파일 시스템 내부 구조

파일 시스템 구현의 기본 원리를 살펴본 후, 이제 실제 파일 시스템의 내부 구조와

성능 최적화 기법을 더 깊이 알아봅니다.

ext4, APFS 등 현대 파일 시스템의 구조와 NFS를 포함한 네트워크 파일 시스템도 다룹니다.

1. 파일 시스템 마운팅

운영체제는 파일 시스템을 사용하기 전에 마운트해야 합니다.

마운트는 파일 시스템을 디렉토리 트리의 특정 지점(마운트 포인트)에 연결하는 것입니다.

마운트 전: 마운트 후:

/ (루트) / (루트)

╱ ╲ ╱ ╲

home mnt home mnt

│ │ (비어 있음) │ │

user1 user1 ┌──────────────┐

│ USB 드라이브 │

│ (ext4) │

│ photos/ │

│ docs/ │

└──────────────┘

/mnt/photos 로 접근 가능

마운트 명령어 예시

장치를 마운트 포인트에 연결

mount /dev/sdb1 /mnt

특정 파일 시스템 타입 지정

mount -t ext4 /dev/sdb1 /mnt

읽기 전용 마운트

mount -o ro /dev/sdb1 /mnt

현재 마운트 목록 확인

mount | column -t

언마운트

umount /mnt

/etc/fstab 파일

부팅 시 자동으로 마운트할 파일 시스템을 정의합니다.

/etc/fstab 예시

장치 마운트포인트 타입 옵션 덤프 패스

/dev/sda1 / ext4 defaults 0 1

/dev/sda2 /home ext4 defaults 0 2

/dev/sdb1 /data xfs noatime 0 2

tmpfs /tmp tmpfs size=2G 0 0

2. 파티션과 블록 그룹

디스크 파티션 구조

┌──────────────────────────────────────────────────┐

│ 물리 디스크 │

│ │

│ ┌─────┬────────────┬────────────┬────────────┐ │

│ │ MBR │ Partition 1│ Partition 2│ Partition 3│ │

│ │ │ (ext4) │ (swap) │ (ext4) │ │

│ │ │ / │ │ /home │ │

│ └─────┴────────────┴────────────┴────────────┘ │

│ │

│ GPT (GUID Partition Table): │

│ ┌─────┬──────┬──────┬──────┬───────┬─────┐ │

│ │ MBR │ GPT │Part 1│Part 2│ ... │ GPT │ │

│ │보호용│헤더 │ │ │ │백업 │ │

│ └─────┴──────┴──────┴──────┴───────┴─────┘ │

└──────────────────────────────────────────────────┘

블록 그룹 (ext4)

ext4는 디스크를 여러 블록 그룹으로 나누어 관리합니다.

┌────────────────────────────────────────────────────┐

│ ext4 파일 시스템 레이아웃 │

│ │

│ ┌──────┬──────────┬──────────┬──────────┬────────┐ │

│ │Group │ Group 0 │ Group 1 │ Group 2 │ ... │ │

│ │ 0 │ │ │ │ │ │

│ └──────┴──────────┴──────────┴──────────┴────────┘ │

│ │

│ 각 블록 그룹 내부: │

│ ┌────────┬────────┬────────┬────────┬────────────┐ │

│ │ Super │ Group │ Block │ inode │ Data │ │

│ │ Block │ Desc. │ Bitmap │ Table │ Blocks │ │

│ │ (백업) │ Table │+ inode │ │ │ │

│ │ │ │ Bitmap │ │ │ │

│ └────────┴────────┴────────┴────────┴────────────┘ │

└────────────────────────────────────────────────────┘

블록 그룹의 장점:

- **지역성(Locality)**: 관련 데이터를 가까이 배치하여 디스크 탐색 최소화

- **병렬 처리**: 서로 다른 블록 그룹에 대한 작업을 병렬로 수행 가능

- **안정성**: 슈퍼블록과 그룹 디스크립터 백업으로 복구 가능

3. ext4 파일 시스템 내부 구조

ext4는 Linux에서 가장 널리 사용되는 파일 시스템입니다.

ext4 주요 특징

| 특성 | 값 |

| ------------------- | ------------------- |

| 최대 파일 크기 | 16 TiB |

| 최대 볼륨 크기 | 1 EiB |

| 최대 파일 이름 길이 | 255 바이트 |

| 최대 디렉토리 깊이 | 무제한 |

| 저널링 | 지원 (ordered 기본) |

| 익스텐트 | 지원 |

익스텐트 (Extent) 기반 할당

ext4는 기존의 간접 블록 포인터 대신 익스텐트를 사용합니다.

