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Algo sobre Sistemas Operativos de la UTN-FRRE .....
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Sistemas OperativosSistemas OperativosCiclo Lectivo 2007Ciclo Lectivo 2007Estructuras de almacenamientoEstructuras de almacenamiento
ProfesoresProfesores
Exp. Mario IRIBASExp. Mario IRIBAS
Mag. Ing. Liliana CUENCA PLETSCHMag. Ing. Liliana CUENCA PLETSCH
AuxiliaresAuxiliares
Ing. Alberto RISTOFFIng. Alberto RISTOFF
Ing. Jorge ROAIng. Jorge ROA
Recopilación Bibliográfica y Recopilación Bibliográfica y elaboración del presente material de elaboración del presente material de estudio a cargo de Liliana CUENCA estudio a cargo de Liliana CUENCA
PLETSCHPLETSCH
ObjetivosObjetivos• Describir la estructura física de los dispositivos de
almacenamiento secundario y terciario y los efectos resultantes en la utilizació n de los mismos.
• Explicar las características de los dispositivos de almacenamiento masivo en lo referido a las prestaciones.
• Analizar los servicios que el SO porporciona para el almacenamiento masivo.
Estructura de almacenamiento Estructura de almacenamiento masivomasivo
• Los discos magnéticos proveen la parte principal del almacenamiento secundario en los sistemas informáticos actuales.
o Cada plato tiene una forma circular plana. Los diámetros van de 1.8 a 5.25 pulgadas. Las 2 superficies de cada plato están cubiertas de un material magnético. La informació n se almacena grabándola magnéticamente sobre los platos.
o Un cabezal de lectura-escritura “vuela” por encima de cada una de las superficies de cada plato. Los cabezales están conectados a un brazo del disco que mueve todos los cabezales como una sola unidad. La superficie de cada plato está dividida, desde el punto de vista ló gico en pistas ciculares que, asu vez, se subdividen en sectores. El conjunto de pistas situadas en una determinada posició n del brazo forman un cilindro. Pueden haber miles de cilindros concéntricos en una unidad de disco y cada pista puede contener cientos de sectores
o Un motor hace girar el disco a gran velocidad. La velocidad de rotació n oscila entre las 60 y 200 veces por segundo
Estructura de almacenamiento Estructura de almacenamiento masivomasivo
• La velocidad de un disco depende de:
o Velocidad de transferencia: es la velocidad con que los datos fluyen entre la unidad de disco y la computadora
o Tiempo de posicionamiento o Tiempo de búsqueda : es el tiempo necesario para mover el brazo del disco hacia el cilindro deseado.
o Tiempo de latencia rotacional: es el tiempo requerido para que el sector deseado rote hasta pasar por debajo del cabezal del disco.
Estructura de almacenamiento Estructura de almacenamiento masivomasivo
� Aterrizaje de cabezales: ocurre cuando el cabezal entra en contacto con la superficie del disco. Si esto ocurre es necesario sustituir el disco.
� Discos extraíbles: constan de un solo plato dentro de una carcasa plástica para evitar dañ os físicos. Este es el caso de los diskettes.
Existen otros discos extraíbles que no son magnéticos: CD, DVD, memorias flash que interactúan con el sistema a travéz de una interfaz USB, dispositivos ó pticos. Los discos removibles pertenecen a la categoría de dispositivos de almacenamiento terciario.
� Los buses de E/S permiten conectar las unidades de disco a la computadora (EIDE, ATA, USB, SCSI). Las transferencias de datos en un bus son realizadas por porcesadores especiales denominados controladoras. La controladora host está ubicada en el extremo del bus correspondiente a la computadora. En cada unidad de disco se integra una controladora de disco. Para realizar una operació n de E/S la CPU coloca un comando en la controladora host, la cual envía el comando mediante una serie de mensajes a la controladora de disco. É stas disponen, normalmente, de una caché integrada. Las transferencias de datos en la unidad de disco se realizan entre la caché y la superficie del disco y la transferencia hacia el host se produce entre la caché y la controladora host.
