[운영체제] 파일 시스템 / 디렉토리 / 파일의 접근 권한 보호 / 파일 시스템의 파일 할당 방법 / VFS와 NFS

File

파일은 연관된 데이터를 모아 이름을 붙인 것이다. 일반적으로 비휘발성의 보조기억장치에 저장하고, 운영체제는 다양한 저장 장치를 파일이라는 동일한 논리적인 단위로 볼 수 있게 한다.

• Operation: create, read, write, delete, open, close 등

 

File attribute (Metadata)

메타데이터는 파일을 관리하기 위한 각종 정보들을 말한다.

• 파일의 이름, 유형, 저장 위치, 파일 사이즈 등
• 접근 권한(읽기/쓰기/실행), 시간(생성/변경/사용), 소유자 등

 

file metadata 보관 위치

디렉토리 내에 직접 보관하기도 하며, 디렉토리에는 포인터를 두고 다른 곳에 보관하기도 한다. (Inode, FAT 등)

file name이 긴 경우에 보관하는 방법

<file name, file metadata>의 리스트에서 각 entry는 일반적으로 크기가 고정되어 있다.

file name이 고정 크기 entry 길이보다 길어지는 경우에는 entry의 마지막 부분에 name의 뒷 부분이 위치한 곳의 포인터를 두어 저장할 수 있다.

 

File System

운영체제에서 파일을 관리하는 소프트웨어 부분으로, 파일과 파일의 메타데이터, 디렉토리 정보 등을 관리한다. 파일 시스템은 파일의 저장 방법을 결정하고 파일을 보호하는 등의 역할을 한다.

 

Directory

디렉토리는 파일의 메타데이터 중 일부를 보관하고 있는 일종의 특별한 파일을 의미한다.

 

디렉토리 파일의 내용을 저장하는 방법

Linear List

<file name, file metadata>의 형태로 리스트를 구성하는 방법이다.

리스트에서 각 entry의 크기를 고정시켜 관리하며 구현이 간단하지만, 디렉토리 내 파일을 찾는 연산을 할 때 Linear Search가 필요하고 시간이 오래 걸려 비효율적이다.

 

Hash Table

file name에 해시 함수를 적용하여 file name이 이 파일의 linear list의 위치로 바꾸어 주는 방법이다. 이를 통해 Search time을 없앨 수 있다.

하지만 서로 다른 파일 이름에 대해 결과값이 같은 entry로 매핑되는 Collision이 발생할 가능성이 있다.

• 해시 함수: 어떤 input 값이 주어지더라도 해시 함수를 적용하면 결과 값이 특정 범위 내의 숫자로 한정된다.

 

Partition (Logical Disk)

하나의 물리적인 디스크 안에 여러 파티션을 두는 것이 일반적이지만, 여러 개의 물리적인 디스크를 하나의 파티션으로 구성하기도 한다.

파티션에 파일 시스템을 설치하거나 Swapping 등 다른 용도로 사용이 가능하다.

 

File의 Operation - open()

open 명령어는 파일의 메타데이터를 메모리에 올려놓는 작업을 수행하는 명령어이다.

 

open 수행 작업

1. 사용자 프로세스가 파일 디렉토리(”/a/b”)를 open 요청하여 System Call을 한다.
2. CPU 제어권이 운영체제로 넘어가게 되고 open 작업을 수행한다.
   • root 디렉토리의 메타데이터를 메모리에 올린다. (open root)
   • root 디렉토리의 메타데이터 내용을 읽어 a의 메타데이터를 찾아 메모리에 올린다. (open a)
   • 디렉토리 파일 a를 읽어 b의 메타데이터를 찾아 메모리에 올린다. (open b)
3. 사용자 프로세스 PCB에서 현재 open한 파일 b의 포인터가 배열 어딘가에 만들어지고, 배열에서의 인덱스(file descriptor)를 가져와 사용자 프로세스에게 반환한다.
   • 각 프로세스마다 프로세스가 오픈한 파일의 메타데이터 포인터를 가지고 있는 배열이 정의되어 있다.
4. 사용자 프로세스는 file descriptor를 바탕으로 read 요청하여 System Call을 한다.
5. 사용자 프로세스 PCB에서 해당 file descriptor에 대응하는 파일의 메타데이터를 찾아 데이터를 운영체제 메모리 공간 일부에 읽어들인다. (buffer caching)
6. 그 이후에 사용자 프로세스에게 copy해서 전달한다.

