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文檔簡介
1、1細致講解大容量存儲器結(jié)構(gòu)細致講解大容量存儲器結(jié)構(gòu)磁盤結(jié)構(gòu)磁盤結(jié)構(gòu)磁盤調(diào)度磁盤調(diào)度磁盤管理磁盤管理交換空間管理交換空間管理RAID結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)磁盤附屬磁盤附屬穩(wěn)定存儲實現(xiàn)穩(wěn)定存儲實現(xiàn)第三級存儲結(jié)構(gòu)第三級存儲結(jié)構(gòu)2主要問題主要問題 討論為改善性能而調(diào)度磁盤討論為改善性能而調(diào)度磁盤I/O順序的磁盤調(diào)度算法順序的磁盤調(diào)度算法 討論磁盤格式化以及啟動塊、壞塊和交換空間的管理討論磁盤格式化以及啟動塊、壞塊和交換空間的管理 簡單描述第三級存儲設(shè)備及操作系統(tǒng)使用第三級存儲所引簡單描述第三級存儲設(shè)備及操作系統(tǒng)使用第三級存儲所引起的問題起的問題3磁盤結(jié)構(gòu)磁盤結(jié)構(gòu) 磁盤:為現(xiàn)代計算機提供了大容量的磁盤:為現(xiàn)代計算機提
2、供了大容量的次級存儲次級存儲 磁盤驅(qū)動器:一維的磁盤驅(qū)動器:一維的邏輯塊邏輯塊數(shù)組數(shù)組 邏輯塊:最小的傳輸單位邏輯塊:最小的傳輸單位 映射:一維邏輯塊按順序映射到磁盤的映射:一維邏輯塊按順序映射到磁盤的扇區(qū)扇區(qū) 映射順序:磁道內(nèi)扇區(qū)順序映射順序:磁道內(nèi)扇區(qū)順序柱面內(nèi)磁道順序柱面內(nèi)磁道順序從外到內(nèi)從外到內(nèi)的柱面順序的柱面順序 實際映射時的困難實際映射時的困難0絕大多數(shù)磁盤都有一些缺陷扇區(qū),映射必須用磁盤上絕大多數(shù)磁盤都有一些缺陷扇區(qū),映射必須用磁盤上的其他空閑扇區(qū)來替代的其他空閑扇區(qū)來替代0有些磁盤,每個磁道的扇區(qū)數(shù)并不是常數(shù)有些磁盤,每個磁道的扇區(qū)數(shù)并不是常數(shù)4磁盤調(diào)度磁盤調(diào)度 磁盤帶寬磁盤帶
3、寬0所傳遞的總的字節(jié)數(shù)除以從服務(wù)請求開始到最后傳遞所傳遞的總的字節(jié)數(shù)除以從服務(wù)請求開始到最后傳遞結(jié)束時的總時間結(jié)束時的總時間 訪問時間(訪問速度)訪問時間(訪問速度)0尋道時間:磁臂將磁頭移動到包含目標(biāo)扇區(qū)的柱面的尋道時間:磁臂將磁頭移動到包含目標(biāo)扇區(qū)的柱面的時間時間通常用來衡量調(diào)度算法的性能通常用來衡量調(diào)度算法的性能0旋轉(zhuǎn)延遲:磁盤將目標(biāo)扇區(qū)轉(zhuǎn)動到磁頭下的時間旋轉(zhuǎn)延遲:磁盤將目標(biāo)扇區(qū)轉(zhuǎn)動到磁頭下的時間51、FCFS調(diào)度調(diào)度 先來先服務(wù)(先來先服務(wù)( FCFS ):按請求到來的順序進行服務(wù)):按請求到來的順序進行服務(wù) 優(yōu)點:比較公平優(yōu)點:比較公平 缺點:通常不能提供最快的服務(wù)缺點:通常不能提供
4、最快的服務(wù) 例:例:有一個磁盤隊列,其有一個磁盤隊列,其I/O對各個柱面上塊的請求順序如下:對各個柱面上塊的請求順序如下: 98,183,37,122,14,124,65,67磁頭開始位于磁頭開始位于536FCFS:總的磁頭移動量為總的磁頭移動量為640柱面柱面72、SSTF調(diào)度調(diào)度 最短尋道時間優(yōu)先算法(最短尋道時間優(yōu)先算法(shortest-seek-time-first)0從當(dāng)前磁頭位置選擇最短尋道時間的請求,即選擇與從當(dāng)前磁頭位置選擇最短尋道時間的請求,即選擇與當(dāng)前磁頭位置最近的待處理請求當(dāng)前磁頭位置最近的待處理請求 優(yōu)點:較優(yōu)點:較FCFS大大提高了性能大大提高了性能 缺點:可能會導(dǎo)
