磁盤存儲(chǔ)器管理

1、磁盤存儲(chǔ)器管理School of ManagementTianjin University第1頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理磁盤性能簡(jiǎn)述數(shù)據(jù)的組織和格式實(shí)際的硬盤都組織成多個(gè)盤片，每片分兩面，每面分成若干條磁道，磁道間有間隙磁道又被分成許多扇區(qū)，每條磁道上扇區(qū)數(shù)目典型為10至100，每個(gè)扇區(qū)包含相同的字節(jié)數(shù)，相當(dāng)于一個(gè)盤塊第2頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理用磁道

2、號(hào)、磁頭號(hào)和扇區(qū)號(hào)來標(biāo)識(shí)一個(gè)扇區(qū)第3頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理磁盤格式化每個(gè)扇區(qū)容量600BYTE，其中512BYTE存放數(shù)據(jù)。標(biāo)志字段數(shù)據(jù)字段定界符第4頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理第5頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理2 磁盤類型固定頭磁盤:

3、提高并行讀寫能力，主要用于大容量磁盤移動(dòng)頭磁盤：尋道功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，速度慢第6頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理 3 磁盤訪問時(shí)間尋道時(shí)間Ts：是指把磁頭移動(dòng)到指定磁道上所經(jīng)歷底時(shí)間，是啟動(dòng)磁臂的時(shí)間S與磁頭移動(dòng)N條磁道所花費(fèi)的時(shí)間之和旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間T：是指指定扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下面所經(jīng)歷的時(shí)間,平均T為50100ms傳輸時(shí)間Tt：是指向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間,與每次讀/寫的字節(jié)數(shù)b和旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)第7頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of Mana

4、gementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理因此總的訪問時(shí)間Ta為上面三項(xiàng)之和：Ta Ts 1/2r + b/rN尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間占據(jù)了訪問時(shí)間中的大部分，而傳輸所占的時(shí)間比重是比較小的。磁盤調(diào)度-當(dāng)多個(gè)進(jìn)程需要訪問磁盤時(shí)磁盤調(diào)度的目標(biāo)是使磁盤的平均尋道時(shí)間最少，以使進(jìn)程對(duì)磁盤的平均訪問時(shí)間最小，目前常使用的有先來先服務(wù)，最短尋道時(shí)間優(yōu)先及掃描算法等第8頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University先來先服務(wù)尋道算法FCFS（First-come，F(xiàn)irst-served） 一種最簡(jiǎn)

5、單的磁盤調(diào)度算法。它根據(jù)進(jìn)程請(qǐng)求訪問磁盤的先后次序進(jìn)行調(diào)度。 優(yōu)點(diǎn)公平、簡(jiǎn)單，每個(gè)進(jìn)程的請(qǐng)求都能依次得到處理。缺點(diǎn)未對(duì)尋道進(jìn)行優(yōu)化，致使平均尋道時(shí)間可能較長(zhǎng)。磁盤存儲(chǔ)器管理第9頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理最短尋道時(shí)間優(yōu)先算法SSTF該算法選擇這樣的進(jìn)程，其要求訪問的磁道與當(dāng)前磁頭所在的磁道，距離最短，以使每次的尋道時(shí)間最短，但這種調(diào)度算法卻不能保證平均尋道時(shí)間最短會(huì)可能導(dǎo)致某個(gè)進(jìn)程發(fā)生“饑餓”的現(xiàn)象，因?yàn)橹灰行逻M(jìn)程的請(qǐng)求到達(dá)，其所要訪問的磁道與當(dāng)前所在磁道的距離較近，其I/

6、O請(qǐng)求必優(yōu)先滿足第10頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理FCFS算法（從100#磁道開始）被訪問的下一個(gè)磁道號(hào)移動(dòng)距離（磁道數(shù)）5545583391918219072160701501038112184146平均尋道長(zhǎng)度：55.3SSTF算法（從100#磁道開始）被訪問的下一個(gè)磁道號(hào)移動(dòng)距離（磁道數(shù)）90105832553391638118201501321601018424平均尋道長(zhǎng)度：27.5第11頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of M