 

파일의 접근 권한 보호(File Protection)

각 파일에 대해 누구에게 어떤 유형의 접근을 허락할 것인지 제어하는 방법이다.

• Access Control Matrix
• Grouping
• Password

 

Access Control Matrix

행렬을 사용하여 파일별/사용자별로 어떤 접근 권한이 있는지 표시하는 방법이다.

 

하지만 만약 특정 사용자가 본인만 사용하려고 만들어놓은 파일일 경우에는 다른 사용자에 대한 접근 권한이 없을 것이기 때문에 모든 파일, 사용자 크기만큼 행렬을 만든다면 낭비가 될 것이다.

따라서 행렬을 Linked List 형태로 개선할 수 있다. 주체에 따라 두 가지 방법이 있다.

• Access Control List: 파일별로 누구에게 어떤 권한이 있는지 표시
• Capability: 사용자별로 자신이 접근 권한을 가진 파일 및 해당 권한 표시

 

Grouping

Access Control Matrix 방법은 부가적인 오버헤드가 크기 때문에 일반적인 운영체제에서는 Grouping 방법을 통해서 파일의 접근 권한을 제어하고 있다. (owner, group, public)

각 파일에 대해서 사용자 그룹을 세 그룹으로 구분하고, 하나의 파일에 대해 각 그룹마다 접근 권한 표시를 3비트, 총 9비트로 표시한다.

 

Password

모든 파일마다 패스워드를 두는 방법이며, 디렉토리 파일에 두는 방법도 가능하다.

접근 권한별로 별도의 패스워드를 두어야 할 필요가 있다.

패스워드를 두는 방법은 패스워드를 기억하고 관리하는 데 어려운 문제가 있다.

 

File System의 Mounting

서로 다른 파티션에 존재하는 파일 시스템에 대한 접근을 위해서 사용하는 방법이다.

 

파일 접근 방식

• 순차 접근(sequential access): 읽거나 쓰면 offset은 자동적으로 증가한다.
• 직접 접근(direct, random access): 파일을 구성하는 레코드를 임의의 순서로 접근할 수 있다.

 

디스크에 파일을 저장하는 방법 (이론)

• Contiguous Allocation
• Linked Allocation
• Indexed Allocation

 

Contiguous Allocation

하나의 파일이 디스크 상에 연속적으로 저장하는 방법이다.

 

장점

• 한 번의 seek/roatation으로 많은 양의 데이터를 빠르게 읽고 쓸 수 있다. (Fast I/O)
• Realtime file 용으로 사용하고, 이미 실행 중인 프로세스의 Swapping 용으로 사용한다.
• 직접 접근이 가능하다.

단점

• 각 파일들의 길이가 균일하지 않아 외부 조각이 발생할 수 있다.
• 파일은 수정을 통해 크기가 변동할 수 있는데, 연속 할당 규칙을 어기면서 크기를 키울 수가 없다.
• 파일의 grow를 대비해서 빈 공간(hole)을 미리 크게 할당한다면 내부 조각이 발생할 수도 있다. (공간 낭비)

 

Linked Allocation

파일의 시작 위치만 디렉토리가 가지고 있고, 다음 위치는 해당 위치로 이동 시에만 알 수 있는 방법이다.

 

장점

• 디스크에 비어있는 공간을 찾아 저장하므로 외부 조각이 발생하지 않는다.

단점

• 중간에 위치해 있는 파일을 보려면 처음부터 탐색해야 하므로 직접 접근이 불가능하다.
• 한 Sector가 고장나서 포인터가 유실되면 많은 부분을 잃어버릴 수 있는 reliability 문제가 발생할 수 있다.
• block 일부에 포인터를 위한 공간이 있어야 하므로 공간 효율성을 많이 떨어뜨린다.

