Chương 11 của bài giảng Nguyên lý hệ điều hành giới thiệu các hệ thống lưu trữ lớn trong hệ điều hành. Chương này giúp người học mô tả cấu trúc vật lý của các thiết bị lưu trữ cấp hai và cấp ba, các hiệu ứng kết quả khi sử dụng thiết bị; giải thích các đặc điểm hiệu năng của các thiết bị lưu trữ lớn. Mời các bạn cùng tham khảo.
Nội dung chương 11 BÀI GIẢNG NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỀU HÀNH Chương 11: Các hệ thống lưu trữ lớn Phạm Quang Dũng Bộ mơn Khoa học máy tính Khoa Cơng nghệ thông tin Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội Website: fita.hua.edu.vn/pqdung Tổng quan hệ thống lưu trữ lớn Cấu trúc đĩa Disk Structure Gắn kết đĩa Disk Attachment Lập lịch đĩa Disk Scheduling Quản lý đĩa Disk Management Quản lý không gian hoán đổi Swap-Space Management Cấu trúc RAID RAID Structure Các thiết bị lưu trữ cấp ba Tertiary Storage Devices Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.2 Phạm Quang Dũng ©2008 Mục tiêu 11.1 Tổng quan Cấu trú trúc lưu trữ trữ lớn Mô tả cấu trúc vật lý thiết bị lưu trữ cấp hai cấp ba, Các đĩa từ (magnetic disk) chiếm phần lớn phương tiện lưu trữ hiệu ứng kết sử dụng thiết bị cấp hai máy tính đại z Tốc độ quay ổ đĩa đạt khoảng 60-200 vịng/giây Giải thích đặc điểm hiệu thiết bị lưu trữ lớn z Transfer rate tốc độ dòng liệu truyền đĩa máy tính z Positioning time (random-access time) thời gian chuyển disk arm tới cylinder mong muốn (seek time) thời gian để sector cần thiết quay tới disk head (rotational latency) z Head crash disk head tiếp xúc với bề mặt đĩa Điều tồi tệ Các đĩa khả chuyển (removable) Ổ đĩa gắn (attached) với máy tính thơng qua I/O bus z Nhiều loại bus EIDE, ATA, SATA, USB, Fibre Channel, SCSI z Host controller máy tính sử dụng bus để “nói chuyện” với disk controller tích hợp ổ đĩa chuỗi lưu trữ (storage array) Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.3 Phạm Quang Dũng ©2008 Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.4 Phạm Quang Dũng ©2008 Cơ chế chế đĩa có đầu từ chuyể chuyển động Tổng quan (tiếp) Băng từ (Magnetic tape) z Là phương tiện lưu trữ cấp hai trước z ổn định lưu giữ lượng lớn liệu z Thời gian truy nhập chậm z Truy nhập ngẫu nhiên chậm khoảng 1000 lần so với đĩa z Thường dùng để lưu dự phòng, lưu trữ liệu sử dụng, làm phương tiện trung chuyển hệ thống z Băng giữ ống cuộn xuôi ngược qua read-write head z Khi liệu đầu từ, tốc độ truyền tương đương với đĩa z Dung lượng 20-200GB z Các công nghệ phổ biến: 4mm, 8mm, 19mm, LTO-2 SDLT Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.5 Phạm Quang Dũng ©2008 11.2 Cấu trú trúc đĩa Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.6 Phạm Quang Dũng ©2008 11.3 Gắn kết đĩa (Disk Attachment) Ổ đĩa đánh địa mảng chiều lớn khối logic, khối logic đơn vị nhỏ chuyển liệu Mảng ánh xạ vào sector đĩa z Sector sector track cylinder ngồi Các đĩa nối kết theo cách: Host-attached storage: nối kết thông qua cổng vào-ra, sử dụng số kỹ thuật: z Kiến trúc I/O bus (IDE-Integrated Drive Electronics, ATA-Advanced Technology Attachment): hỗ trợ tối đa ổ đĩa I/O bus, sử dụng máy PC z Việc ánh xạ tiếp tục theo thứ tự qua track đó, đến track cịn lại cylinder đó, đến cylinder cịn lại từ ngồi vào Kiến trúc SCSI (Small Computer System Interface): hỗ trợ tối đa 16 thiết bị/1 bus (1 card điều khiển, 15 thiết bị lưu trữ) Kiến trúc Fiber Channel (FC): sử dụng cáp quang cáp đồng, kết nối hàng triệu thiết bị (224) mạng Cũng dạng arbitrated loop (FC-AL) hỗ trợ nối 126 thiết bị Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.7 Phạm Quang Dũng ©2008 Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.8 Phạm Quang Dũng ©2008 Storage Area Network Nối kết đĩa (tiế tiếp) Phổ biến môi trường lưu trữ lớn (và trở nên phổ Network-attached storage (NAS): nối kết thiết bị nhớ thông qua kết nối mạng sử dụng giao thức NFS (UNIX), CIFS (Windows), iSCSI Được thực thi thông qua remote procedure call (RPCs) host storage Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.9 Phạm Quang Dũng ©2008 biến hơn) Nhiều host gắn kết vào chuỗi nhiều phương tiện lưu trữ - phức tạp Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.4 Lập lịch đĩa (disk scheduling) HĐH chịu trách nhiệm sử dụng ổ đĩa cách hiệu quả, có nghĩa đĩa phải có thời gian truy nhập nhanh dải thông rộng z Thời gian định vị (Seek time): thời gian chuyển đầu từ tới Lập lịch đĩa (tiế tiếp) Khi tiến trình cần thực vào-ra với đĩa, phát system call tới HĐH, HĐH cần xác định: z địa đĩa địa nhớ (nguồn đích) z số byte cần chuyển cylinder chứa sector yêu cầu z Trễ quay (Rotational latency): thời gian cộng thêm chờ đĩa quay sector yêu cầu tới đầu từ Nếu ổ đĩa controller (bộ điều khiển) sẵn sàng, yêu cầu thực Trái lại, đưa vào queue đĩa để chờ phục vụ Tối thiểu hóa seek time cách lập lịch đĩa Có số giải thuật lập lịch phục vụ yêu cầu vào-ra đĩa Seek time ≈ seek distance Dải thông đĩa (Disk bandwidth) tính tổng số byte chuyển chia cho tổng thời gian yêu cầu dịch vụ lần chuyển cuối cho thứ tự tốt Chúng ta minh họa chúng với request queue (0-199) 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Đầu từ đĩa cylinder 53 z Seek time tốt với yêu cầu cải thiện bandwidth Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.11 Phạm Quang Dũng ©2008 z thao tác input hay output Thời gian truy nhập có thành phần ⇒ 11.10 Phạm Quang Dũng ©2008 Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.12 Phạm Quang Dũng ©2008 a) FCFS – Fist Come, First Served Tổng quãng đường di chuyển đầu từ 640 cylinder b) SSTF – Shortest Seek Time First Chọn yêu cầu với seek time nhỏ từ vị trí đầu từ thời Tổng quãng đường di chuyển đầu từ 236 cylinder Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.13 Phạm Quang Dũng ©2008 Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành c) SCAN 11.14 Phạm Quang Dũng ©2008 SCAN (tiế tiếp) Disk arm bắt đầu đầu đĩa, tiến dần tới đầu Tổng quãng đường di chuyển đầu từ 236 cylinder lại, phục vụ yêu cầu đến cylinder, đầu cịn lại hướng di chuyển đầu từ đảo ngược việc phục vụ tiếp tục z Cần biết thêm hướng di chuyển đầu từ Còn gọi giải thuật thang máy - elevator algorithm Tổng quãng đường di chuyển đầu từ 236 cylinể nạp vào nhớ, nhảy sử dụng (bảng FAT – File Allocation Table) đến địa bắt đầu thực HĐH Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.23 Phạm Quang Dũng ©2008 Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.24 Phạm Quang Dũng ©2008 Boot Block (tiế tiếp) Khở Khởi động từ đĩa Windows 2000 Bootstrap lưu ROM: z ROM không cần khởi tạo, z Ở vị trí cố định processor bắt đầu thực khởi