細致講解大容量存儲器結(jié)構

www.lliner.me1細致講解大容量存儲器結(jié)構磁盤結(jié)構磁盤調(diào)度磁盤管理交換空間管理RAID結(jié)構磁盤附屬穩(wěn)定存儲實現(xiàn)第三級存儲結(jié)構2主要問題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備及操作系統(tǒng)使用第三級存儲所引起的問題3磁盤結(jié)構磁盤：為現(xiàn)代計算機提供了大容量的次級存儲磁盤驅(qū)動器：一維的邏輯塊數(shù)組邏輯塊：最小的傳輸單位映射：一維邏輯塊按順序映射到磁盤的扇區(qū)映射順序：磁道內(nèi)扇區(qū)順序—柱面內(nèi)磁道順序—從外到內(nèi)的柱面順序?qū)嶋H映射時的困難絕大多數(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)度磁盤帶寬所傳遞的總的字節(jié)數(shù)除以從服務請求開始到最后傳遞結(jié)束時的總時間訪問時間（訪問速度）尋道時間：磁臂將磁頭移動到包含目標扇區(qū)的柱面的時間—通常用來衡量調(diào)度算法的性能旋轉(zhuǎn)延遲：磁盤將目標扇區(qū)轉(zhuǎn)動到磁頭下的時間51、FCFS調(diào)度先來先服務（FCFS）：按請求到來的順序進行服務優(yōu)點：比較公平缺點：通常不能提供最快的服務例：有一個磁盤隊列，其I/O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536FCFS：總的磁頭移動量為640柱面72、SSTF調(diào)度最短尋道時間優(yōu)先算法（shortest-seek-time-first）從當前磁頭位置選擇最短尋道時間的請求，即選擇與當前磁頭位置最近的待處理請求優(yōu)點：較FCFS大大提高了性能缺點：可能會導致一些請求得不到服務，并不是最佳例：有一個磁盤隊列，其I/O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538SSTF：總的磁頭移動量為236柱面93、SCAN調(diào)度SCAN算法又稱電梯算法磁臂從磁盤的一端向另一端移動，同時當磁頭移過每個柱面時，處理位于該柱面上的服務請求。當?shù)竭_另一端（磁盤的盡頭）時，磁頭改變方向，處理繼續(xù)。需要知道磁頭的當前位置和磁頭移動的方向某些請求處理可能不及時例：有一個磁盤隊列，其I/O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53，向0方向移動10SCAN：總的磁頭移動量為236柱面114、C-SCAN調(diào)度SCAN調(diào)度的變種將磁頭從磁盤一端移到另一端（磁盤的盡頭），隨著移動不斷的處理請求。不過，當磁頭移到另一端時，馬上返回到磁盤開始（磁盤的盡頭），返回時不處理請求。例：有一個磁盤隊列，其I/O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53，向199方向移動12C-SCAN：總的磁頭移動量為382柱面135、LOOK與C-LOOK調(diào)度SCAN和C-SCAN的變種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)到磁盤的盡頭例：有一個磁盤隊列，其I/O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53，向199方向移動14C-LOOK：總的磁頭移動量為322柱面15LOOK：總的磁頭移動量為299柱面16調(diào)度算法練習假設移動頭磁盤有200個磁道（0－199）。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125號，如果下面給出的順序是按FIFO算法排成的等待服務隊列順序：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磁頭移動量是多少？（1）FCFS（2）SSTF（3）SCAN（4）C-SCAN（5）LOOK（6）C-LOOK17（1）FCFS：565086919410213014314715017517719918（2）SSTF：162086919410213014314715017517719919（3）SCAN：169086919410213014314715017517719920（4）C_SCAN：385086919410213014314715017517719921（5）LOOK：125086919410213014314715017517719922（6）C_LOOK：1690869194102130143147150175177199236、磁盤調(diào)度算法的選擇比較SSTF較為普遍且很有吸引力，比FCFS性能好SCAN和C-SCAN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SSTF和LOOK是比較合理的缺省算法選擇依據(jù)請求的數(shù)量請求的類型文件分配方法目錄和索引塊的位置2414.3磁盤管理磁盤格式化低級格式化（物理格式化）：在磁盤能存儲數(shù)據(jù)之前，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)構記錄在磁盤上將磁盤分為由一個或多個柱面組成的分區(qū)—操作系統(tǒng)將每個分區(qū)作為一個獨立的磁盤邏輯格式化—操作系統(tǒng)將初始的文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構存儲到磁盤上磁盤使用前的三個步驟252、引導塊初始化自舉程序：初始化系統(tǒng)的各個方面，以使計算機開始運行自舉程序的保存通常保存在只讀存儲器（ROM）中—修改麻煩很多系統(tǒng)只在啟動ROM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—可以容易的進行修改263、壞塊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)手工處理復雜磁盤壞扇區(qū)扇區(qū)備用或轉(zhuǎn)寄扇區(qū)滑動一個有壞扇區(qū)

