Bài giảng Khối lưu trữ hệ thống

Khối lưu trũ hệ thống Tổng quan về khối cấu trúc lưu trữ bộ nhớ (Overview of Mass Storage Structure) Cấu trúc Đĩa (Disk Structure) Phiếu đính kèm Đĩa (Disk Attachment) Sự Lập lịch Đĩa (Disk Scheduling) Quản lý Đĩa (Disk Management) Quản lý Không gian Tráo đổi(Swap-Space Management) Cấu trúc hệ thống đĩa dự phòng (RAID Structure) Phiếu đính kèm Đĩa (Disk Attachment) Sự Thi hành lưu trữ ổn định (Stable-Storage Implementation) Những thiết bị lưu trữ cấp ba (Tertiary Storage Devices) Những vấn đề về hệ điều hành (Operating System Issues) Những vấn đề thực thi (Performance Issues) Đối tượng • Mô tả cấu trúc vật lý của thiết bị lưu trữ cấp 2 và 3 và kết quả tác động của nó • Giải thích những đặc trưng sử dụng của khối thiết bị lưu trữ • Thảo luận về hệ điều hành phục vụ cho khối lưu trữ bao gồm: hệ thống đĩa dự phòng (RAID) và HSM Tổng quan về khối cấu trúc lưu trữ bộ nhớ (Overview of Mass Storage Structure) • Phần lớn, đĩa từ là thiết bị lưu trữ thứ cấp của máy tính hiện đại • Đĩa quay từ 60 tới 200 vòng trên giây • Tốc độ truyền là tốc độ mà dữ liệu di chuyển giữa dĩa và máy tính • Định vị thời gian (random-access time) là thời gian di chuyển cánh tay đĩa tới trụ từ mong muốn (seek time) và thời gian cho cung từ mong muốn quay dưới đầu đọc (rotational latency:sự tiềm ẩn vòng quay)) • Rơi đầu từ là kết quả của sự va chạm đầu từ với bề mặt đĩa. Đó là hổng • Đĩa có thể di chuyển được • Đĩa được gắn kết với máy tính qua cổng vào/ra • Busses vary bao gồm EIDE, ATA, SATA, USB, Fibre Channel , SCSI • Bộ điều khiển chủ trong máy tính sử dụng bus để điều chỉnh bộ điều khiển đĩa được xây dựng trong đĩa hay mảng lưu trữ Cơ chế Chuyển động của đầu từ Đĩa • Băng từ: • Là phương tiện lưu trữ thứ cấp • Lưu trữ lượng dữ liệu lớn và tương đối bền • Thời gian truy cập chậm • Truy nhập ngẫu nhiên chậm hơn đĩa vào khoảng 1000 lần • Chủ yếu được sử dụng cho việc sao lưu, lưu trữ dữ liệu ít khi được sử dụng, phương tiện truyền giữa các hệ thống • Tồn tại dưới dạng ống truy cập bằng cách tua tới hoặc tua lại dưới đầu đọc • Một lần dữ liệu được đọc, tốc độ truyền có thể so sánh với đĩa • Khả năng lưu trữ tiêu biểu 20-200 GB • Nhưng thông số kỹ thuật phổ biến là 4mm, 8mm, 19mm, LTO-2 and SDLT Cấu trúc Đĩa • Ổ đĩa được xem như một mảng lớn những khối logic, ở đó khối logic là đơn vị truyền nhỏ nhất • Một mảng lớn những khối lôgic được ánh xạ tới những cung từ đĩa tuần tự • Cung từ 0 là cung từ đầu tiên của rãnh từ đầu tiên trên từ trụ ở ngoài cùng. • Ánh xạ thực hiện thông qua rãnh đó, rồi đến các rãnh còn lại trên từ trụ và đi từ ngoài cùng vào trong cùng thông qua phần còn lại của từ trụ Phiếu đính kèm Đĩa • Sự lưu trữ được kết nối với máy chủ truy cập qua những cỗng vào/ ra (I/O ports) xuyên qua bus vào/ra • Chuẩn ghép nối SCSI thực chất là bus có trên 16 thiết bị trên một cáp, chuẩn ghép nối người khỡi xướng SCSI yêu cầu hoạt động và chuẩn ghép nối mục tiêu SCSI thi hành nhiệm vụ • Mỗi mục tiêu có thể có tới 8 bộ lôgic (đĩa gắn với mạch điều khiển thiết bị) • FC là cấu trúc tuần tự cao tốc • Có thể là cơ cấu chuyển mạch Với 24 bit vùng địa chỉ trống- cơ sở của mạng lưu trữ khu vực (SANs) trong nhiều máy chủ tham gia tới nhiều đơn vị lưu trữ • Có thể được xử lý vòng tròn(FC- AL) qua 126 thiết bị Mạng gắn kết lưu trữ(NAS) • Mạng gắn kết lưu trữ (NAS) lưu trữ qua mạng là tốt hơn qua kết nối địa phương(như BUS) • NFS và hệ tập tin internet chung(CIFS) là một giao thức phổ biến • Thi hành qua lời gọi thủ tục từ xa (RPCs) giữa máy chủ và nơi lưu trữ • Giao thức iSCSI Mới sử dụng IP mạng để chứ đựng giao thức SCSI Mạng khu vực lưu trữ • Phổ biến trong môi trường lưu trữ lớn (và ngày càng trở nên phổ biến hơn) • Nhiều máy chủ gắn với nhiều mảng lưu trữ linh động sự lập danh mục đĩa • Hệ điều hành chiụ trách nhiệm về việc sử dụng phần cứng có hiệu quả- cho ổ đĩa, những phương tiện này có thời gian truy cập nhanh và độ rộng dải tần đĩa. • Thời gian truy cập có hai thành phần cơ bản • Thời gian(Seek time) tìm kiếm là thời gian di chuyển đầu đọc tới vùng mặt đĩa có từ trụ chứa những cung từ mong muốn • Góc trễ vòng quay(Rotational latency) là thơì gian được cộng thêm cho việc đĩa quay những cung từ mong muốn dưới đầu đĩa. • Cực tiểu hóa thời gian tìm kiếm • Thời gian tìm kiếm tương đồng với khoảng cách tìm kiếm • Độ rộng dãi tần đĩa là tổng số lượng byte truyền, được phân biệt bởi tổng thời gian giữa lần yêu cầu thực nhiệm vụ đầu tiên và sự kết thúc truyền dữ liệu • Những giải thuật riêng biệt thoát khỏi chương trình phục vụ yêu cầu (vào/ra )của đĩa. • Chúng ta minh họa chúng với một hàng yêu cầu (0-199). • 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 • Con trỏ Đầu 53 FCFS • Minh họa Sự chuyển động toàn bộ đầu từ của 640 từ trụ. • Lựa chọn yêu cầu với việc cực tiểu hóa thời gian tìm kiếm từ con trỏ đầu • Sự lập chương trình SSTF là một dạng của sự lập chương trình SJF, có thể gây ra tình trạng thiếu một số yêu cầu. • Minh họa cho sự chuyển động toàn bộ đầu từ của 640 từ trụ. SCAN • Cánh tay đĩa bắt đầu tại một vị trí kết thúc của đĩa và chuyển động tới những vị trí kết thúc khác, phục vụ những yêu cầu cho đến khi nó tới vị trí kết thúc khác của đĩa, nơi mà sự chuyển động đầu từ được quay lại và bảo đảm sự tiếp tục • Đôi khi được gọi giải thuật bậc thang • Minh họa cho sự chuyển động toàn bộ đầu từ của 208 từ trụ. C-SCAN • Cung cấp một thời gian chờ đồng bộ nhiều hơn S_CAN • Đầu từ chuyển động từ một vị trí kết thúc của đĩa tới một vị trí khác. Quản lý những yêu cầu như nó đã làm .Đến khi nào nó đạt đến vị trí kết thúc khác, tuy nhiên, ngay lập tức nó quay lại phần đầu của đĩa, nhưng không có bất kỳ yêu cầu phục vụ nào trên đường quay lại đó • Xử lý những từ trụ theo một danh sách vòng tròn quanh từ trụ cuối đến từ trụ đầu C-LOOK • Phiên bản của C-SCAN • Cánh tay đĩa chỉ đi xa như yêu cầu cuối cùng trong mỗi hướng, rồi ngay lập tứcquay ngược trở lại, mà không đi toàn bộ từ đầu tới cuối đĩa. Lựa chọn một giải thuật Quản lý Đĩa • SSTF là phổ biến và là một yêu cầu tự nhiên • SCAN và C- SCAN thi hành tốt hơn cho hệ thống ở vùng tải nặng trên đĩa. • Sự thi hành phụ thuộc vào số lượng và loại yêu cầu • Những yêu cầu về dịch vụ đĩa có thể ảnh hưởng bởi phương thức định vị tập tin. • Thuật toán lập lịch đĩa cần được viết như một module riêng biệt của hệ điều