động z ROM khơng bị ảnh hưởng virus máy tính Hầu hết HĐH chứa chương trình mồi nhỏ boot ROM, giúp cho việc nạp chương trình mồi đầy đủ từ đĩa ⇒ Chương trình mồi đầy đủ thay đổi dễ dàng Chương trình mồi đầy đủ chứa partition gọi boot blocks, vị trí cố định đĩa Đĩa có boot partition gọi boot disk hay system disk Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.25 Phạm Quang Dũng ©2008 Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành c) Bad Blocks 11.26 Phạm Quang Dũng ©2008 Bad Blocks (tiế tiếp) Trên đĩa đơn giản, vd đĩa IDE, bad block xử lý thủ công lệnh format MS-DOS: Trên đĩa phức tạp, vd đĩa SCSI, việc phục hồi bad block thơng minh hơn: z Controller trì danh sách bad block đĩa DS z Thực format logic, quét đĩa để tìm bad block z Nếu tìm thấy bad block, giá trị đặc biệt ghi vào phần tử tương ứng bảng FAT để báo cho thường khởi tạo format cấp thấp nhà máy cập nhật suốt tồn đĩa z Format cấp thấp thiết lập sector dự phòng (spare sector) trình phân phối (allocation routine) khơng sử dụng block vơ hình HĐH Controller thay bad sector cách logic số sector dự phòng ⇒ Sector sparing (kỹ thuật dự phòng sector) hay forwarding z Nếu block trở thành bad hoạt động bình thường, chạy chương trình đặc biệt chkdsk để tìm bad block xử lý chúng 11.27 thấy sector bad Nó thơng báo cho HĐH biết Ở lần khởi động tiếp theo, lệnh đặc biệt chạy để lệnh cho Mạch điều khiển SCSI thay bad sector, ví dụ sector 202 Sau đó, hệ thống yêu cầu block 87, mạch điều khiển thông z Dữ liệu bad block thường bị Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành HĐH cố gắng đọc block 87 Mạch điều khiển (controller) tính tốn ECC dịch yêu cầu sang địa sector 202 Phạm Quang Dũng ©2008 Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.28 Phạm Quang Dũng ©2008 11.7 Cấu trú trúc RAID 11.6 Quả Quản lý khơng gian hố hốn đổi (Swap(Swap-Space) Swap-space: Bộ nhớ ảo sử dụng không gian đĩa mở rộng nhớ ⇒ tăng dung lượng, tăng tốc độ RAID – Redundant Arrays of Inexpensive/Independent Disk Sử dụng nhiều đĩa đơn vị lưu trữ Cải thiện hiệu độ tin cậy hệ thống lưu trữ Swap-space tạo ra: z Từ hệ thống file bình thường: swap-space file lớn thường trình hệ thống file tạo, đặt tên phân phối nhớ cách lưu trữ liệu dư thừa RAID phân cấp thành mức: Phương pháp dễ thực không hiệu quả: định vị z RAID mức 0: liệu phân nhiều ổ đĩa khơng có ổ dự phòng cấu trúc thư mục cấu trúc liệu đĩa tốn nhiều thời gian truy nhập đĩa nhiều lần z RAID mức 1: liệu phân vào dãy ổ đĩa liệu z Trong partition riêng (phổ biến hơn): khơng có cấu trúc z RAID mức 2, 3, 4: liệu chia cho nhiều đĩa thông tin parity thư mục file đó, phát sinh ghi vào đĩa riêng biệt Mỗi cấp độ có phương pháp khác ghi liệu lên đĩa trình quản lý nhớ hoán đổi riêng điều khiển việc phân phối thu hồi block Nó sử dụng giải thuật để tối ưu tốc độ để lưu trữ hiệu Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành ổ lại chuyển vào ổ đĩa lưu trữ để dự phịng 11.29 Phạm Quang Dũng ©2008 Các mức RAID z RAID mức 5: liệu đoạn mã parity ghi lên tất ổ đĩa dãy ổ đĩa Mức cho phép ghi nhanh thông tin parity lan tất ổ đĩa mà ghi lên ổ riêng biệt Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.30 Phạm Quang Dũng ©2008 11.8 Cấu trú trúc lưu trữ trữ cấp ba (Tertiary storage structure) 11.8.1 Các thiế