BÀI GIẢNG NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỀU HÀNH Các hệ thống lưu trữ lớn

Mỗi cấp độ có những phương pháp khác nhau khi ghi dữ liệu lên đĩa... End of Chapter 11.

BÀI GI NG Ả

Ch ư ơ ng 11: Các h th ng l u tr l n ệ ố ư ữ ớ

B môn Khoa h c máy tính ộ ọ

Khoa Công ngh thông tin ệ

■ Qu n lý không gian hoán ả đổ i Swap-Space Management

■ C u trúc RAID ấ RAID Structure

■ Các thi t b l u tr c p ba ế ị ư ữ ấ Tertiary Storage Devices

11.1 T ng quan v C u trúc l u tr l n ổ ề ấ ư ữ ớ

11.1 T ng quan v C u trúc l u tr l n ổ ề ấ ư ữ ớ

■ Các đĩa t (magnetic disk) chi m ph n l n c a phừ ế ầ ớ ủ ương ti n l u tr ệ ư ữ

c p hai trong các máy tính hi n ấ ệ đại

● T c ố độ quay c a a ủ ổ đĩ đạt kho ng 60-200 vòng/giây.ả

● Transfer rate là t c ố độ dòng d li u truy n gi a a và máy tínhữ ệ ề ữ đĩ

● Positioning time (random-access time) là th i gian chuy n disk arm t i ờ ể ớ

cylinder mong mu n ( ố seek time) và th i gian ờ để sector c n thi t quay t i ầ ế ớ

d ướ i disk head (rotational latency)

● Head crash do disk head ti p xúc v i b m t aế ớ ề ặ đĩ

 Đ ềi u này r t t i tấ ồ ệ

■ Các a có th là kh chuy n (removable)đĩ ể ả ể

■ Ổ đĩ đượ a c g n (attached) v i máy tính thông qua ắ ớ I/O bus

● Nhi u lo i bus ề ạ EIDE, ATA, SATA, USB, Fibre Channel, SCSI

C ch a có ơ ế đĩ đầ u t chuy n ừ ể độ ng

C ch a có ơ ế đĩ đầ u t chuy n ừ ể độ ng

● Truy nh p ng u nhiên ch m h n kho ng 1000 l n so v i aậ ẫ ậ ơ ả ầ ớ đĩ

● Thường được dùng để sao l u d phòng, l u tr d li u ít s ư ự ư ữ ữ ệ ử

d ng, làm phụ ương ti n trung chuy n gi a các h th ngệ ể ữ ệ ố

● B ng ă được gi trong m t ng cu n và ữ ộ ố ộ được cu n xuôi ho c ố ặ

ngược qua m t read-write headộ

● Khi d li u dữ ệ ở ướ đầ ừ ố đội u t , t c truy n tề ương đương v i aớ đĩ

11.2 C u trúc a ấ đĩ

11.2 C u trúc a ấ đĩ

■ Ổ đĩ đượ đ a c ánh a ch là m ng 1 chi u l n c a các kh i đị ỉ ả ề ớ ủ ố

logic, kh i logic là ố đơ n v nh nh t trong chuy n d li u ị ỏ ấ ể ữ ệ

■ M ng trên ả đượ c ánh x tu n t vào các sector c a a ạ ầ ự ủ đĩ

● Sector 0 là sector đầ u tiên c a track ủ đầ u tiên trên cylinder ngoài cùng.

● Vi c ánh x ti p t c theo th t qua track ó, r i ệ ạ ế ụ ứ ự đ ồ đế n các track còn l i trong cylinder ó, r i ạ đ ồ đế n các cylinder còn l i t ạ ừ

ngoài vào trong.

11.3 G n k t a (Disk Attachment) ắ ế đĩ

■ Các a có th đĩ ể đượ c n i k t theo 1 trong 2 cách: ố ế

1 Host-attached storage: n i k t thông qua m t c ng vào-ra, s d ng m t s k ố ế ộ ổ ử ụ ộ ố ỹ

■ Ki n trúc Fiber Channel (FC): s d ng cáp quang ho c cáp ế ử ụ ặ đồng,

có th k t n i hàng tri u thi t b (2ể ế ố ệ ế ị 24) trên m ng C ng có th là ạ ũ ể

N i k t a ố ế đĩ

N i k t a ố ế đĩ (ti p) (ti p) ế ế

2 Network-attached storage (NAS):

■ n i k t các thi t b nh thông qua m t k t n i m ng s d ng ố ế ế ị ớ ộ ế ố ạ ử ụ

các giao th c NFS (UNIX), CIFS (Windows), iSCSI ứ

■ Đượ c th c thi thông qua các remote procedure call (RPCs) ự

gi a host và storage ữ

Storage Area Network

■ Ph bi n trong các môi tr ổ ế ườ ng l u tr l n (và ang tr nên ph bi n h n) ư ữ ớ đ ở ổ ế ơ

■ Nhi u host ề đượ c g n k t vào các chu i nhi u ph ắ ế ỗ ề ươ ng ti n l u tr - ph c t p ệ ư ữ ứ ạ

⇒ T i thi u hóa seek time b ng cách l p l ch a ố ể ằ ậ ị đĩ

Seek time ≈ seek distance

■ D i thông ả đĩ a (Disk bandwidth) tính b ng ằ t ng s byte ổ ố đượ c chuy n ể chia cho

t ng th i gian gi a yêu c u d ch v ổ ờ ữ ầ ị ụ đầ u tiên và l n chuy n cu i cùng ầ ể ố .