hành, cho phép nó được thay thế với một giải thuật khác nếu cần thiết • SSTF hoặc LOOk là một lựa chọn hợp lý cho giải thuật mặc định. Sự quản lý đĩa • Sự định dạng mức thấp, hay Chia định dạng vật lý một đĩa vào trong những cung từ mà bộ điều khiển đĩa có thể đọc và viết. • Để sử dụng một đĩa để giữ những tập tin, hệ điều hành vẫn còn cần tới việc ghi những cấu trúc dữ liệu trên đĩa. • Phân vùng đĩa vào một hoặc nhiều nhóm của từ trụ • Sự định dạng Lôgíc hay " tạo một hệ tập tin ". • Khối boot khởi tạo hệ thống • Chương trình mồi được lưu trữ trong ROM • Chương trình nạp bộ mồi • Những phương pháp như cung từ tiết kiệm được sử dụng để xử lý những khối xấu Khởi động từ một Đĩa ở Windows 2000 Quản lý Không gian Tráo đổi • Không gian tráo đổi bộ nhớ ảo sử dụng không gian đĩa như một sự mở rộng của bộ nhớ chính. • Không gian tráo đổi có thể tạo ra khỏi hệ tập tin bình thường, hay phổ biến hơn, nó có thể tạo ra phân vùng đĩa tách rời • Quản lý không gian Tráo đổi • BSD cấp phát không gian tráo đổi khi quá trình bắt đầu, nắm giữ phân đoạn văn bản (the program) và phân đoạn dữ liệu • Nhân sử dụng ánh xạ trao đổi để theo dõi không gian tráo đổi được sử dụng. • Solaris 2 chỉ cấp phát không gian tráo đổi khi một trang được bắt buộc ra khỏi bộ nhớ vật lý, không được chỉ định khi trang nhớ ảo đầu tiên được tạo ra. Cấu trúc dữ liệu trao đổi trên hệ thống Linux Cấu trúc RAIN • RAIN - Nhiều ổ đĩa cung cấp độ tin cậy qua tình trạng dư thừa. • RAIN được thiết lập trong sáu mức khác nhau. • Vài sự cải tiến trong kỹ thuật sử dụng đĩa bao gồm việc sử dụng nhiều đĩa đang làm việc hợp tác. • Đĩa trơ sử dụng một nhóm đĩa như một đơn vị lưu trư • RAIN sơ đồ cải tiến về việc thực hiện và độ tin cậy của hệ thống lưu trữ bởi việc cất giữ dữ liệu thừa. • Nhân bản dữ liệu hoặc che dấu dữ liệu giữ lại bản sao của mỗi đĩa • Khối xen kẻ chẳn lẽ sử dụng quá ít tình trạng dư thừa RAIN levels • RAID (0 + 1) and (1 + 0) Sự thi hành tính ổn định lưu trữ • Lược đồ khối bản ghi viết trước phụ thuộc vào sự lưu trữ ổn định • Để thi hành lưu trữ ổn định:s • Tái tạo thông tin trên nhiều phương tiện lưu trữ không linh động với chế độ false độc lập • Cập nhật thông tin trong một kênh điều chỉnh, cách mà chắc chắn rằng chúng ta có thể khôi phục dữ liệu ổn định sau những thất bại trong lúc truyền dữ liệu hoặc khôi phục dữ liệu Thiết bị lưu trữ cấp 3 • Giá rẽ là hạn chế tiêu biểu của thiết bị lưu trữ cấp 3 • Nói chung, thiết bị lưu trữ cấp 3 là được xây dựng cho việc sử dụng những phương tiện có thể di chuyển • những ví dụ phổ biến cho những thiết bị có thể di chuyển là đĩa mềm, CD ROM, và những loại sẳn có khác Những đĩa có thể di chuyển • Đĩa mềm , nó là một đĩa nhựa mềm có phủ một lớp vật liệu từ tính và được đựng trong phong bì plastic • hầu hết đĩa mềm nắm giữ khoảng 1Mb công nghệ tương tự được sử dụng đĩa thể di chuyển là nó có thể nắm giữ nhiều hơn 1 Gb • Những đĩa từ có thể di chuyển có thể nhanh như đĩa cứng nhưng theo dự báo chúng có độ rủi ro lớn về sự hỏng hóc Một đĩa từ quang học ghi dữ liệu trên mặt đĩa được phủ một lớp vật liệu từ tính • Nhiệt laser được sử dụng để khuyếch đại một lượng lớn, trường từ tính yếu