Estructura de almacenamiento Estructura de almacenamiento masivomasivo
• Cintaso Fueron los primeros medios de almacenamiento masivoo Es relativamente permanente y permite almacenar grandes cantidades
de informació n.o Tiempo de acceso lento comparado con los discos.o Se utiliza frecuentemente para copias de seguridad, almacenamiento de
datos de uso no frecuente y como medio para trasferir informacion de un sistema a otro.
o Se insertan en una unidad y se bobinan o rebobinan para hacerlas pasar por un cabezal de lectura escritura.
o Para desplazarse al lugar correcto de la cinta pueden hacer falta minutos, pero luego las unidades de cinta pueden escribir datos a velocidades comparables con los discos.
o Las capacidades varían entre 20 y 200 GB, y algunas disponen de técnicas de compresió n que permiten duplicar este espacio..
Estructura del discoEstructura del disco• Las unidades de disco se direccionan como matrices unidimensionales de
bloques ló gicos, siendo el bloque ló gico la unidad más pequeñ a de transferencia. Usualmente 512 bytes, aunque algunos discos pueden formartearse a bajo nivel para incrementar el tamañ o del bloque ló gico (a 1024 bytes por ejemplo).
• La matriz unidimensional se mapea sobre sobre los sectores del disco secuencialmente:
o El sector 0 es el primer sector de la 1era pista del cilindro más externo, el mapeo continúa a lo largo de esa pista y luego a lo largo del resto de las pistas de dicho cilindro y luego a lo largo del resto de los cilindros, desde el más externo al más interno.
o Utilizando este mapeo se podría convertir un número de bloque ló gico en una direcció n de disco compuesta por número de cilindro, nro de pista y sector dentro de la pista.
Problemas: − sectores defectuosos que el mapeo oculta utilizando sectores libres
adicionales en otro lugar del disco. − La cantidad de sectores por pista no es constante en algunas
unidades de disco:las pistas externas tienen alrededor de un 40% más de sectores que las internas. En algunos casos la velocidad de rotació n se incrementa a medida que el cabezal pasa de las pistas externas a las internas para que el disco transfiera siempre la misma cantidad de datos por segundo (velocidad lineal constante). En otros la velocidad de rotació n se mantiene constante reducié ndose la densidad de bits al pasar de pistas externas a internas a efectos de mantener constante la velocidad de transferencia (Velocidad angular constante)
Almacenamiento conectado al HOSTAlmacenamiento conectado al HOST• Es posible acceder a los datos almacenados en disco de dos maneras:
mediante puertos de E/S (almacenamiento conectado al host) o mediante un host remoto en un sistema de archivos distribuido (almacenamiento conectado a la red)
• Almacenamiento conectado al host:o IDE o ATA: arquitectura de bus que soporta, como máximo, dos
unidades por cada bus de E/S. SATA es un portocolo similar y más simplificado.
o SCSI es una arquitectura de bus cuyo soporte físico, usualmente un cable de cinta, soporta un máximo de 16 dispositivos conectados al bus. Generalmente estos dispositivos incluyen una tarjeta controladora en el host (el iniciador SCSI) y hasta 15 dispositivos de almacenamiento (los destinos SCSI). El protocolo permite direccionar hasta 8 unidades ló gicas en cada destinos SCSI.
o FC es una arquitectura de alta velocidad que puede operar sobre fibra ó ptica o sobre un cable de cobre de 4 hilos. Una de sus variantes es una estructura conmutada de gran tamañ o que tiene un espacio de direcciones de 24 bits . Esta tecnología es la base de de las redes de área de almacenamiento (SAN Storage area network) que permite conectarse múltiples hosts y dispositivos de almacenamiento a la estructura de comunicaciones.
o La otra variante de FC es un bucle arbitrado que puede direccionar 126 dispositivos.
o Los dispositivos de almacenamiento típicos conectados al host son: unidades de disco rígido, unidades de CD, DVD, cintas, las matrices RAID. Los comandos que inician las transferencias de datos a un dispositivo son las ectiras y escrituras de bloques de datos ló gicos dirigidas hacia unidades de almacenamiento.