7、anagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理掃描算法SCAN為了避免“饑餓”現(xiàn)象，對(duì)SSTF算法略加修改形成掃描算法，該算法不僅考慮到欲訪問的磁道與當(dāng)前磁道的距離，更優(yōu)先考慮的是磁頭的當(dāng)前移動(dòng)方向。這種算法中磁頭移動(dòng)的規(guī)律頗似電梯的運(yùn)行，又稱電梯調(diào)度算法。磁臂由磁盤的一端開始，移動(dòng)到磁盤的另一端，在移動(dòng)過程中，為訪問請(qǐng)求服務(wù)。然后調(diào)轉(zhuǎn)方向，從此端移動(dòng)到另一端。第12頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理循環(huán)掃描CSCAN（Circular SCAN）為了減少SC

8、AN算法造成的某些進(jìn)程的請(qǐng)求被嚴(yán)重推遲，CSCAN算法規(guī)定磁頭單向移動(dòng)。當(dāng)磁頭移到最外的磁道并訪問后，磁頭立即返回到最里的欲訪問磁道，即將最小磁道號(hào)緊接著最大磁道號(hào)構(gòu)成循環(huán)，進(jìn)行循環(huán)掃描第13頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理（從100#磁道開始，向磁道號(hào)增加的方向）被訪問的下一個(gè)磁道號(hào)移動(dòng)距離（磁道數(shù)）1505016010184249094583255339163811820平均尋道長(zhǎng)度：27.8SCAN調(diào)度算法示例（從100#磁道開始，向磁道號(hào)增加的方向）被訪問的下一個(gè)磁道號(hào)移

9、動(dòng)距離（磁道數(shù)）15050160101842418166382039155165839032平均尋道長(zhǎng)度：27.5CSCAN調(diào)度算法示例第14頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理N-Step-SCAN和FSCAN調(diào)度算法1） N-Step-SCAN算法：在SSTF、SCAN及CSCAN幾種調(diào)度算法中，都可能出現(xiàn)磁臂停留在某處不動(dòng)的情況，即進(jìn)程壟斷了整個(gè)磁盤設(shè)備。我們把這一現(xiàn)象稱為“磁臂粘著”。N步SCAN算法是將磁盤請(qǐng)求隊(duì)列分成若干個(gè)長(zhǎng)度為N的子隊(duì)列，磁盤調(diào)度將按FCFS算法依次處理

10、這些子隊(duì)列。每處理一個(gè)隊(duì)列時(shí)又是按SCAN算法，對(duì)一個(gè)隊(duì)列處理完后，再處理其他隊(duì)列。第15頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理當(dāng)正在處理某子隊(duì)列時(shí)，如果又出現(xiàn)新的磁盤I/O請(qǐng)求，便將新請(qǐng)求進(jìn)程放入其他隊(duì)列，這樣就可避免出現(xiàn)粘著現(xiàn)象。 當(dāng)N值取得很大時(shí)，會(huì)使N步掃描法的性能接近于SCAN算法的性能；當(dāng)N=1時(shí)，N步SCAN算法便蛻化為FCFS算法。 2） FSCAN算法實(shí)際上是N步SCAN算法的簡(jiǎn)化，即FSCAN只將磁盤請(qǐng)求隊(duì)列分成兩個(gè)子隊(duì)列。第16頁，共32頁，2022年，5月20日

11、，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理一個(gè)是由當(dāng)前所有請(qǐng)求磁盤I/O的進(jìn)程形成的隊(duì)列；在掃描期間，將新出現(xiàn)的所有請(qǐng)求磁盤I/O的進(jìn)程，放入另一個(gè)等待處理的請(qǐng)求隊(duì)列。磁盤高速緩存（Disk Cache）是指利用內(nèi)存中的存儲(chǔ)空間，來暫存從磁盤中讀出的一系列盤塊中的信息。這里的高速緩存是一組在邏輯上屬于磁盤，而物理上是駐留在內(nèi)存中的盤塊.第17頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理通常高速緩存在內(nèi)存中有兩種形式：第一種

12、是在內(nèi)存中開辟一個(gè)單獨(dú)的存儲(chǔ)空間來作為磁盤高速緩存，其大小是固定的；第二種是把所有未利用的內(nèi)存空間變?yōu)橐粋€(gè)緩沖池，供請(qǐng)求分頁系統(tǒng)和磁盤I/O時(shí)(作為磁盤高速緩存)共享。 置換算法：現(xiàn)在不少系統(tǒng)在設(shè)計(jì)其高速緩存的置換算法時(shí)，除了考慮到最近最久未使用這一原則外，還考慮了以下幾點(diǎn)：第18頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理 (1) 訪問頻率。(2) 可預(yù)見性。 (3) 數(shù)據(jù)的一致性。周期性地寫回磁盤為了防止在數(shù)據(jù)不一致的問題，尤其是系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，必須提供周期性回寫磁盤的功能；在UNIX系

