이슈들을 고려해야 한다. 첫째는 인덱스 구조로, 파일 속성들과 데이터가 플래시 메모리의 어느곳에 저장하고 있는지 효율적으로 저장해야 한다. 최근 저장 공간이 대용량화 되면서, 이러한 위치 정보들의 양 또한 많아지고 있고, 이를 위한 직/간접적인 포인터의 사용으로 인해 결과적으로 시스템의 성능을 떨어뜨리고 있다. 둘째는 가비지 콜렉션 정책으로, 무효화된 페이지들을 효율적으로 모아서 빈 삭제된 블럭을 최대한 추가 작업없이 만들어야 한다. 이를 위해서, 삭제할 블럭의 유효한 페이지를 빠르게 찾는 것과 최대한 유효 페이지들을 적게 옮겨야 한다.
본 논문에서는 먼저 효율적인 인덱스 구조를 제안하고, 이 구조를 발전시켜 하나의 경량화 플래시 파일 시스템을 설계하고자 한다. 앞서 제안하는 효율적인 인덱스 구조는 하나의 아이노드 내에 인덱스를 해시 기반으로 저장시켜 빠른 메타데이터 연산을 지원하고자 하였다. 그 결과, 기존 JFFS2와 YAFFS2에 근접함과 동시에 UBIFS보다 향상된 성능을 확인하였다.
이러한 구조를 발전시켜, 경량화 인덱스 구조와 가비지 콜렉션을 동시에 고려한 플래시 파일 시스템을 제안한다. 먼저, 인덱스 구조를 위하여, 하이브리드 인덱싱 기법과 아이노드 내 인덱스 로깅 기법을 제안하고, 효율적인 가비지 콜렉션을 위하여 온디맨드 가비지 콜렉션 정책과 세밀한 데이터 분리, 그리고 삭제 단위 데이터 할당을 제안한다. 제안하는 플래시 파일 시스템을 실제 임베디드 환경에 구현을 하고, 여러 벤치마크를 통한 실험을 통하여, 기존 플래시 파일 시스템보다 27.4% 성능 향상을 확인하였다.