để ghi một bit • Ánh sáng laser luôn được sử dụng để đọc dữ liệu • Đầu từ quang học có thể vươn tới mặt đĩa xa hơn đầu đĩa từ tính, và chất liệu từ tính đó được che bời một lớp bảo vệ làm bằng plastic hoặc thủy tinh,có thể chịu được sự va chạm đầu đọc • Những đĩa quang học không sử dụng chất liệu từ tính, chúng sử dụng chất liệu đặc biệt đã được thay đổi bởi ánh sáng laser WORM Disks • Dữ liệu trên những đĩa đọc ghi có thể thay đổi lặp đi lặp lại • Những đĩa WORM (“Write Once, Read Many Times”) có thể chỉ viết được một lần • Lớp film mỏng làm bằng bột nhôm được xen vào giữa hai đĩa làm bằng nhựa hoặc plastic • Để ghi một bit, đĩa sử dụng ánh sáng laser để khoan một lổ nhỏ xuyên qua lớp nhôm mỏng , thông tin có thể bị phá hủy • bởi không thay đổi • Rất bền và tin cậy • Những đĩa chỉ đọc như: CD_ROM và DVD đến từ nhà sản xuất với dữ liệu đã được ghi Băng từ • So sánh với đĩa từ ,băng từ không đắt và chứa nhiều dữ liệu nhưng truy cập ngẫu nhiên là rất chậm • Băng từ là phương tiện tiết kiệm cho mục đích, mà nó không phụ thuộc vào sự truy cập ngẫu nhiên nhanh ,vv. ,sao lưu dự phòng dữ liệu đĩa, nắm giữ một số lượng dữ liệu lớn • Phạm vi cài đặt băng từ điển hình sử dụng băng từ máy móc thay đổi mà sự di chuyển băng từ giữa ổ băng và các khe lưu trữ trong một thư viện băng từ • Thư viện ngăn xếp chứa một số băng từ • Thư viện chứa nắm giữ hàng ngàn băng từ • Một file nội trú trên đĩa có thể cất giữ bằng băng từ về giá trị lưu trữ thấp. Máy tính có thể đưa nó trở lại vào đĩa lưu trữ về hoạt động sử dụng Vấn đề về hệ điều hành • Công việc chủ yếu của OS là quản lý những thiết bị vật lý và hiện hữu một máy ảo trừu tượng tới những ứng dụng • Về đĩa cứng hệ điều hành cung cấp 2 sự trừu tượng : • Thiết bị thô sơ là một mảng các khối dữ liệu • File hệ thống – hệ điều hành chờ đợi và liệt kê những yêu cầu xen kẽ từ một vài ứng dụng Giao diện ứng dụng • Hầu hết kênh điều khiển OSs những đĩa có thể di chuyển gần như chính xác như những đĩa cố định • Một hộp chứa mới được định dạng và làm trống các file hệ thống được sinh ra trên đĩa • Băng từ được hiện diện như một phương tiện lưu trữ thô sơ và ứng dụng không được mở 1 file trên băng , nó được mở toàn ổ băng như một thiết bị thô sơ. • Thường thì ổ băng được dành cho việc sử dụng riêng những ứng dụng • Khi hệ điều hành không cung cấp sự phục vụ cho file hệ thống, ứng dụng có thể quyết định chọn việc sử dụng mảng các khối • Khi mọi ứng dụng hình thành quy tắc để hướng dẫn thiết lập một băng từ, nói chung một băng từ đầy dữ liệu chỉ có thể được sử dụng bằng chương trình tạo ra nó Ổ băng • Cơ sở hoạt động của ổ băng là khác với ổ đĩa • Định vị vị trí băng từ đến khối logic riêng biệt, không phải toàn strack(tương tự tìm kiếm) • Sự định vị đọc thao tác quay trở lại số khối logic ở đó có đầu băng • Vùng trắng thao tác có cho phép liên hệ với chuyển động • Ổ băng là “append-only” thiết bị, cập nhật một khối trong phần giữa băng, ngoài ra có hiệu quả xóa mọi thứ ngoài khối đó • Đánh dấu EOT là vùng trống sau khi một khối được viết Tên file • Sự phát hành của tên file trên những phương tiện có thể di chuyển là đặc biệt khó khi chúng ta muốn để ghi dữ liệu lên hộp chứa có thể mở được trên một máy tính và khi sử dụng hộp chứa trong những máy tính khác • OSs hiện đại thường cho phép tên ký tự trắng là vấn đề chưa được giải quyết cho phương tiên có thể di chuyển và phụ thuộc vào chương trình ứng dụng và người sử dụng để tìm hiểu làm thế nào để truy cập và phiên dịch dữ liệu • Một số loại về phương tiện có thể di chuyển (vi dụ: CDs..) là quá chuẩn để tất cả những máy tính sử dụng chúng cùng một biện pháp Sự quản lý cấp độ lưu trữ • Một hệ thống lưư trữ phân câp mở rọng cấp độ lưu trữ tới bộ nhớ chính và lưu trữ thứ cấp để kết hợp chặt chẽ với lưu trữ sơ cấp được thực hiện thường xuyên bởi jukebox băng hoặc những đĩa có thể di chuyển • Thường kết hợp chặt chẻ với lưu trữ sơ cấp bằng cách mở rộng các file hệ thống • Nhỏ và thường xuyên sử dụng các file còn lại trên đĩa • Lớn , củ và file không hoạt động là được lưu trữ trong máy tự hát động (jukebox) • HSM (sự quản lý cấp bậc lưu trữ ) thường thấy trong nhưng siêu máy tính trung tâm và nhữmg cài đặt lớn khác mà ở đó cố lượng dữ liệu lớn Tốc độ • Hai hình thức về tốc độ trong lưu trữ sơ cấp là độ rộng dải tần và gốc trễ • Độ rộng dải tần là sự đều đặn trong một byte trên một giây • Tinh liên tục của độ rộng dải tần –tốc độ dữ liệu trung bình trong lúc truyền một lượng lớn của byte/ thời gian truyền • Tốc độ dữ liệu khi luồng dữ liệu thực sự chảy tràn • ảnh hưởng độ rộng dải tần –trung bình trên toàn bộ thời gian vào ra,bao gồm tìm kiếm hay định vị,và hộp chứa chuyển đảo • Tất cả tốc độ dữ liệu của đĩa • Truy cập gốc trể -phần lớn thời gian cần để định vị dữ liệu • Thời gian truy cập cho một đĩa –di chuyển cánh tay đĩa đến từ trụ lựa chọn và đợi cho sự quay tròn góc trể < 35/1000 giây • Truy cập trên băng từ phụ thuộc vào sự cuộn của cuộn băng cho đến khi khối lựa chọn đến đầu đọc băng từ hang chục hoặc hàng trăm giây • Thường nói rằng truy cập ngẫu nhiên trong phạm vi hộp chứa băng từ là chậm hơn 1000 lần so vói truy cập ngẫu nhiên trên đĩa • Lưu trử sơ cấp giá rẻ là một kết quả của nhiều hộp chứa rẻ chia sẻ với một số đĩa đắt • Một thư viện có thể di chuyển dành hết cho sự lưu trữ dữ liệu hiếm khi dung đến bởi vì thư viện chỉ có thể đáp ứng một số tương đối nhỏ về yêu cầu vào ra trên 1 giờ Độ tin cậy • Một ổ đĩa cố định có thể được tin cậy hơn ổ đĩa có thể di chuyển hoặc ổ băng • Một hộp chưa quang học có thể tin cậy hơn một đĩa từ hoặc băng • Sự rơi đầu đọc trong ổ đĩa cứng cố định thương gây phá hủy dữ liệu ,ở đó sự không thực hiện của một ổ băng hoặc ô đĩa quang học thường đọc lướt qua dữ liệu hộp chứa không bị tổn hại Chi phí • Bộ nhớ chính rất đắt tiền so với đĩa lựu trữ • Giá trị trên một megabyte của đĩa cứng lưu trữ cạnh tranh với băng từ nếu chỉ một băng từ được sử dụng bởi đĩa • ổ băng giá rẻ và ổ đĩa giá rẻ có thể được xem như có dung lượng lưu trữ qua mọi năm • lưu trữ sơ cấp đưa ra một giá trị lưu trữ chỉ khi số về hộp chứa là lớn hơn rất nhiều so với đĩa Giá trị trên megabyte của DRAM, từ:1984-2000 Giá trị trên megabyte của một đĩa cứng từ, từ:1984-2000 Giá trị trên megabyte của một ổ băng từ:1984-2000 Nhóm thực hiện • Trần Thái Thức • Nguyễn Minh Vỹ • Nguyễn Thanh Tuấn