的磁道用備用扇區(qū)替代壞扇區(qū)滑動所有扇區(qū)來

略過壞扇區(qū)2714.4交換空間管理交換空間設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的使用系統(tǒng)所需交換空間的量受以下因素影響物理內(nèi)存的多少所支持虛擬內(nèi)存的多少內(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統(tǒng)癱瘓高估——浪費一些空間，但并不會造成損害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，優(yōu)化速度）283、交換空間管理（UNIX例）4.3BSD：創(chuàng)建進程時，預先分配交換空間，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。Solaris1(SunOS4)：當頁需要換出時丟棄－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。Solaris2：只有在一頁被強制換出物理內(nèi)存時才分配交換空間。4.3BSD代碼段交換表4.3BSD數(shù)據(jù)段交換表(數(shù)據(jù)段會增長)2914.5RAID結(jié)構RAID技術：多種磁盤的組織技術，用于提高性能和可靠性RAID：獨立磁盤冗余陣列R：redundancy冗余A：array陣列I：independent獨立D：disk磁盤301、通過冗余改善可靠性——復制每個磁盤（鏡像，簡單但昂貴）2、通過并行處理改善性能——在多個磁盤上分散數(shù)據(jù)位級分散：在多個磁盤上分散每個字節(jié)的各個位塊級分散：一個文件的塊可分散在各個磁盤上其它分散級別扇區(qū)字節(jié)塊的扇區(qū)磁盤系統(tǒng)并行訪問的兩個主要目的通過負荷平衡，增加了多個小訪問的吞吐量降低大訪問的響應時間313、RAID級別分析：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RAID級別：通過磁盤分散和“奇偶”位可以提供多種方案，以在低價下提供冗余RAID0：按塊級別分散的磁盤陣列，但沒有冗余323）RAID2：內(nèi)存方式的差錯糾正代碼結(jié)構（4個存儲，3個糾錯）2）RAID1：磁盤鏡像（4個存儲，4個鏡像）Hamming校驗碼334）RAID3：基于位交織奇偶結(jié)構（4個存儲，1個糾錯）5）RAID4：基于塊交織奇偶結(jié)構（4個存儲，1個糾錯）奇偶校驗位346）RAID5：塊交織分布式奇偶結(jié)構（5個都有數(shù)據(jù)和奇偶塊）7）RAID6：P+Q冗余方案（差錯糾正碼＋Reed-Solomon碼）Strip12Strip8Strip4Strip0P(12-15)Strip9Strip5Strip1Q(12-15)P(8-11)Strip6Strip2Strip13Q(8-11)P(4-7)Strip3Strip14Strip10Q(4-7)P(0-3)Strip15Strip11Strip7Q(0-3)兩種校驗碼：P&Q358）RAID0＋1：0和1的組合，先分散再鏡像9）RAID1＋0：0和1的組合，先鏡像再分散一個磁盤故障一個磁盤故障36RAID級別的選擇RAID系統(tǒng)的重建性能可靠性磁盤數(shù)量每個奇偶位所能保護的位數(shù)37磁盤附屬計算機訪問磁盤存儲的方式主機附屬存儲：通過本地I/O端口訪問的存儲可用于主機附屬存儲的存儲設備：硬盤驅(qū)動器、RAID陣列、CD、DVD、磁帶驅(qū)動器等網(wǎng)絡附屬存儲：通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡訪問的專用存儲系統(tǒng)缺陷：需要使用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡帶寬，增加了網(wǎng)絡通信延遲存儲區(qū)域網(wǎng)絡（SAN）：服務器與存儲單元之間的專門網(wǎng)絡，多個主機和多個存儲陣列可以附加在同一SAN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：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)定存儲的條件需要在多個具有獨立出錯模式的存儲設備上重復所需信息需要協(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)，當恢復數(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)磁盤寫的三種可能情況成功完成部分差錯完全差錯39具體實現(xiàn)（系統(tǒng)為每個邏輯塊維護兩個物理拷貝）輸出操作將信息寫到第一個物理塊上當?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只有在第二次寫成功完成時，才聲明操作完成恢復程序（從差錯中恢復時，每塊物理塊都要檢查）若兩個塊相同且沒有檢測到差錯，無需采取任何動作若一塊有檢測差錯，那么用另一塊的值來替代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40第三級存儲結(jié)構第三級存儲設備可移動磁盤軟盤、優(yōu)盤、可移動硬盤磁光盤光盤磁帶與磁盤相比，價格便宜，容量大，但隨機訪問較慢通常用于保存磁盤數(shù)據(jù)的備份未來技術全息照相存儲器基于微電子機械系統(tǒng)，將電子芯片制造技術應用于制造小的數(shù)據(jù)存儲機器412、操作系統(tǒng)作業(yè)操作系統(tǒng)對磁盤提供了兩種抽象生設備（rawdevice）：只是數(shù)據(jù)塊的陣列文件系統(tǒng)操作系統(tǒng)如何處理可移動存儲介質(zhì)應用接口大多數(shù)OS如固定盤一樣處理可移動磁盤每個應用程序自己決定如何組織磁帶，裝滿數(shù)據(jù)的磁