5、致一些請求得不到服務(wù),并不是最佳缺點:可能會導(dǎo)致一些請求得不到服務(wù),并不是最佳 例:例:有一個磁盤隊列,其有一個磁盤隊列,其I/O對各個柱面上塊的請求順序如下:對各個柱面上塊的請求順序如下: 98,183,37,122,14,124,65,67磁頭開始位于磁頭開始位于538SSTF:總的磁頭移動量為總的磁頭移動量為236柱面柱面93、SCAN調(diào)度調(diào)度 SCAN算法又稱電梯算法算法又稱電梯算法0磁臂從磁盤的一端向另一端移動,同時當(dāng)磁頭移過每磁臂從磁盤的一端向另一端移動,同時當(dāng)磁頭移過每個柱面時,處理位于該柱面上的服務(wù)請求。當(dāng)?shù)竭_另個柱面時,處理位于該柱面上的服務(wù)請求。當(dāng)?shù)竭_另一端(一端(磁盤的盡
6、頭磁盤的盡頭)時,磁頭改變方向,處理繼續(xù)。)時,磁頭改變方向,處理繼續(xù)。 需要知道磁頭的當(dāng)前位置和磁頭移動的方向需要知道磁頭的當(dāng)前位置和磁頭移動的方向 某些請求處理可能不及時某些請求處理可能不及時 例:例:有一個磁盤隊列,其有一個磁盤隊列,其I/O對各個柱面上塊的請求順序如下:對各個柱面上塊的請求順序如下: 98,183,37,122,14,124,65,67磁頭開始位于磁頭開始位于53,向,向0方向移動方向移動10SCAN:總的磁頭移動量為總的磁頭移動量為236柱面柱面114、C-SCAN調(diào)度調(diào)度 SCAN調(diào)度的變種調(diào)度的變種0將磁頭從磁盤一端移到另一端(將磁頭從磁盤一端移到另一端(磁盤的盡
7、頭磁盤的盡頭),隨著),隨著移動不斷的處理請求。不過,當(dāng)磁頭移到另一端時,移動不斷的處理請求。不過,當(dāng)磁頭移到另一端時,馬上返回到磁盤開始(馬上返回到磁盤開始(磁盤的盡頭磁盤的盡頭) ,返回時不處理,返回時不處理請求。請求。 例:例:有一個磁盤隊列,其有一個磁盤隊列,其I/O對各個柱面上塊的請求順序如下:對各個柱面上塊的請求順序如下: 98,183,37,122,14,124,65,67磁頭開始位于磁頭開始位于53,向,向199方向移動方向移動12C-SCAN:總的磁頭移動量為總的磁頭移動量為382柱面柱面135、LOOK與與C-LOOK調(diào)度調(diào)度 SCAN和和C-SCAN的變種的變種0磁頭只移
8、動到一個方向上最遠的請求為止,然后馬上磁頭只移動到一個方向上最遠的請求為止,然后馬上回頭,而不是繼續(xù)到磁盤的盡頭回頭,而不是繼續(xù)到磁盤的盡頭 例:例:有一個磁盤隊列,其有一個磁盤隊列,其I/O對各個柱面上塊的請求順序如下:對各個柱面上塊的請求順序如下: 98,183,37,122,14,124,65,67磁頭開始位于磁頭開始位于53,向,向199方向移動方向移動14C-LOOK:總的磁頭移動量為總的磁頭移動量為322柱面柱面15LOOK:總的磁頭移動量為總的磁頭移動量為299柱面柱面16調(diào)度算法練習(xí)調(diào)度算法練習(xí) 假設(shè)移動頭磁盤有假設(shè)移動頭磁盤有200個磁道(個磁道(0199)。目前正在處理)。
