스파스(VHD)

스파스 VHD의 블록 할당 방식은 요구 시 할당 방식을 기반으로 한다. 이 방식은 가상 디스크 파일이 생성될 때 전체 용량에 해당하는 물리적 저장 공간을 즉시 점유하지 않는다. 대신, 가상 디스크 내부에 데이터가 실제로 기록되는 시점에만 해당 데이터 블록을 위한 물리적 공간을 할당한다.

초기 생성 시점의 스파스 VHD 파일은 주로 파일 시스템의 메타데이터만을 포함하며, 그 크기는 매우 작다. 가상 머신이나 호스트 시스템이 가상 디스크의 특정 섹터에 데이터를 쓰려고 할 때, VHD 드라이버는 해당 논리 블록 주소에 매핑된 물리적 공간이 할당되었는지 확인한다. 할당되지 않았다면, 백업 저장소(예: 하드 디스크 드라이브 또는 솔리드 스테이트 드라이브)에서 새로운 블록을 할당하고, 그 블록에 데이터를 기록한 후 내부 매핑 테이블을 업데이트한다.

이 할당 과정은 블록 단위로 관리된다. 블록의 크기는 VHD 형식에 따라 정해지며, 일반적으로 512바이트 섹터의 배수(예: 2MB)로 구성된다. 아래 표는 데이터 쓰기 요청에 따른 블록 할당의 단순화된 예를 보여준다.

이 방식의 핵심은 사용된 공간만큼만 물리적 저장소를 소비한다는 점이다. 할당되지 않은 블록은 일반적으로 0으로 채우기된 상태로 읽히며, 이는 호스트 파일 시스템에서 해당 영역을 실제로 저장하지 않고도 구현된다. 결과적으로 스파스 VHD의 물리적 파일 크기는 가상 디스크에 기록된 유효 데이터의 총량에 따라 동적으로 증가한다.

스파스 VHD의 메타데이터 구조는 가상 디스크의 논리적 블록과 실제 물리적 저장소 간의 매핑을 관리하는 핵심 요소이다. 이 구조는 주로 BAT(Block Allocation Table)과 섹터 비트맵(Sector Bitmap)으로 구성된다.

BAT는 가상 디스크 내 모든 데이터 블록의 할당 상태를 추적하는 테이블이다. 각 BAT 항목은 해당 가상 블록에 데이터가 실제로 저장되어 있는지, 저장되어 있다면 그 데이터가 호스트 파일 시스템 내 어느 위치에 있는지를 가리키는 포인터를 담고 있다. 데이터가 아직 기록되지 않은 빈 블록의 경우 BAT 항목은 특수한 값(예: 0xFFFFFFFF)으로 표시되어 미할당 상태임을 나타낸다. 이 테이블은 VHD 파일의 시작 부분 근처에 위치하며, 가상 디스크에 접근할 때 빠른 조회를 가능하게 한다.

데이터 블록 내부의 세부적인 사용 현황은 섹터 비트맵을 통해 관리된다. 각 데이터 블록에는 해당 블록의 시작 부분에 작은 섹터 비트맵이 함께 저장된다. 이 비트맵은 블록을 구성하는 개별 섹터(일반적으로 512바이트) 단위로, 해당 섹터에 유효한 데이터가 존재하는지 여부를 1비트로 표시한다[1]. 이중 기록 방지를 위해, 호스트 시스템에 데이터를 쓰기 전에 먼저 이 비트맵을 업데이트하여 해당 섹터가 이제 사용 중임을 표시한다. 이 구조는 블록 내에서도 사용되지 않는 섹터 공간을 절약하는 데 기여한다.

이러한 계층적 메타데이터 구조 덕분에 스파스 VHD는 사용된 공간만을 물리적으로 저장하면서도, 가상 머신이나 호스트 시스템에는 완전한 크기의 연속된 디스크처럼 보이는 논리적 뷰를 제공할 수 있다. 메타데이터의 크기는 가상 디스크의 총 용량과 블록 크기에 따라 결정되며, 이는 전체 VHD 파일 크기에 일정 오버헤드로 반영된다.