기존 방식 (ext2/ext3): ext4 익스텐트:

inode → 직접 포인터 12개 inode → 익스텐트 트리

→ 단일 간접 포인터

→ 이중 간접 포인터 익스텐트: (시작 블록, 길이)

→ 삼중 간접 포인터 하나의 익스텐트로 연속 블록 표현

예: 100개 연속 블록 예: 100개 연속 블록

→ 100개의 포인터 필요 → 1개의 익스텐트 (start=50, len=100)

// ext4 익스텐트 구조체 (간단화)

struct ext4_extent {

uint32_t ee_block; // 논리 블록 번호

uint16_t ee_len; // 블록 수 (최대 32768)

uint16_t ee_start_hi; // 물리 블록 상위 16비트

uint32_t ee_start_lo; // 물리 블록 하위 32비트

};

// 익스텐트 트리 헤더

struct ext4_extent_header {

uint16_t eh_magic; // 매직 넘버 (0xF30A)

uint16_t eh_entries; // 유효한 엔트리 수

uint16_t eh_max; // 최대 엔트리 수

uint16_t eh_depth; // 트리 깊이 (0 = 리프)

uint32_t eh_generation;

};

ext4의 지연 할당 (Delayed Allocation)

전통적 방식: 지연 할당:

write() 호출 write() 호출

│ │

├→ 블록 할당 (즉시) ├→ 페이지 캐시에 데이터 저장

├→ 디스크에 쓰기 │ (블록 아직 미할당)

└→ 완료 │

├→ flush 시점

│ ├→ 연속 블록 한번에 할당

│ └→ 디스크에 쓰기

└→ 완료

장점: 연속 블록 할당 가능성 증가, 성능 향상

4. Apple File System (APFS)

APFS는 Apple이 HFS+를 대체하기 위해 개발한 파일 시스템입니다.

APFS 주요 특징

┌──────────────────────────────────────────┐

│ APFS 컨테이너 │

│ │

│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │

│ │ Volume 1 │ │ Volume 2 │ │ Volume 3 │ │

│ │ (macOS) │ │ (Data) │ │ (Preboot)│ │

│ └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ │

│ │

│ 공간 공유: 볼륨들이 컨테이너 내 │

│ 빈 공간을 동적으로 공유 │

└──────────────────────────────────────────┘

- **Copy-on-Write (CoW)**: 데이터를 수정할 때 원본을 보존하고 새 위치에 기록

- **스냅샷**: CoW를 활용한 시점 복구 지원

- **공간 공유**: 하나의 컨테이너 내 여러 볼륨이 공간을 동적으로 공유

- **암호화**: 파일/볼륨 단위 네이티브 암호화 지원

- **클론**: 파일/디렉토리의 즉각적인 복사 (메타데이터만 복사, 수정 시 실제 복사)

Copy-on-Write 동작

초기 상태:

Block A → [Original Data]

수정 시 (CoW):

Block A → [Original Data] (보존)

Block B → [Modified Data] (새 위치에 기록)

메타데이터 포인터가 Block B를 가리키도록 업데이트

스냅샷이 있으면:

스냅샷 → Block A (원본 참조 유지)

현재 → Block B (수정본 참조)

5. 성능 최적화

버퍼 캐시 (Buffer Cache)

애플리케이션 read() 요청

│

▼

┌──────────────────┐

│ 버퍼 캐시 │

│ (커널 메모리) │

│ │

│ [블록 42: data] │ ← 캐시 히트: 즉시 반환

│ [블록 88: data] │

│ [블록 15: data] │

│ [블록 7: data] │

└────────┬─────────┘

│ 캐시 미스

▼

┌─────────┐

│ 디스크 │ → 읽은 후 캐시에 저장

└─────────┘

미리 읽기 (Read-Ahead)

순차 접근 패턴을 감지하면 다음 블록을 미리 읽어 캐시에 저장합니다.

요청 패턴: 블록 1 → 블록 2 → 블록 3 → ...

블록 3 요청 시:

커널이 순차 패턴 감지 → 블록 4, 5, 6, 7도 미리 읽기

┌────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┐

│ B1 │ B2 │ B3 │ B4 │ B5 │ B6 │ B7 │

│요청│요청│요청│미리│미리│미리│미리│

│완료│완료│반환│읽기│읽기│읽기│읽기│

└────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┘

Free-Behind

순차 읽기 시 이미 사용된 페이지를 캐시에서 제거하여 캐시 공간을 확보합니다.