9、目前正在處理143號磁道上的請求,而剛剛處理結(jié)束的請求是號磁道上的請求,而剛剛處理結(jié)束的請求是125號,號,如果下面給出的順序是按如果下面給出的順序是按FIFO算法排成的等待服務(wù)隊列算法排成的等待服務(wù)隊列順序:順序:86,147,91,177,94,150,102,175,130那么,用下列各種磁盤調(diào)度算法來滿足這些請求所需的總那么,用下列各種磁盤調(diào)度算法來滿足這些請求所需的總磁頭移動量是多少?(磁頭移動量是多少?(1)FCFS(2)SSTF(3)SCAN(4)C-SCAN(5)LOOK(6)C-LOOK17(1)FCFS:5650 86 91 94 102 130 143 147 150 1
10、75 177 19918(2)SSTF:1620 86 91 94 102 130 143 147 150 175 177 19919(3)SCAN:1690 86 91 94 102 130 143 147 150 175 177 19920(4)C_SCAN:3850 86 91 94 102 130 143 147 150 175 177 19921(5)LOOK:1250 86 91 94 102 130 143 147 150 175 177 19922(6)C_LOOK:1690 86 91 94 102 130 143 147 150 175 177 199236、磁盤調(diào)度算法的
11、選擇、磁盤調(diào)度算法的選擇 比較比較0SSTF較為普遍且很有吸引力,比較為普遍且很有吸引力,比FCFS性能好性能好0SCAN和和C-SCAN對于磁盤負荷較大的系統(tǒng)會執(zhí)行的對于磁盤負荷較大的系統(tǒng)會執(zhí)行的更好,他們不會產(chǎn)生餓死問題更好,他們不會產(chǎn)生餓死問題0SSTF和和LOOK是比較合理的缺省算法是比較合理的缺省算法 選擇依據(jù)選擇依據(jù)0請求的數(shù)量請求的數(shù)量0請求的類型請求的類型0文件分配方法文件分配方法0目錄和索引塊的位置目錄和索引塊的位置2414.3 磁盤管理磁盤管理1. 磁盤格式化磁盤格式化低級格式化低級格式化(物理格式化):在磁盤能存儲數(shù)據(jù)之前,(物理格式化):在磁盤能存儲數(shù)據(jù)之前,將其分成扇
12、區(qū)以便磁盤控制器能讀和寫的過程將其分成扇區(qū)以便磁盤控制器能讀和寫的過程為了使用磁盤存儲文件,操作系統(tǒng)需要將自己的數(shù)據(jù)結(jié)為了使用磁盤存儲文件,操作系統(tǒng)需要將自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄在磁盤上構(gòu)記錄在磁盤上0 將磁盤分為由一個或多個柱面組成的將磁盤分為由一個或多個柱面組成的分區(qū)分區(qū)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)將每個分區(qū)作為一個獨立的磁盤將每個分區(qū)作為一個獨立的磁盤0 邏輯格式化邏輯格式化操作系統(tǒng)將初始的文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存操作系統(tǒng)將初始的文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲到磁盤上儲到磁盤上磁盤使用前的三個步驟磁盤使用前的三個步驟252、引導(dǎo)塊、引導(dǎo)塊 初始化自舉程序:初始化系統(tǒng)的各個方面,以使計算機開初始化自舉程序:初始化系統(tǒng)的各個
13、方面,以使計算機開始運行始運行 自舉程序的保存自舉程序的保存0通常保存在只讀存儲器(通常保存在只讀存儲器(ROM)中中修改麻煩修改麻煩0很多系統(tǒng)只在啟動很多系統(tǒng)只在啟動ROM中保留一個很小的自舉裝入程中保留一個很小的自舉裝入程序,其作用是進一步從磁盤上調(diào)入更為完整的自舉程序,其作用是進一步從磁盤上調(diào)入更為完整的自舉程序序可以容易的進行修改可以容易的進行修改263、壞塊、壞塊磁盤有移動部件且容錯能力小,所以出現(xiàn)壞扇區(qū)磁盤有移動部件且容錯能力小,所以出現(xiàn)壞扇區(qū)簡單磁盤壞扇區(qū)簡單磁盤壞扇區(qū)0手工處理手工處理復(fù)雜磁盤壞扇區(qū)復(fù)雜磁盤壞扇區(qū)0扇區(qū)備用或轉(zhuǎn)寄扇區(qū)備用或轉(zhuǎn)寄0扇區(qū)滑動扇區(qū)滑動一個有壞扇區(qū)一個有