스파스 VHD의 가장 큰 장점은 물리적 저장 공간을 효율적으로 사용한다는 점이다. 고정 크기 VHD가 파일 생성 시점에 정의된 전체 용량을 즉시 점유하는 반면, 스파스 VHD는 실제로 데이터가 기록되는 블록만 물리적 디스크 공간을 사용한다.

초기 생성 시 스파스 VHD 파일의 크기는 메타데이터를 포함한 매우 작은 크기로 시작한다. 가상 디스크 내부에 게스트 운영 체제가 설치되고 응용 프로그램 데이터가 채워짐에 따라, 해당 데이터가 쓰여지는 논리적 섹터 위치에 대응하는 물리적 데이터 블록이 점진적으로 할당되어 파일 크기가 증가한다. 이 방식은 사용되지 않는 가상 디스크 공간을 위해 물리적 저장 장치의 공간을 미리 예약하지 않으므로, 동일한 논리적 용량의 고정 크기 VHD에 비해 초기 배포 속도가 빠르고 저장소 용량을 절약할 수 있다.

효율성은 특히 여러 개의 유사한 가상 머신을 배포할 때 두드러진다. 예를 들어, 하나의 기본 운영 체제 이미지(템플릿)로부터 여러 개의 스파스 VHD를 생성하면, 초기에는 모든 파일이 거의 동일한 작은 크기를 가지며, 각 가상 머신의 고유한 데이터만 추가적으로 공간을 사용하게 된다. 이는 데이터 중복 제거 기술과 유사한 공간 절감 효과를 제공한다.

이러한 효율성은 물리적 하드 디스크 드라이브 뿐만 아니라 솔리드 스테이트 드라이브와 같은 고성능 저장 장치에서도 유용하다. 제한된 가용 공간 내에서 더 많은 가상 디스크 인스턴스를 호스팅하거나, 빠른 프로비저닝이 요구되는 클라우드 컴퓨팅 환경에서 표준적인 저장 형식으로 채택되는 이유가 된다.

스파스 VHD는 초기 생성 시 물리적인 저장 공간을 거의 차지하지 않기 때문에, 고정 크기 VHD나 동적 확장 VHD에 비해 훨씬 빠르게 생성할 수 있다. 생성 과정은 파일 시스템에 메타데이터 구조와 초기 블록 할당 테이블만 기록하는 것으로 완료된다. 이는 사용자가 지정한 전체 용량의 데이터 영역을 미리 0으로 채울 필요가 없음을 의미한다.

이러한 특성은 대용량 가상 디스크를 빠르게 준비해야 하는 환경에서 큰 장점으로 작용한다. 예를 들어, 수백 기가바이트 또는 테라바이트 단위의 새 가상 머신 디스크를 몇 초 만에 생성할 수 있다. 반면, 같은 용량의 고정 크기 VHD를 생성하려면 지정된 전체 용량만큼의 물리적 공간을 미리 할당하고 0으로 초기화하는 시간이 필요하므로 생성 시간이 크게 길어진다.

빠른 생성 속도는 개발/테스트 사이클, 일회성 작업 환경 구성, 템플릿 기반 인스턴스 배포 등에 매우 유용하다. 시스템 관리자는 표준화된 빈 디스크 이미지를 템플릿으로 보관해 두고, 필요할 때마다 이를 복사하여 새로운 가상 머신에 즉시 할당할 수 있다.

하지만, 이 생성 속도의 이점은 주로 완전히 새로운(빈) 디스크를 만들 때 극대화된다. 기존 데이터가 포함된 VHD 파일을 스파스 형식으로 변환하는 과정은 데이터의 재배치와 블록 테이블 구축이 필요하므로 추가 시간이 소요될 수 있다.

스파스 VHD는 블록 할당 방식으로 인해 읽기 및 쓰기 작업 시 추가적인 처리 단계가 필요하여 성능 저하를 초래할 수 있다. 가상 디스크에 데이터를 쓰기 전에 해당 데이터 블록이 실제로 할당되었는지 확인하는 과정이 선행되어야 한다. 할당되지 않은 블록에 쓰기를 수행할 경우, 호스트 파일 시스템 내에서 물리적 저장 공간을 먼저 할당받아야 하므로 고정 크기 VHD에 비해 지연이 발생한다.