Almacenamiento conectado a la redAlmacenamiento conectado a la red• Un NAS (Network attached storage) es
un sistema de almacenamiento de propó sito especial al que se accede de forma remota a través de una red de datos.
• NFS (Unix) y CIFS (Windows) son los protocolos mediante los cuales los clientes acceden.
• Se implementan mediante llamadas a procedimientos remotos (RPC) entre el host y el almacenamiento.
• Este almacenamiento proporciona una forma de acceso a los dispositivos con la misma facilidad de denominació n que si se tratara de dispositivos locales conectados al host, aunque tiende a ser menos eficiente y más lento.
• El protocolo más reciente es el iSCSI.
Redes de área de almacenamiento Redes de área de almacenamiento (SAN)(SAN)
• Las NAS consumen ancho de banda lo cual incrementa la latencia en las comunicaciones a través de la red.
• Una SAN es una red privada que utiliza protocolos de almacenamiento en lugar de protocolos de red y conecta los servidores con las unidades de almacenamiento
• Flexibilidad: permite conectar múltiples host y múltiples matrices de almacenamiento a la misma SAN.
Planificació n de discosPlanificació n de discos
• El SO es responsable del uso eficiente del HW. Esto implica, en el caso del acceso a disco, disponer de un buen tiempo de acceso y un gran ancho de banda.
• El tiempo de acceso tiene dos componentes fundamentales: o Tiempo de búsqueda : tiempo que le demanda al disco mover las
cabezas de lectura-escritura hacia el cilindro que contiene el sector buscado.
o Latencia rotacional: es el tiempo adicional necesario para que el disco rote y sitúe el sector buscado debajo del cabezal del disco.
• El ancho de banda del disco es el número total de bytes transferidos, dividido entre el tiempo total transcurrido entre la 1era solicitud de servicio y la terminació n de la última transferencia.
• Ambos parámetros pueden mejorarse mediante una adecuada planificació n del servicio a las disintas solicitudes de E/S al disco.
• Cada solicitud implica especificar: si se trata de una operació n de entrada o de salida, la direcció n del disco, la direcció n de memoria, cantidad de sectores a transferir.
Planificació n de discosPlanificació n de discos
• Existen varios algoritmos para planificar los requerimientos de E/S a disco.
• Supongamos disponer de un disco con 200 cilindros (0-199) y la siguiente cola de requerimientos:
98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
el cabezal está ubicado en el cilindro 53
• Analizaremos los diferentes algoritmos paa atender estas solicitudes.
FCFSFCFS
El movimiento total es de 640 cilindros.
Se atienden los pedidos en el orden en que lleganCola: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67Cabezal en cilindro 53.
45 cil.
85 cil.
146 cil.
85 cil.
108 cil.
110 cil.
59 cil.
2 cil.
SSTFSSTFSe atienden los pedidos que implican el menor movimiento de cabezal a
partir de la posició n inicialCola: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Cabezal en
cilindro 53Orden de atenció n: 65, 67, 37, 14, 98, 122, 124, 183
12 cil.
2 cil.
30 cil.
23 cil.
84 cil.24 cil.
2 cil.59 cil.
El movimiento total es de 236 cilindros.
SCANSCAN El brazo del disco comienza en un extremo y se mueve hacia el otro extremo dando
servicio a las solicitudes a medida que pasa por cada cilindro. En el otro extremo se invierte la direcció n del movimiento del cabezal y se continúa dando servicio a las solicitudes.
Cola: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Cabezal en cilindro 53
Orden de atenció n: 37, 14, 0, 65, 67, 98, 122, 124, 183
16 cil.
23 cil.14 cil.
65 cil.2 cil.
31 cil.
24 cil.
2 cil.
59 cil.
El movimiento total es de 236 cilindros.
SCANSCAN
12 cil.
El movimiento total es de 331 cilindros.
2 cil.
31 cil.24 cil.
2 cil.
59 cil.
16 cil.
162 cil.23 cil.