순차 읽기 진행 방향 →

캐시 상태:

[B1] [B2] [B3] [B4] [B5] ← 일반 LRU

↑ 오래된 페이지도 캐시에 남음

[--] [--] [B3] [B4] [B5] ← Free-Behind 적용

↑ 읽은 후 바로 해제 → 새 데이터를 위한 공간 확보

페이지 캐시와 버퍼 캐시의 통합 (Unified Buffer Cache)

과거 (분리): 현재 (통합):

┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────────────────┐

│ 페이지 │ │ 버퍼 │ │ 통합 페이지 캐시 │

│ 캐시 │ │ 캐시 │ │ │

│(mmap용) │ │(read용) │ │ mmap과 read/write │

│ │ │ │ │ 모두 같은 캐시 사용 │

└──────────┘ └──────────┘ └──────────────────────┘

같은 데이터 중복 캐시 가능 중복 제거, 일관성 보장

6. NFS (Network File System)

NFS는 네트워크를 통해 원격 파일 시스템에 접근하는 분산 파일 시스템 프로토콜입니다.

NFS 아키텍처

클라이언트 서버

┌──────────────────┐ ┌──────────────────┐

│ 사용자 프로세스 │ │ │

│ open("/mnt/f") │ │ │

├──────────────────┤ │ │

│ VFS │ │ │

├──────────────────┤ ├──────────────────┤

│ NFS 클라이언트 │ │ NFS 서버 데몬 │

│ (nfsd) │ ← RPC/XDR →│ (nfsd) │

├──────────────────┤ ├──────────────────┤

│ 네트워크 │ │ 로컬 │

│ (TCP/UDP) │ │ 파일 시스템 │

└──────────────────┘ └──────────────────┘

NFS 마운트

NFS 서버에서 공유 디렉토리 설정

/etc/exports

/data 192.168.1.0/24(rw,sync,no_subtree_check)

NFS 서비스 시작

sudo systemctl start nfs-server

클라이언트에서 마운트

sudo mount -t nfs server:/data /mnt/nfs

/etc/fstab에 추가하여 부팅 시 자동 마운트

server:/data /mnt/nfs nfs defaults 0 0

NFS의 무상태(Stateless) 설계

NFS v3는 무상태 프로토콜로 설계되었습니다.

무상태 장점:

- 서버 충돌 후 재시작 시 클라이언트 재연결 불필요

- 서버가 클라이언트별 상태를 관리하지 않아 확장성 우수

무상태 구현:

- 파일 핸들(file handle)로 파일 식별

- 각 요청이 독립적 (오프셋 등 필요한 정보를 모두 포함)

- 캐싱은 클라이언트 측에서 처리

NFS v4 변화:

- 상태 유지(stateful) 프로토콜로 전환

- 파일 잠금, 위임(delegation) 등 고급 기능 지원

- 보안 강화 (Kerberos 인증)

7. 정리

- **마운팅**: 파일 시스템을 디렉토리 트리에 연결하는 과정

- **블록 그룹**: 데이터 지역성을 높이고 탐색 시간을 줄이는 구조

- **ext4**: 익스텐트, 지연 할당, 저널링으로 성능과 안정성 확보

- **APFS**: Copy-on-Write, 스냅샷, 공간 공유 등 현대적 기능

- **성능 최적화**: 버퍼 캐시, 미리 읽기, Free-Behind, 통합 페이지 캐시

- **NFS**: RPC 기반 네트워크 파일 시스템, v3 무상태 / v4 상태 유지

**Q1.** ext4의 익스텐트(extent)가 기존 간접 블록 포인터보다 좋은 이유는 무엇인가요?

**A1.** 익스텐트는 연속된 물리 블록을 (시작 블록, 길이)로 표현하므로,

대용량 파일에서 수천 개의 개별 블록 포인터 대신 소수의 익스텐트로 관리할 수 있습니다.

이를 통해 메타데이터 오버헤드가 줄고, 연속 블록을 한 번의 I/O로 읽을 수 있어 성능이 향상됩니다.

**Q2.** Copy-on-Write(CoW)의 장점과 단점은 무엇인가요?

**A2.** 장점: 원본 데이터를 보존하므로 스냅샷 구현이 용이하고, 충돌 시 일관성을 유지합니다.

또한 파일 복제(clone)가 O(1)으로 빠릅니다.

단점: 수정 시 항상 새 위치에 기록하므로 순차 쓰기가 랜덤 쓰기로 변할 수 있고,

조각화가 발생할 수 있습니다.

**Q3.** NFS v3가 무상태 프로토콜인 이유와 v4에서 상태 유지로 전환한 이유는?

**A3.** v3의 무상태 설계는 서버 충돌 후 재시작이 간단하고 확장성이 좋습니다.

그러나 파일 잠금이나 캐시 일관성 등 고급 기능 구현이 어렵습니다.

v4는 상태를 유지하여 파일 잠금, 위임(delegation), 보안 등

더 풍부한 기능을 지원하도록 발전했습니다.