읽기 작업에서도 성능 오버헤드가 나타난다. 가상 머신이나 호스트 시스템이 할당되지 않은 블록 영역에서 데이터를 읽으려고 하면, 해당 블록은 실제 데이터를 포함하지 않으므로 0으로 채워진 버퍼를 반환해야 한다. 이 논리적 판단과 버퍼 생성 과정은 순수한 물리적 읽기 작업보다 더 많은 CPU 자원을 소모한다.

성능 영향은 워크로드의 특성과 접근 패턴에 크게 의존한다. 작은 파일을 무작위로 많이 읽고 쓰는 I/O 집약적 작업은 블록 할당 상태를 반복적으로 확인해야 하므로 오버헤드가 두드러진다. 반면, 대용량 파일을 순차적으로 처리하거나 디스크 내 대부분의 블록이 이미 할당된 상태에서는 오버헤드가 상대적으로 작다.

따라서 스파스 VHD의 사용은 저장 공간 절약이라는 장점과 이러한 성능 오버헤드를 교환하는 트레이드오프 관계에 있다. 성능이 중요한 가상 머신의 시스템 디스크나 데이터베이스 파일 저장에는 적합하지 않을 수 있다.

스파스 VHD는 데이터가 기록된 블록만 물리적으로 할당하는 방식으로 인해, 시간이 지남에 따라 단편화가 발생할 수 있다. 이는 가상 디스크 내부의 논리적 데이터 배치가 물리적 저장 매체 상에서 흩어져 저장되는 현상을 의미한다.

단편화는 주로 가상 디스크에 파일의 생성, 삭제, 수정이 반복적으로 이루어질 때 심화된다. 예를 들어, 대용량 파일을 삭제하면 그 공간이 비게 되고, 이후 새로 기록되는 작은 파일들은 이 빈 공간들에 산발적으로 채워진다. 결과적으로 하나의 연속된 파일을 읽거나 쓰기 위해 물리적으로 분산된 여러 블록에 접근해야 하므로, 입출력 성능이 저하될 수 있다. 특히 기계식 하드 디스크 드라이브와 같이 순차 접근 성능이 뛰어난 저장 매체에서 이 오버헤드가 두드러진다.

이 문제를 완화하기 위해 가상 머신 호스트 측에서 주기적인 디스크 조각 모음 도구를 사용하거나, 스파스 VHD 파일을 고정 크기 VHD 형식으로 변환하는 방법을 고려할 수 있다. 그러나 변환 작업 자체는 상당한 시간과 임시 저장 공간을 필요로 한다. 또한, 솔리드 스테이트 드라이브에서는 임의 접근 성능이 우수하여 단편화의 성능 영향이 상대적으로 적지만, 여전히 쓰기 증폭 등을 고려한 관리가 필요하다.

스파스 VHD는 가상 머신의 기본 디스크 이미지 형식으로 널리 사용된다. 특히 개발, 테스트 환경 또는 단기적인 작업을 위해 신속하게 가상 머신을 배포해야 할 때 유리하다. 호스트 시스템의 물리적 저장 공간을 초기에 많이 차지하지 않으므로, 수십 개의 가상 머신 템플릿을 보관하거나 동일한 기본 이미지에서 여러 가상 머신 인스턴스를 빠르게 생성하는 데 적합하다.

가상 머신 배포 과정에서 스파스 VHD는 차등 디스크 또는 연결된 클론 기술과 결합되어 사용되기도 한다. 이 경우 하나의 읽기 전용 부모 스파스 VHD와 자식 디스크를配对하여 배포한다. 모든 가상 머신이 공통의 기본 이미지를 공유하면서도, 각 가상 머신의 고유한 데이터 변경사항만 자식 디스크에 기록된다. 이 방식은 저장소 사용량을 극적으로 줄이고, 패치 적용이나 이미지 업데이트를 효율적으로 관리할 수 있게 한다.

주요 하이퍼바이저 플랫폼은 대부분 이 형식을 지원한다.

이러한 배포 방식은 클라우드 컴퓨팅 환경의 IaaS 서비스에서 가상 머신 인스턴스를 제공하는 기반 기술로도 작동한다. 사용자가 클라우드 포털을 통해 가상 머신을 생성하면, 플랫폼은 내부적으로 스파스 VHD 기반의 이미지에서 디스크를 할당하여 신속하게 프로비저닝을 완료한다.