� Otra posibilidad: si el cabezal se movía de 0 a 199.
C-SCANC-SCANSimilar al SCAN, pero cuando llega a un extremo regresa al otro sin atender
solicitudes. Cola: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Cabezal en cilindro 53
Orden de atenció n: 65, 67, 98, 122, 124, 183, 199, 0, 14, 37
12 cil.
2 cil.
31 cil.
24 cil.
2 cil.
59 cil.16 cil.
199 cil.14 cil.
23 cil.
El movimiento total es de 382 cilindros.
C-LOOKC-LOOK Similar al C-SCAN. El brazo no se mueve hacia los extremos sino solamente hacia
donde hay solicitudes. Cola: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Cabezal en cilindro 53
Orden de atenció n: 65, 67, 98, 122, 124, 183, 14, 37
12 cil.
2 cil.
31 cil.
24 cil.
2 cil.
59 cil.
169 cil.
23 cil.
El movimiento total es de 322 cilindros.
Selecció n de un algoritmo de Selecció n de un algoritmo de planificació nplanificació n
• SSTF es simple y mejora los tiempos de FCFS, pero puede provocar inanició n. • SCAN y C-SCAN tienen mejor rendimiento en los casos en que el disco está sometido
a una intensa carga porque es menos probable que provoquen muerte por inanició n.• El rendimiento depende del número y tipo de requerimientos.• Las solicitudes de acceso a disco pueden verse muy influenciadas por los metodos de
asignació n de archivos. No es igual el movimiento de cabezales cuando se accede a un archivo con asignació n contigua respecto de otro con asignació n enlazada.
• También influye la ubicació n de los directorios y los bloques de índice.• Por estas complejidades es recomendable que el algoritmo de planificació n de disco
se escriban independientes del SO para poder sustituirlo por otro algoritmo si fuera necesario.
• Tanto SSTF como LOOK son una elecció n razonable.• Estos algoritmos só lo contribuyen a mejorar el tiempo de búsqueda. El tiempo de
latencia rotacional es difícil de disminuir desde el SO. Los fabricantes de HW implementan algoritmos de planificació n de disco en el controlador integrado. Cuando recibe solicitudes las ubica en la cola de espera y las atiende buscando minimizar ambos tiempos.
• Algunos SO deciden realizar ellos la planif. de E/S y enviarlas una a una a la controladora del disco. Esto es así porque a veces puede ser deseable, por ej., asignar prioridad a la paginació n bajo demanda y hacer que esperen las E/S de las aplicaciones
Gestió n del DiscoGestió n del Disco• Formateo de bajo nivel o formateo físico: divide al disco en sectores que la controladora
de disco puede leer y escribir.• La estructura de datos para cada sector consta de:
o la cabecera, o el área de datos (256, 512, 1024 bytes), o la cola.
La cabecera y la cola contienen informació n que usa la controladora como ser: nro de sector y ECC (có d. de control de errores).
• Para poder almacenar archivos el SO necesita grabar sus propias estructuras de datos en el disco:
o Particionar el disco en uno o más grupos de cilindroso Formateo lógico que consiste en crear el sistema de archivos del disco (estructuras de datos
iniciales como mapa de espacio libre y asignado, directorio inicial vacío).o La mayoría de los SO agrupa los bloques en fragmentos de mayor tamañ o denominados
clusters. La E/S a disco se realiza mediante bloques pero la E/S a archivos se realiza mediante clusters. De esta manera las E/S tendrán características más secuenciales y menos aleatorias.
o E/S sin formato: algunos SO proporcionan a algunos programas especiales (como sistemas de BD, por ej.) la capacidad de usar una partició n de disco sin estructura de archivo, como si fuera una matriz secuencial de bloques ló gicos.
Gestió n del DiscoGestió n del Disco
• El programa de arranque inicializa el sistema.o Es muy simple: inicializa los registros de la CPU, las controladors de
dispostivo y el contenido de la MP y luego inicializa el SO. Para ello busca el kernel del SO en el disco, lo carga en memoria y salta a la direcció n de inicio del SO.
o Puede estar en la ROM o en el disco. Cuando está en el disco el porgrama cargador se almacena en los denominados bloques de arranque .
o Un disco que dispone de una partició n de arranque se denomina disco de arranque o disco del sistema .