thiết bị nhớ nhớ cấp ba Giá thành rẻ đặc điểm bật nhớ cấp ba Nói chung, nhớ cấp ba gồm thiết bị khả chuyển (removable media) Ví dụ phổ biến: đĩa mềm, đĩa CD, flash memory Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.31 Phạm Quang Dũng ©2008 Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.32 Phạm Quang Dũng ©2008 Removable Disks (tiế tiếp) a) Removable Disks Floppy disk – đĩa mềm dẻo mỏng phủ lớp từ bảo vệ bên vỏ chất dẻo Đĩa từ-quang (magneto-optic disk) ghi liệu mặt đĩa cứng phủ lớp từ z Ổ đĩa có cuộn dây sinh từ trường Tại nhiệt độ thường, từ z Có dung lượng khoảng 1.4 MB; trường q rộng yếu nên khơng thể từ hóa bit Removable magnetic disk tạo kỹ thuật tương tự đĩa → Sử dụng phương pháp đốt Laser: đầu đĩa chiếu tia laser lên mặt đĩa để ghi bit z Có dung lượng GB z Có tốc độ nhanh gần hard disks, dễ bị hỏng z Ánh sáng Laser sử dụng để đọc liệu z Đầu đọc đĩa từ-quang bay xa mặt đĩa nhiều so với đầu đọc đĩa từ, lớp từ phủ lớp bảo vệ dầy kính chất dẻo để chống phá hủy đầu đọc Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.33 Phạm Quang Dũng ©2008 Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.34 Phạm Quang Dũng ©2008 Removable Disks (tiế tiếp) Removable Disks (tiế tiếp) Các đĩa quang (optical disk) không sử dụng tượng từ tính; Các loại read-write disk: liệu sửa đổi nhiều lần chúng sử dụng chất liệu đặc biệt bị biến đổi ánh sáng laser thành điểm sáng tối z Các WORM disk (“Write Once, Read Many Times”) ghi lần Vd: đĩa đổi pha: z Đĩa phủ chất liệu đơng cứng thành trạng thái kết tinh vơ định hình z Trạng thái kết tinh suốt nên tia laser sáng qua chất liệu đổi pha bật khỏi lớp phản chiếu z Ổ đĩa đổi pha sử dụng ánh sáng laser cường độ: cường độ yếu để đọc liệu, cường độ trung bình để xóa đĩa (làm tan đơng cứng lại), cường độ mạnh làm tan chất liệu thành trạng thái vô định hình để ghi liệu z VD: re-recordable CD-RW DVD-RW Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành WORM Disks 11.35 Phạm Quang Dũng ©2008 z Màng nhơm mỏng xen mặt đĩa kính hay chất dẻo z Để ghi bit, ổ đĩa sử dụng ánh sáng laser để đốt hố nhỏ qua lớp nhơm; thơng tin bị phá hủy khơng thể thay đổi z Rất bền đáng tin cậy z Vd: CD-R, DVD-R (Digital Video/Versatile Disk – Recordable) Read Only disks, ví dụ CD-ROM DVD, sử dụng kỹ thuật tương tự (hố ép chặt, bị đốt) Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.36 Phạm Quang Dũng ©2008 b) Tapes c) Cơng nghệ nghệ tương lai? lai? So với đĩa, băng rẻ lưu chứa nhiều liệu hơn, truy nhập ngẫu nhiên chậm nhiều Băng giải pháp tiết kiệm cho mục đích Công nghệ lưu trữ ảnh giao thoa laser (Holographic storage): z Sử dụng ánh sáng laser để ghi ảnh giao thoa laser (holographic photograph) thiết bị đặc biệt z Các ảnh đen trắng mảng chiều pixel, pixel biểu diễn bit: 0-đen; 1-trắng không yêu cầu truy nhập nhanh, vd: z Một ảnh lưu hàng triệu bit liệu z lưu trữ liệu đĩa z Tất pixel truyền nhanh với tốc độ ánh sáng laser z sử dụng trung tâm siêu máy tính lớn để lưu trữ lượng thông tin khổng lồ phục vụ nghiên cứu khoa học → tốc độ truyền liệu cao z ⇒ Là công nghệ lưu trữ đầy hứa hẹn tương lai Hệ khí vi điện tử (Micro electronic mechanical system - MEMS): chế tạo chip điện tử để sản xuất thiết bị lưu trữ nhỏ, thành công cung cấp công nghệ lưu trữ liệu không khả