스파스 VHD는 클라우드 컴퓨팅 환경에서 스토리지 자원을 효율적으로 관리하는 데 널리 사용된다. 클라우드 서비스 제공업체는 사용자에게 할당된 가상 머신의 시스템 디스크나 데이터 디스크 이미지를 스파스 VHD 형식으로 저장하여 물리적 스토리지 사용량을 최소화한다. 이 방식은 동일한 운영체제 템플릿으로 수백, 수천 개의 가상 머신을 빠르게 프로비저닝할 때 특히 유용하다. 실제 데이터가 기록되지 않은 빈 블록은 물리적으로 공간을 차지하지 않으므로, 스토리지 비용을 절감하고 전체적인 인프라 효율성을 높인다.

주요 클라우드 플랫폼인 마이크로소프트 애저, 아마존 웹 서비스, 구글 클라우드 플랫폼 등은 자체적인 스파스 디스크 형식을 사용하거나, VHD/VHDX와 유사한 원리의 스파스 기술을 스토리지 백엔드에 적용한다. 사용자가 클라우드 포털을 통해 가상 디스크를 생성하면, 초기에는 매우 작은 크기의 스파스 파일이 생성되고, 가상 머신이 운영되며 데이터가 쓰이면서 점진적으로 물리적 공간을 확보해 나간다. 이는 사용자에게는 완전한 크기의 디스크로 보이지만, 실제로는 사용한 만큼의 스토리지에 대해서만 비용을 지불하는 종량제 모델과 완벽하게 부합한다.

스파스 VHD는 클라우드 환경의 스냅샷 및 백업 서비스의 기반 기술로도 작동한다. 초기 스냅샷은 원본 스파스 VHD 파일에 대한 참조로 생성되며, 이후 변경된 블록만 새로운 공간에 저장하는 Copy-on-Write 방식을 사용한다. 이를 통해 빠른 스냅샷 생성과 효율적인 스토리지 관리가 가능해진다. 또한, 스파스 VHD 이미지는 네트워크를 통해 전송하거나 객체 스토리지에 보관할 때 그 크기가 작아 대역폭과 저장 공간을 절약할 수 있다.

고정 크기 VHD는 생성 시점에 지정된 전체 용량이 물리적 저장 공간에 즉시 할당되는 가상 하드 디스크 형식이다. 가상 디스크 파일의 크기는 처음부터 끝까지 항상 동일하며, 게스트 운영 체제가 실제로 데이터를 쓰는지 여부와 관계없이 전체 용량을 점유한다. 예를 들어, 100GB의 고정 크기 VHD를 생성하면 호스트 파일 시스템에 100GB의 파일이 바로 생성된다.

이 방식은 내부적으로 단순한 구조를 가진다. 가상 디스크는 파일 내에서 연속된 데이터 블록으로 구성되며, 섹터와 트랙의 매핑이 직접적이다. 이로 인해 가상 디스크의 특정 논리 블록 주소(LBA)를 호스트 파일의 오프셋으로 변환하는 과정이 간단하고 빠르다. 단편화가 발생할 여지가 거의 없어 일관된 I/O 성능을 제공하는 것이 주요 특징이다.

성능 측면에서 고정 크기 VHD는 일반적으로 다른 유형의 VHD보다 우수하다. 미리 공간이 모두 할당되어 있기 때문에 파일을 확장하기 위한 오버헤드가 발생하지 않으며, 데이터 쓰기 시 추가적인 메타데이터 업데이트 작업이 필요 없다. 이는 데이터베이스 서버나 트랜잭션 처리와 같이 지연 시간이 중요한 워크로드에 유리하다.

그러나 저장 공간 사용 효율성은 상대적으로 낮다. 가상 머신이 초기에 적은 용량만 사용하더라도 전체 디스크 용량에 해당하는 물리적 공간을 선점한다. 따라서 디스크 공간이 제한된 환경에서는 여러 개의 고정 크기 VHD를 관리하는 것이 부담이 될 수 있다. 생성 시간 또한 동적 또는 스파스 형식에 비해 더 오래 걸린다[3].

