12. 大量儲存裝置結構 (Mass-Storage Structure)

一、Magnetic disks(磁碟) :

§ 磁碟每秒中轉60~200次

§ 傳遞速率(transfer rate)為資料在磁碟機與電腦間流動速率。
 
§ 定位時間(Positioning time)(或稱為隨機存取時間(random-access time))。

§ 磁碟碰劃(Head crash)是一種硬碟故障,在硬碟讀寫頭和旋轉的硬碟片接觸時發生,在磁碟表面的介質產生永久不可恢復的損害。

§  磁碟可以移動或撤換,以便允許根據需要來裝入不同的磁碟。

§  磁碟系統(Disk System)是由多片的Disks(磁碟)所組成,通常每片Disk的雙面都可以儲存資料,而每一面由很多條的Tracks(磁軌)組成,而每條磁軌又可以劃分成多個Sectors(磁區)。

Sector 0 為在第一個 track 裡面的第一個sector。

  

作業系統要有效的使用hardware(硬體),就要有快速的access time (存取時間)和較高的disk bandwidth(磁碟寬頻) 。

Access time(存取時間)主要有兩個部分:

§ 包含移動磁臂到所在磁柱所需的時間稱為搜尋時間(seek time)。
 
§ 以及磁頭轉到所在磁區所需的時間稱為旋轉延遲 (rotational latency)。

Disk bandwidth(磁碟寬頻)是傳輸的總bytes除以傳輸的時間 以第一個發送的到最後一個完成的期間來算。

 

二、磁碟排程的演算法

§ FCFS(First-come, first-served ) 一次只接收一個請求,並依照要求的次序作,即先到先做。雖然公平,卻無法最佳化排程。

§ SSTF(shortest seek time first) 離當前磁頭比較近請求的先作,雖然快,但容易造成Starvation(飢餓)

§ SCAN 是讓磁碟幣從磁碟的一端向另一端移動,在移動的期間依序服務每個磁柱的I/O要求 當達磁碟底端的時候在反轉向拎一端前進,來回的存取磁碟。

§ C-SCAN 若系統對磁柱讀取的要求在磁碟上呈平均分布,當讀寫磁頭動到一端再反向時,由於先前靠近讀寫磁頭這端的要求才剛被服務過,所以要求服務的密度相較於另一端必定低很多,且另一端會因磁頭在這端連續來回服務,而造成很長的等待時間,所以不如先將讀寫頭移至另一端,由原先磁碟臂在磁碟來回服務的方式,改為由磁頭起始位置往磁碟尾端服務,到底之後再立刻拉回磁碟開頭,重新向尾端進行單向服務,此法為C-SCAN排程

§ SCANC-SCAN排程演算法,磁碟臂會移動至磁碟的兩端,所以最長移動長度就是磁碟寬度,大多數的OS並不用此二方法,而改用LOOK與C-LOOK

§ LOOK 排程與 SCAN 排程相似,不同的地方在於 SCAN會讓磁碟臂來回於磁碟的兩端,而 LOOK 則是只移動到有讀寫要求的最外側及最內側磁柱。

§ C-LOOK LOOK 的差異與 C-SCANSCAN的差異均為是否將磁柱視為一個循環串列。

§ LOOK演算法會來回雙向地服務磁碟要求,而C-LOOK只會單向地服務後,立即再由磁碟開頭處開始服務。

 

三、網路連接存儲

網路附加存儲(NAS)存儲可以通過網絡而不是在本地連接(如總線)。

通過遠程過程調用(rpc)實現主機與存儲。

存儲區域網

 

四、RAID(Redundent獨立磁碟陣列)結構

  • 多個磁碟驅動器提供了可靠性通過贅餘
  • 增加了平均失效到達時間
  • 提高存儲系统的性能和可靠性存儲贅餘數據
  • 每個磁碟的鏡像或陰影不斷重複
  • 少數hot-spare磁碟未分配,自動替換一個失敗的磁碟和數據重建。

 

五、Stable-Storage實現

實現穩定的存儲:

複製信息在多個非易失性存儲介質與獨立的失效模式, 更新信息以一種受控制的方式,以確保任何失敗後我們可以恢復穩定的數據在數據傳輸或回復。

 