biến, nhanh đĩa từ rẻ DRAM bán dẫn Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.37 Phạm Quang Dũng ©2008 Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.38 Phạm Quang Dũng ©2008 11.8.3 Vấn đề hiệ hiệu a) Tốc độ 11.8.2 Hỗ trợ trợ HĐH để quản lý thiế thiết bị Giao diện ứng dụng: z Hầu hết HĐH quản lý đĩa khả chuyển giống đĩa cố định – đĩa phải format tạo hệ thống file rỗng z Các thao tác với ổ đĩa: read, write, seek Hai khía cạnh tốc độ nhớ cấp ba dải thông (bandwidth) trễ truy nhập (latency) Dải thông (số byte/giây) z Dải thông liên tục (Sustained bandwidth) – tốc độ liệu trung Đặt tên file: z Vấn đề đặt tên file thiết bị nhớ khả chuyển đặc biệt bình suốt trình truyền lớn; tính số byte/thời gian truyền khó muốn ghi liệu lên máy tính sử dụng máy tính khác: z Dải thơng có hiệu lực (Effective bandwidth) – tính trung bình Là tốc độ liệu dịng liệu truyền thực Tìm đường dẫn đến file, kiểu ổ đĩa có tương thích? tồn thời gian vào-ra Thứ tự lưu trữ byte liệu khác Là tốc độ liệu tổng thể ổ đĩa Quản lý nhớ kiểu phân cấp Dải thông ổ đĩa thường hiểu sustained bandwith z sở, cấp hai, cấp ba Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành Các removable disk: 0.25 - MB/s; Các tape: 0.25 - 30 MB/s 11.39 Phạm Quang Dũng ©2008 Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.40 Phạm Quang Dũng ©2008 10 Tốc độ (tiế tiếp) b) Độ tin cậy Trễ truy nhập – khoảng thời gian cần thiết để định vị liệu z Thời gian truy nhập ổ đĩa – dịch arm tới cylinder chọn đợi trễ quay (rotational latency); < 35 ms z Truy nhập băng đòi hỏi phải cuộn ống băng Một ổ đĩa cố định đáng tin cậy ổ đĩa hay ổ băng khả chuyển Một đĩa quang đáng tin cậy đĩa từ hay băng từ khối chọn chạm đến đầu băng; tốn hàng chục Sự rơi đầu từ đĩa cứng cố định thường phá hủy hàng trăm giây z Nói chung truy nhập ngẫu nhiên băng chậm không làm hỏng đến liệu đĩa hàng nghìn lần Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành liệu, hỏng ổ băng hay ổ đĩa quang thường 11.41 Phạm Quang Dũng ©2008 c) Giá Giá thành (USD/1 MB) Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.42 Phạm Quang Dũng ©2008 Giá Giá MB đĩa từ cứng, ng, 19811981-2004 Bộ nhớ (Main memory) đắt nhiều so với nhớ cấp hai cấp ba Giá MB DRAM, 1981-2004 Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.43 Phạm Quang Dũng ©2008 Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.44 Phạm Quang Dũng ©2008 11 Giá Giá MB ổ băng, băng, 19841984-2004 End of Chapter 11 Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11.45 Phạm Quang Dũng ©2008 12 ...n dẫn Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11. 37 Phạm Quang Dũng ©2008 Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11. 38 Phạm Quang Dũng ©2008 11. 8.3 Vấn đề hiệ hiệu a) Tốc độ 11. 8.2 Hỗ trợ trợ HĐH để quản l... 8mm, 19mm, LTO-2 SDLT Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11. 5 Phạm Quang Dũng ©2008 11. 2 Cấu trú trúc đĩa Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11. 6 Phạm Quang Dũng ©2008 11. 3 Gắn kết đĩa (Disk Attachment)...g nghìn lần Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành liệu, hỏng ổ băng hay ổ đĩa quang thường 11. 41 Phạm Quang Dũng ©2008 c) Giá Giá thành (USD/1 MB) Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành 11. 42 Phạm Quang Dũng ©200