동적 확장 VHD는 사용자가 지정한 최대 용량까지 파일 크기가 필요에 따라 자동으로 증가하는 가상 하드 디스크 형식이다. 초기 생성 시에는 실제 데이터를 저장하는 데 필요한 최소한의 물리적 공간만 차지하며, 가상 머신이 디스크에 데이터를 기록함에 따라 VHD 파일의 크기가 점진적으로 커진다. 이 방식은 스파스 파일 기술을 기반으로 하여, 할당되지 않은 블록에 대해서는 호스트 시스템의 물리적 저장 공간을 사용하지 않는다.

동작 원리상, 가상 머신 내부의 운영 체제는 고정된 크기의 디스크를 사용하는 것처럼 인식하지만, 호스트 시스템에서는 VHD 파일이 가상 디스크의 논리적 크기보다 훨씬 작게 유지된다. 새로운 데이터가 쓰여질 때마다 VHD 파일 내부에 해당 데이터 블록이 할당되고 파일 크기가 그만큼 증가한다. 이 과정은 가상 디스크가 사용자가 설정한 최대 용량에 도달할 때까지 반복된다.

이 형식은 특히 개발, 테스트 환경이나 사용 패턴이 예측하기 어려운 경우에 유용하다. 다만, 파일이 물리적 저장 장치에 연속적으로 할당되지 않고 단편화될 수 있어, 시간이 지남에 따라 읽기/쓰기 성능이 저하될 수 있다는 단점을 가진다. 또한 파일 크기가 자주 변동하기 때문에 호스트 시스템의 디스크 조각 모음 유틸리티를 정기적으로 실행하여 성능을 최적화하는 것이 권장된다.

스파스 VHD 파일의 크기를 줄이거나 다른 형식으로 변환하기 위해 다양한 도구를 사용할 수 있다. 대표적인 도구로는 마이크로소프트의 디스크 관리 콘솔과 PowerShell의 Optimize-VHD 및 Convert-VHD cmdlet이 있다. 또한 VirtualBox의 VBoxManage 명령어나 QEMU의 qemu-img 유틸리티와 같은 타사 가상화 플랫폼의 도구들도 호환되는 형식으로의 변환을 지원한다.

최적화 작업은 주로 가상 머신을 종료한 상태에서 수행하는 것이 안전하다. Optimize-VHD cmdlet을 사용할 경우 -Mode Full 매개변수를 지정하면 파일 내부의 빈 공간을 0으로 채운 후 사용되지 않는 데이터 블록을 제거하여 물리적 파일 크기를 줄일 수 있다. 변환 작업은 기존 파일을 읽어 새로운 형식의 파일을 생성하는 방식으로 이루어지므로, 원본 파일은 보존되고 디스크 공간이 추가로 필요하다. 변환 과정에서 데이터 무결성을 보장하기 위해 사전에 가상 디스크의 오류 검사를 수행하는 것이 좋다.

스파스 VHD의 상태와 성능을 확인하기 위해서는 몇 가지 주요 지표를 지속적으로 관찰해야 한다. 주로 모니터링하는 항목으로는 실제 사용 공간 대 할당된 논리적 크기의 비율, 단편화 정도, 그리고 읽기/쓰기 성능이 포함된다. 대부분의 가상화 플랫폼이나 호스트 운영 체제는 이러한 정보를 제공하는 기본 도구를 포함하고 있다.

성능 모니터링은 특히 중요하다. 스파스 VHD는 데이터 블록이 물리적으로 분산되어 저장될 수 있어, 접근 패턴에 따라 성능 저하가 발생할 수 있다. 따라서 IOPS와 처리량, 응답 시간을 정기적으로 측정하여 기준치와 비교하는 것이 필요하다. 성능이 예상보다 낮게 나온다면, 디스크 내부의 단편화가 원인일 수 있으며, 이 경우 압축 및 변환 도구를 사용해 디스크를 재구성하는 것이 도움이 된다.

정기적인 모니터링을 통해 공간 사용률이 지속적으로 높아지는 경향을 발견하면, 더 큰 저장 공간을 미리 확보하거나 동적 확장 VHD의 최대 크기 설정을 검토할 수 있다. 또한, 스냅샷과 연결된 스파스 VHD의 경우, 부모-자식 체인 구조가 복잡해지면서 성능에 영향을 미칠 수 있으므로, 이러한 체인의 길이와 상태도 점검 대상에 포함시킨다.