Carga desde el disco con Windows Carga desde el disco con Windows 20002000
Reg. de arranque maestro
Sector de arranque
Gestió n del DiscoGestió n del Disco• Gestió n de bloques defectuosos
o La mayoría ya trae una serie de bloques defectuosos de fábrica, los cuales son detectados en el formateo de bajo nivel.
o Discos más simples (IDE, por ej.): los bloques defectuosos se gestionan en forma manual. Ej: como parte del formateo de MS-DOS los bloques defectuosos son marcados para que las rutinas de asignació n no los utilicen. Si los bloques pasan a ser defectuosos durante la operació n normal, se debe correr una rutina especial (chkdsk) para marcarlos.
o Discos más sofisticados (SCSI, por ej.): disponen de mecanismos de recuperació n de boques defectuosos.
En el formateo de bajo nivel se reservan sectores adicionales que no son visibles para el SO. Cuando hay un sector defectuoso se lo reemplaza por alguno de los sectores adicionales reservados, de ser posible dentro del mismo cilindro (para no afectar los algoritmos de búsqueda).
Otra solució n disponible es el deslizamiento de sectores. Así si el bloque 17 está defectuoso, los contenidos del 18 hasta el último ocupado se desplazan 1 sector. Los datos que debían almacenarse en el sector 17 se almacenan en el 18.
Gestió n del espacio de intercambioGestió n del espacio de intercambio• La memoria virtual utiliza espacio en disco como una extensió n de la memoria
principal.• El espacio de intercambio puede ubicarse en el espacio del sistema de archivos e
en una partició n separada del disco. o El primer caso consume mucho tiempo ya que demanda accesos adicionales
al disco (navegació n por la estructura de directorio y el acceso a las estructuras de asignació n de espacio en el disco).
o En el 2do. caso se utilizan algoritmos para optimizar la velocidad de almacenamiento. El tamañ o del espacio de intercambio es fijo. Si se desea incrementar deberá reparticionarse el disco.
o Algunos SO disponen de ambas posibilidades. Es el caso de Linux, en que el administrador decide qué tipo de intercambio utilizar. La decisió n será entre la comodidad de asignació n y gestió n dentro del espacio de archivos y las mayores prestaciones de la utilizació n de particiones sin formato.
o También el Solaris 1 utiiliza ambas posibilidades. Las páginas que contienen có digo se cargan desde el sistema de archivos. El espacio de intercambio se utiliza para la pila, el cúmulo (memoria asignada dinámicamente al porceso) y los datos.
• Otro aspecto a considerar es el tamañ o del espacio de intercambio. Puede ir desde unos pocos Mb hasta varios Gb. Para no tener que abortar porcesos, se consdiera apropiado sobreestimar el tamañ o. Algunos sistemas recomiendan el tamañ o: Solaris sugiere un espacio igual a la cantidad en que la MV exceda a la memoria física paginable. Linux sugiere que se reserve el doble de memoria física disponible, aunque las versiones actuales utilizan un espacio de memoria inferior.
Estructuras RAIDEstructuras RAID
• Las unidades de disco han evolucionado incrementando la capacidad en unidades más pequeñ as y baratas, lo que posibilita conectar varios discos a un mismo sistema.
• La utilizació n de varios discos en paralelo puede mejorar la velocidad de acceso y la confiabilidad de los datos.
• RAID (matrices redundantes de disco de bajo costo – Redundant arrays of inexpensive disk). Esta técnica permite incorporar redundancia para poder recuperar los datos en caso de una falla de disco, y paralelismo para mejorar la velocidad de acceso a los datos.
o El paralelismo se logra mediante la distribució n en bandas de los datos. Esta distribució n puede realizarse a nivel de bit o a nivel de bloque.
o Distribució n a nivel de bit: ej. Si se dispone de una matriz de 8 discos el bit i de cada byte se escribirá en el disco i, así los discos se tratan como un único disco con sectores 8 veces más grandes.
o Cuando la distribució n se realiza a nivel de bloque, los bloques de cada archivo se dividen entre múltiples discos.