14、壞扇區(qū)的磁道的磁道用備用扇區(qū)替代壞扇用備用扇區(qū)替代壞扇區(qū)區(qū)滑動所有扇區(qū)來滑動所有扇區(qū)來略過壞扇區(qū)略過壞扇區(qū)2714.4 交換空間管理交換空間管理交換空間設(shè)計和使用的目的是為虛擬內(nèi)存提供最佳吞吐量交換空間設(shè)計和使用的目的是為虛擬內(nèi)存提供最佳吞吐量1.交換空間的使用交換空間的使用系統(tǒng)所需交換空間的量受以下因素影響系統(tǒng)所需交換空間的量受以下因素影響0 物理內(nèi)存的多少物理內(nèi)存的多少0 所支持虛擬內(nèi)存的多少所支持虛擬內(nèi)存的多少0 內(nèi)存使用方式內(nèi)存使用方式對交換空間數(shù)量的高估比低估更為安全對交換空間數(shù)量的高估比低估更為安全0 低估低估若系統(tǒng)用完了交換空間,可能會中斷進程或使整個系若系統(tǒng)用完了交換空間,可能
15、會中斷進程或使整個系統(tǒng)癱瘓統(tǒng)癱瘓0 高估高估浪費一些空間,但并不會造成損害浪費一些空間,但并不會造成損害2.交換空間位置交換空間位置在普通文件系統(tǒng)上加以創(chuàng)建(簡單但低效)在普通文件系統(tǒng)上加以創(chuàng)建(簡單但低效)在獨立的磁盤分區(qū)上創(chuàng)建(無需文件系統(tǒng)和目錄結(jié)構(gòu),優(yōu)化速度)在獨立的磁盤分區(qū)上創(chuàng)建(無需文件系統(tǒng)和目錄結(jié)構(gòu),優(yōu)化速度)283、交換空間管理(、交換空間管理(UNIX例)例)4.3BSD:創(chuàng)建進程時,預(yù)先分配交換空間,用于保存代碼段和數(shù)據(jù)創(chuàng)建進程時,預(yù)先分配交換空間,用于保存代碼段和數(shù)據(jù)段,內(nèi)核對每個進程使用兩個交換表來跟蹤交換空間的使用。段,內(nèi)核對每個進程使用兩個交換表來跟蹤交換空間的使用。
16、Solaris 1(SunOS 4):當(dāng)頁需要換出時丟棄從文件系統(tǒng)中再讀入一當(dāng)頁需要換出時丟棄從文件系統(tǒng)中再讀入一頁比將其保存在交換空間中再從中讀入更為高效。頁比將其保存在交換空間中再從中讀入更為高效。Solaris 2:只有在一頁被強制換出物理內(nèi)存時才分配交換空間。只有在一頁被強制換出物理內(nèi)存時才分配交換空間。 4.3 4.3 BSD BSD 代碼段交換表代碼段交換表 4.3 4.3 BSD BSD 數(shù)據(jù)段交換表數(shù)據(jù)段交換表( (數(shù)據(jù)段會增長數(shù)據(jù)段會增長) )2914.5 RAID結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)RAID技術(shù):多種磁盤的組織技術(shù),用于提高性能和可靠技術(shù):多種磁盤的組織技術(shù),用于提高性能和可靠性性RA
17、ID:獨立磁盤冗余陣列獨立磁盤冗余陣列0 R:redundancy 冗余冗余0 A:array 陣列陣列0 I:independent 獨立獨立0 D:disk 磁盤磁盤301、通過通過冗余冗余改善改善可靠性可靠性復(fù)制每個磁盤(鏡像,簡單但復(fù)制每個磁盤(鏡像,簡單但昂貴)昂貴)2、通過通過并行并行處理改善處理改善性能性能在多個磁盤上分散數(shù)據(jù)在多個磁盤上分散數(shù)據(jù)0 位級分散:在多個磁盤上分散每個字節(jié)的各個位位級分散:在多個磁盤上分散每個字節(jié)的各個位0 塊級分散:一個文件的塊可分散在各個磁盤上塊級分散:一個文件的塊可分散在各個磁盤上0 其它分散級別其它分散級別x 扇區(qū)字節(jié)扇區(qū)字節(jié)x 塊的扇區(qū)塊的扇
18、區(qū) 磁盤系統(tǒng)并行訪問的兩個主要目的磁盤系統(tǒng)并行訪問的兩個主要目的x 通過負荷平衡,增加了多個小訪問的吞吐量通過負荷平衡,增加了多個小訪問的吞吐量x 降低大訪問的響應(yīng)時間降低大訪問的響應(yīng)時間313、RAID級別級別分析:鏡像提供高可靠性,但很昂貴;分散提供了高數(shù)分析:鏡像提供高可靠性,但很昂貴;分散提供了高數(shù)據(jù)傳輸率,但并未改善可靠性據(jù)傳輸率,但并未改善可靠性RAID級別:通過磁盤分散和級別:通過磁盤分散和“奇偶奇偶”位可以提供多種方位可以提供多種方案,以在低價下提供冗余案,以在低價下提供冗余1) RAID 0:按塊級別分散的磁盤陣列,但沒有冗余:按塊級別分散的磁盤陣列,但沒有冗余323)RAI
19、D 2:內(nèi)存方式的差錯糾正代碼結(jié)構(gòu)(:內(nèi)存方式的差錯糾正代碼結(jié)構(gòu)(4個存儲,個存儲,3個個糾錯)糾錯)2)RAID 1:磁盤鏡像(:磁盤鏡像(4個存儲,個存儲,4個鏡像)個鏡像)HammingHamming校驗碼校驗碼334)RAID 3:基于位交織奇偶結(jié)構(gòu)(:基于位交織奇偶結(jié)構(gòu)(4個存儲,個存儲,1個糾錯)個糾錯)5)RAID 4:基于塊交織奇偶結(jié)構(gòu)(:基于塊交織奇偶結(jié)構(gòu)(4個存儲,個存儲,1個糾錯)個糾錯)奇偶校驗位奇偶校驗位346) RAID 5:塊交織分布式奇偶結(jié)構(gòu)(:塊交織分布式奇偶結(jié)構(gòu)(5個都有數(shù)據(jù)和奇偶塊)個都有數(shù)據(jù)和奇偶塊)7)RAID 6:P+Q冗余方案(差錯糾正碼冗余方案(
20、差錯糾正碼Reed-Solomon碼)碼)Strip 12Strip 8Strip 4Strip 0P(12-15)Strip 9Strip 5Strip 1Q(12-15)P(8-11)Strip 6Strip 2Strip 13Q(8-11)P(4-7)Strip 3Strip 14Strip 10Q(4-7)P(0-3)Strip 15Strip 11Strip 7Q(0-3)兩種校驗碼:兩種校驗碼:P&Q358) RAID 01:0和和1的組合,先分散再鏡像的組合,先分散再鏡像9) RAID 10:0和和1的組合,先鏡像再分散的組合,先鏡像再分散一個磁盤一個磁盤故障故障一個磁盤
21、一個磁盤故障故障364.RAID級別的選擇級別的選擇 RAID系統(tǒng)的重建性能系統(tǒng)的重建性能 可靠性可靠性 磁盤數(shù)量磁盤數(shù)量 每個奇偶位所能保護的位數(shù)每個奇偶位所能保護的位數(shù)37磁盤附屬磁盤附屬 計算機訪問磁盤存儲的方式計算機訪問磁盤存儲的方式 主機附屬存儲:通過本地主機附屬存儲:通過本地I/O端口訪問的存儲端口訪問的存儲0可用于主機附屬存儲的存儲設(shè)備:硬盤驅(qū)動器、可用于主機附屬存儲的存儲設(shè)備:硬盤驅(qū)動器、 RAID陣列、陣列、CD、DVD、磁帶驅(qū)動器等磁帶驅(qū)動器等 網(wǎng)絡(luò)附屬存儲:通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)訪問的專用存儲系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)附屬存儲:通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)訪問的專用存儲系統(tǒng)0缺陷:需要使用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬,增加了網(wǎng)絡(luò)通