 

Indexed Allocation

직접 접근을 가능하게 하기 위해서 디렉토리에 파일의 위치 정보를 index를 통해 저장하는 방법이다.

 

장점

• 인덱스를 통해 직접 접근이 가능하며, 비어있는 공간에 저장이 가능하므로 외부 조각이 발생하지 않는다.

단점

• file이 작은 경우 공간 낭비가 될 수 있다. index block과 실제 데이터 block이 필요하기 때문이다.
• file이 매우 큰 경우에 하나의 index block만으로는 부족할 수가 있다.

 

디스크에 파일을 저장하는 방법 (UNIX, Windows)

• UNIX
• Windows 계열에서 사용하는 FAT 파일 시스템

 

UNIX

• Boot block: UNIX뿐만 아니라 모든 파일 시스템의 0번지에 저장해야 하는 block으로, 부팅에 필요한 정보를 담고 있다.
• Super block: 파일 시스템에 관한 총체적인 정보를 담고 있다. (예: 어디까지가 Inode list이며, 어디까지가 Data block인지에 대한 정보)
• Inode list: 파일의 이름을 제외한 모든 메타데이터를 저장하고 있으며, Data block과는 별도로 저장되어 있다.
• Data block: 파일의 실제 정보를 보관하며, 파일의 이름과 Inode 번호를 가진다.

 

FAT(File Allocation Table)

Linked Allocation 방법을 변형한 방법으로, 포인터를 별도의 위치에 보관하여 reliability와 공간 효율성 문제를 해결할 수 있는 방법이다. 또한 디스크 직접 접근이 가능하다.

• FAT: 파일의 메타데이터 위치 정보를 FAT에 보관하고 나머지는 Data block의 디렉토리가 가지고 있으며, Data block의 개수만큼 배열이 정해진다. FAT 배열에는 실제 데이터의 다음 주소가 저장된다.

 

파일 시스템의 빈 공간을 관리하는 방법

• Bit map or Bit vector
• Linked List
• Grouping
• Counting

 

Bit map or Bit vector

각 block별로 사용 중임을 0과 1 bit로 표시하는 방법이다.

bit map은 부가적인 공간을 필요로 하지만, 연속적인 n개의 빈 block을 찾는데 효과적이다.

Linked List

모든 빈 block들을 링크로 연결하는 방법이다.

bit map 방법에 비해서 공간 낭비가 없지만, 연속적인 가용 공간을 찾는 것은 쉽지 않다.

Grouping

첫 번째 빈 block의 위치가 인덱스 역할을 하면서, 첫 번째 block에 빈 block들의 포인터들을 저장한다.

Counting

연속적인 빈 block을 표시하기 위해서 빈 block의 첫 번째 위치와 그로부터 몇 개의 빈 block이 있는지를 함께 표시하여 관리하는 방법이다.

 

VFS와 NFS

VFS(Virtual File System)

서로 다른 다양한 파일 시스템에 대해 동일한 시스템 콜 인터페이스(API)를 통해 접근할 수 있게 해주는 운영체제의 계층이다.

NFS(Network File System)

분산 시스템에서는 네트워크를 통해 파일이 공유될 수 있다.

NFS는 분산 환경에서의 대표적인 파일 공유 방법으로, 로컬 컴퓨터에 있는 파일 시스템뿐만 아니라 원격으로 연결된 컴퓨터의 파일 시스템도 접근 가능하게 지원해준다.

 

Page Cache와 Buffer Cache

Page Cache

가상 메모리의 페이징 시스템에서 사용하는 page frame을 Virtual Memory의 캐싱 관점에서 설명하는 용어

Buffer Cache

파일 시스템을 통한 입출력 연산은 메모리의 특정 영역인 buffer cache를 사용한다. (file system 관점)

Unified Buffer Cache

최근 운영체제에서는 page cache와 buffer cache가 통합되어 관리된다.

buffer cache로 page 단위로 관리된다는 의미이다.