• RAID se implementa en 6 niveles diferentes.
Las bandas se distribuyen a nivel de bloques y la redundancia está dada por el mirroring.
La escritura es más lenta porque debe hacerse en ambos grupos de discos
Niveles de RAIDNiveles de RAIDRAID 0: distribuciRAID 0: distribucióón en bandas no n en bandas no
redundanteredundante
RAID 1: discos duplicados en espejoRAID 1: discos duplicados en espejo
Las bandas se distribuyen a nivel de bloques pero sin redundancia.
Mejora el rendimiento y la capacidad pero no aporta a la confiabilidad.
Niveles de RAIDNiveles de RAID
Distribuye las bandas a nivel de bits. Utiliza có digo de Hamming para el control de errores.
Para palabras de 32 bits necesitarían 32 discos para los datos y 6 para paridad.
Requiere menor cantidad de discos para la redundancia.
RAID 2: códigos de corrección de errores RAID 2: códigos de corrección de errores
Niveles de RAIDNiveles de RAID
RAID 3: paridad con entrelazado de bitsRAID 3: paridad con entrelazado de bits
Utiliza un único disco de paridad. Tiene en cuenta que las controladoras de disco pueden detectar errores por cada sector. En el disco de paridad cada
posició n controla la paridad de esa posició n en cada disco. Así, si se detecta que un sector es erró neo se puede identificar dó nde está el error calculando la paridad de los bits correspondientes de los sectores almacenados en los otros
discos. Si la paridad de los bits restantes es igual a la almacenada, entonces el bit que falta será un 0. En caso contrario será un 1.
1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1
1 0 0 1 1
1 1 1 1 01 1 0 0 1
distintos
Niveles de RAIDNiveles de RAIDRAID 4: paridad con entrelazado de bloqueRAID 4: paridad con entrelazado de bloque
Utiliza una distribució n de datos en bandas. Se calcula bit a bit una banda de paridad a partir de las bandas correspondientes de cada disco de datos y los
almacena en el disco de paridad.
Si se realiza una escritura que involucra una única banda, por ej. A1, este cambio afectará tambié n a Ap. Para calcular la nueva paridad el sistema de gestió n lee las bandas de datos y paridad antiguas, luego actualiza ambas
bandas con los nuevos datos y la nueva paridad calculada.
Ap= Ap ORX A1 ORX A1´
Niveles de RAIDNiveles de RAID
RAID 5: paridad con entrelazado de bloqueRAID 5: paridad con entrelazado de bloque
Similar a RAID 4 pero intercala las bandas de paridad a travé s de todos los discos.
Evita el cuello de botella que se da en el disco de paridad en RAID 4 cuando se realizan varias escrituras.
Niveles de RAIDNiveles de RAID
RAID 6: redundancia P + QRAID 6: redundancia P + Q
Realiza dos cálculos de paridad diferentes que se almacenan en bloques separados en distintos discos. Así, si falla un disco se puede recomponer, pero
tambié n si fallan dos. Deberían fallar 3 discos para que la informació n no se pueda recuperar.
Es más lento pero aporta mayor confiabilidad.
Selecció n de un nivel de RAIDSelecció n de un nivel de RAID
La reconstrucció n de los datos en caso de fallos es más
sencilla con RAID 1. Los otros niveles exigen acceso a
todos los discos para realizar la reconstrucció n.
RAID 0 se utiliza en aplicaciones de altas prestaciones
cuando el porblema de la pé rdida de datos no es crítico.
Debido al gran espacio adicional necesario en las
soluciones tipo RAID 1, suele preferirse RAID 5 para
almacenar grandes volúmenes de datos.
El nivel 6 no está soportado en muchas implementaciones
RAID pero ofrecen mayor fiabilidad que RAID 5.