22、信延遲缺陷:需要使用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬,增加了網(wǎng)絡(luò)通信延遲 存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(SAN):):服務(wù)器與存儲單元之間的專門服務(wù)器與存儲單元之間的專門網(wǎng)絡(luò),多個主機和多個存儲陣列可以附加在同一網(wǎng)絡(luò),多個主機和多個存儲陣列可以附加在同一SAN上上,存儲可動態(tài)的附加在主機上,存儲可動態(tài)的附加在主機上381穩(wěn)定存儲實現(xiàn)穩(wěn)定存儲實現(xiàn) 穩(wěn)定存儲:存儲在穩(wěn)定存儲上的數(shù)據(jù)永遠不會丟失穩(wěn)定存儲:存儲在穩(wěn)定存儲上的數(shù)據(jù)永遠不會丟失 實現(xiàn)穩(wěn)定存儲的條件實現(xiàn)穩(wěn)定存儲的條件0需要在多個具有獨立出錯模式的存儲設(shè)備上重復(fù)所需需要在多個具有獨立出錯模式的存儲設(shè)備上重復(fù)所需信息信息0需要協(xié)調(diào)用于更新的寫操作,以確保更新時所發(fā)生
23、的需要協(xié)調(diào)用于更新的寫操作,以確保更新時所發(fā)生的差錯不會使所有拷貝處于損壞狀態(tài),當(dāng)恢復(fù)數(shù)據(jù)時,差錯不會使所有拷貝處于損壞狀態(tài),當(dāng)恢復(fù)數(shù)據(jù)時,能強制使得所有數(shù)據(jù)處于一致和正確狀態(tài)能強制使得所有數(shù)據(jù)處于一致和正確狀態(tài) 磁盤寫的三種可能情況磁盤寫的三種可能情況0成功完成成功完成0部分差錯部分差錯0完全差錯完全差錯39具體實現(xiàn)(系統(tǒng)為每個邏輯塊維護兩個物理拷貝)具體實現(xiàn)(系統(tǒng)為每個邏輯塊維護兩個物理拷貝)輸出操作輸出操作0將信息寫到第一個物理塊上將信息寫到第一個物理塊上0當(dāng)?shù)谝淮螌懗晒ν瓿蓵r,再將同樣信息寫到第二個物理塊上當(dāng)?shù)谝淮螌懗晒ν瓿蓵r,再將同樣信息寫到第二個物理塊上0只有在第二次寫成功完成時,
24、才聲明操作完成只有在第二次寫成功完成時,才聲明操作完成恢復(fù)程序(從差錯中恢復(fù)時,每塊物理塊都要檢查)恢復(fù)程序(從差錯中恢復(fù)時,每塊物理塊都要檢查)0若兩個塊相同且沒有檢測到差錯,無需采取任何動作若兩個塊相同且沒有檢測到差錯,無需采取任何動作0若一塊有檢測差錯,那么用另一塊的值來替代若一塊有檢測差錯,那么用另一塊的值來替代0若兩塊沒有檢測差錯但內(nèi)容不同,用第二塊的內(nèi)容代替第一塊若兩塊沒有檢測差錯但內(nèi)容不同,用第二塊的內(nèi)容代替第一塊的內(nèi)容的內(nèi)容40第三級存儲結(jié)構(gòu)第三級存儲結(jié)構(gòu)1. 第三級存儲設(shè)備第三級存儲設(shè)備可移動磁盤可移動磁盤0 軟盤、優(yōu)盤、可移動硬盤軟盤、優(yōu)盤、可移動硬盤0 磁光盤磁光盤0 光盤光盤磁帶磁帶0 與磁盤相比,價格便宜,容量大,但隨機訪問較慢與磁盤相比,價格便宜,容量大,但隨機訪問較慢0 通常用于保存磁盤數(shù)據(jù)的備份通常用于保
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