13、統(tǒng)中專門增設(shè)了一個(gè)修改update程序，使之在后臺(tái)運(yùn)行，該程序周期性地調(diào)用一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用SYNC。第19頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理MS-DOS中所采用的方法是：只要高速緩存中的某盤塊數(shù)據(jù)被修改，便立即將它寫回磁盤,但是會(huì)造成頻繁啟動(dòng)磁盤。提高磁盤I/O速度的其它方法：提前讀(Read-Ahead)延遲寫優(yōu)化物理塊的分布虛擬盤第20頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理

14、廉價(jià)磁盤冗余陣列RAIDRAID:為Redundant Arrays of Independent Disks的簡(jiǎn)稱,中文為廉價(jià)冗余磁盤陣列。在1987年由美國柏克萊大學(xué)提出RAID （Redundant Array of Inexpensive Disks）理論,作為高性能的存儲(chǔ)系統(tǒng),巳經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。RAID的級(jí)別從RAID概念的提出到現(xiàn)在,巳經(jīng)發(fā)展了多個(gè)級(jí)別,有明確標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別分別是0、1、2、3、4、5等。但是最常用的是0、1、3、5四個(gè)級(jí)別。RAID為使用者降低了成本、增加了執(zhí)行效率,并提供了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。第21頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五Sc

15、hool of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理并行交叉存取 根據(jù)RAID所采用的方法不同，可以將其分為05六個(gè)級(jí)別，后來又增加了RAID6級(jí)和RAID7級(jí)。第22頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理 RAID 0級(jí)數(shù)據(jù)分塊，即把數(shù)據(jù)分布在多個(gè)盤上非冗余陣列、無冗余信息嚴(yán)格地說,它不屬于RAID系列 RAID 1級(jí)亦稱鏡像盤，使用雙備份磁盤每當(dāng)數(shù)據(jù)寫入一個(gè)磁盤時(shí)，將該數(shù)據(jù)也寫到另一個(gè)冗余盤（鏡像盤），形成信息的兩份復(fù)制品特點(diǎn)：昂貴、系統(tǒng)可靠性高、

16、效率低(冗余度太大，磁盤的利用率僅為50%第23頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理第24頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理第25頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理RAID 3級(jí)位交叉奇偶校驗(yàn)盤陣列，是單盤容錯(cuò)并行傳輸?shù)年嚵袛?shù)據(jù)以位或字節(jié)交叉的方式存于各盤，冗

17、余的奇偶校驗(yàn)信息存儲(chǔ)在一臺(tái)專用盤上。將磁盤分組，讀寫要訪問組中所有盤，每組中有一個(gè)盤作為校驗(yàn)盤。第26頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理第27頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理RAID 5級(jí)塊交叉分布式奇偶校驗(yàn)盤陣列。數(shù)據(jù)以塊交叉的方式存于各盤，無專用校驗(yàn)盤，冗余的奇偶校驗(yàn)信息均勻分布于所有盤。特點(diǎn): 無瓶頸盤，多個(gè)寫訪問請(qǐng)求可同時(shí)進(jìn)行第28頁，共32頁，2022年，5

18、月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理第29頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星期五School of ManagementTianjin University磁盤存儲(chǔ)器管理RAID 6級(jí)雙維奇偶校驗(yàn)獨(dú)立存取盤陣列。數(shù)據(jù)以塊(塊大小可變)交叉的方式存于各盤，冗余的檢、糾錯(cuò)信息均勻地分布在所有磁盤上。每次寫入數(shù)據(jù)都要訪問一個(gè)數(shù)據(jù)盤和兩個(gè)校驗(yàn)盤，可容忍雙盤出錯(cuò)。RAID 7級(jí)采用Cache和異步技術(shù)的RAID6，提高響應(yīng)速度和傳輸速率(可達(dá)每秒幾十兆字節(jié))，是目前最高檔次的磁盤陣列。第30頁，共32頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)28分，星