六、三級存儲設備

  • 多個磁碟驅動器提供了可靠性通過冗餘
  • 增加了平均失效到達時間
  • 提高存儲系統的性能和可靠性存儲冗餘數據
  • 每個磁碟的鏡像或陰影不斷重複
  • 少數hot-spare磁碟未分配,自動替換一個失敗的磁碟和數據重建
  • 低成本的定義特徵是三級存儲
  • 一般來說,使用可移動媒體構建的三級存儲
  • 常見的可移動媒體的例子是軟碟和光碟驅動器;其他類型是可用的

 

 

可移動磁碟

  • 軟碟柔韌性強,塗有磁性材料,封裝在一個塑料防護案例,大多數磁碟約有1MB
  • 可移動磁碟磁可以像硬碟那樣快,但他們是在一個更大的損害的風險敞口
  • 磁光磁碟記錄數據在一個剛性碟塗有磁性材料,磁光的頭飛更遠比磁碟頭從磁碟表面,和磁性材料覆蓋著塑料或玻璃保護層(抗崩潰
  • 光碟不使用磁性;他們使用特殊的材料,由激光改變

 File:Floppydisk 90mm(3.5inch).jpg

 

WORM 磁

  •  讀寫磁碟上的數據可以修改
  •  WORM(“write once,read many”)磁碟只能寫一次
  •  鋁薄膜夾在兩玻璃或塑料碟片之間
  •  寫一點,開車使用激光通過鋁燃燒一個小洞(信息可以不被改變
  •  非常耐用和可靠的
  •  只讀磁碟、光碟和DVD等來自工廠的數據預先錄製好的

 

磁帶

  •  是早期secondary-storage介質
  •  相對固定和保存大量的數據
  •  訪問時間慢
  •  隨機存取~比磁碟慢1000倍
  •  主要用於備份,系統間的許多不常用數據的存儲、傳輸介質
  •  一旦數據頭,轉移率與磁碟
  •  20 - 200 gb的典型的存儲
  •  相比一個磁碟,磁帶是便宜,擁有更多的數據,但隨機存取是慢得多
  •  大型帶安裝通常使用機器人帶兌換商之間移動磁帶磁帶驅動器和存儲槽磁帶庫

 

磁帶驅動器應用程序接口

  •  磁帶驅動器的基本操作不同的磁碟驅動器
  •  locate() 位磁帶到一個特定的邏輯塊,
  •  read_position() 返回邏輯塊號磁帶頭在哪裡
  •  space()可以使相對運動的空間
  •  磁帶驅動器是“擴展”設備(更新在磁帶中的區塊且有效清除一切超出的區塊
  •  一個測試結束標記放置在一次成功格擋後寫的

 

 

七、層次化存儲管理(HSM)

  •  層次存儲系統存儲層次超越主內存和二級存儲將三級存儲:通常實現為一個點唱機的磁帶或可移動磁碟
  •  小型的和經常使用的文件保留在磁碟上
  •  大型的,舊的,不活躍的文件歸檔到點唱機
  •  HSM在超級計算中心,有大量的數據。

 

八、速度

  • 兩個方面的速度在三級存儲帶寬和延遲

 持續的帶寬:平均數據速率在大轉移;

 有效帶寬:平均在整個I/O時間,包括seek()locate(),和磁帶的切換

 訪問延遲:定位數據所需的時間

  • 磁碟的存取時間,移動手臂到已選取的缸且等待旋轉延遲的時間(<35毫秒)
  • 存取錄音需要繞組磁帶碟,直到選定塊到達磁帶頭(幾十或幾百秒)
  • 一般隨機存取在磁帶盒是一千倍低於隨機存取磁碟上

 

九、可靠性

  •  固定磁碟驅動器可能是更可靠的可移動磁碟或磁帶驅動器
  •  一個光學盒可能是更可靠的比磁碟或磁帶
  •  頭部撞擊在固定硬碟一般而言會破壞數據,而磁帶驅動器或光碟驅動器的故障常常使得數據磁帶無恙

 

十、成本

  •  主存儲器是比磁碟儲槽昂貴得多
  •  每1MB硬碟儲槽的成本與磁帶是具有競爭力