● Seek time t t h n v i m i yêu c u s c i thi n bandwidth ố ơ ớ ỗ ầ ẽ ả ệ

■ N u ế ổ đĩ a và controller (b i u khi n) s n sàng, yêu c u có th ộ đ ề ể ẵ ầ ể đượ c th c ự

hi n ngay Trái l i, nó ệ ạ đượ đư c a vào queue c a a ủ đĩ để ch ờ đượ c ph c v ụ ụ

■ Có m t s gi i thu t l p l ch s ph c v các yêu c u vào-ra a cho m t th t ộ ố ả ậ ậ ị ự ụ ụ ầ đĩ ộ ứ ự

a) FCFS – Fist Come, First Served

T ng quãng ổ đườ ng di chuy n c a ể ủ đầ u t là 640 cylinder ừ

b) SSTF – Shortest Seek Time First

■ Ch n yêu c u v i seek time nh nh t t v trí ọ ầ ớ ỏ ấ ừ ị đầ ừ ệ u t hi n th i ờ

■ T ng quãng ổ đườ ng di chuy n c a ể ủ đầ ừ u t là 236 cylinder.

c) SCAN

■ Disk arm b t ắ đầ ạ u t i m t ộ đầ u c a a, ti n d n t i ủ đĩ ế ầ ớ đầ u còn

l i, ph c v yêu c u khi nó ạ ụ ụ ầ đế n m i cylinder, t i ỗ ạ đầ u còn

l i h ạ ướ ng di chuy n c a ể ủ đầ u t s ừ ẽ đả o ng ượ c và vi c ệ

ph c v ti p t c ụ ụ ế ụ

● C n bi t thêm h ầ ế ướ ng di chuy n c a ể ủ đầ ừ u t

■ Còn g i là gi i thu t thang máy - ọ ả ậ elevator algorithm.

■ T ng quãng ổ đườ ng di chuy n c a ể ủ đầ ừ u t là 236 cylinder.

SCAN (ti p) (ti p) ế ế

■ T ng quãng ổ đườ ng di chuy n c a ể ủ đầ u t là 236 cylinder ừ

d) C-SCAN (Circular SCAN)

■ T ươ ng t nh SCAN, nh ng có th i gian ch ự ư ư ờ ờ đồ ng đề u

h n so v i SCAN ơ ớ

■ Đầ u t di chuy n t m t ừ ể ừ ộ đầ đĩ u a t i ớ đầ u còn l i, ph c v ạ ụ ụ

yêu c u khi nó ầ đế n Tuy nhiên, khi nó đế đầ n u kia thì l p ậ

t c quay v i m ứ ề đ ể đầ đĩ u a mà không ph c v yêu c u nào ụ ụ ầ

trên hành trình quay v ó ề đ

C-SCAN

■ T ng quãng ổ đườ ng di chuy n c a ể ủ đầ u t là 382 cylinder ừ

e) LOOK và C-LOOK

■ Là phiên b n t ả ươ ng ng c a SCAN và C-SCAN ứ ủ

■ Arm ch i ỉ đ đế n yêu c u cu i cùng trên m i h ầ ố ỗ ướ ng r i l p ồ ậ

t c ứ đả o h ướ ng mà không i t t c quãng đ ấ ả đườ ng lãng phí

n t n cùng a

■ G i là LOOK vì nó tìm ki m m t yêu c u tr ọ ế ộ ầ ướ c khi ti p ế

t c di chuy n trên h ụ ể ướ ng i đ

C-LOOK (ti p) (ti p) ế ế

■ T ng quãng ổ đườ ng di chuy n c a ể ủ đầ u t là 322 cylinder ừ

■ Gi i thu t l p l ch ả ậ ậ ị đĩ a có th ể đượ c vi t nh m t module ế ư ộ

riêng c a H H, cho phép thay th khi c n thi t ủ Đ ế ầ ế

■ Gi i thu t SSTF ho c LOOK là m t l a ch n h p lý làm ả ậ ặ ộ ự ọ ợ

11.5 Qu n lý a ả đĩ

11.5 Qu n lý a ả đĩ

a) Disk Formatting

■ Low-level formatting, hay physical formatting – chia m t ộ

a thành các sector (cung) controller (b i u khi n

a) có th c và ghi.

đĩ ể đọ

■ C u trúc d li u c a m i sector: ấ ữ ệ ủ ỗ

● 1 header và 1 trailer: ch a thông tin ứ đượ c s d ng b i disk ử ụ ở

controller, ví d s hi u sector, mã s a l i (ECC: error- ụ ố ệ ử ỗ

correcting code)

● Vùng ch a d li u: th ứ ữ ệ ườ ng 512 byte; ho c 256 hay 1024 ặ

Disk Formatting (ti p) (ti p) ế ế

th m c r ng ban ư ụ ỗ đầ u, b n ả đồ không gian b nh t do và ộ ớ ự

ã s d ng (b ng FAT – File Allocation Table).

đ ử ụ ả

b) Boot Block

■ Để MT b t ắ đầ u ch y (khi b t máy, khi kh i ạ ậ ở độ ng l i), c n có m t ch ạ ầ ộ ươ ng trình

kh i t o ở ạ để ch y: ch ạ ươ ng trình m i – bootstrap ồ

■ Bootstrap kh i ở độ ng t t c các b ph n c a máy tính, t các thanh ghi trong ấ ả ộ ậ ủ ừ

CPU đế n các m ch i u khi n thi t b và n i dung c a b nh chính, sau ó b t ạ đ ề ể ế ị ộ ủ ộ ớ đ ắ

Boot Block (ti p) (ti p) ế ế

■ Bootstrap đượ ư c l u trong ROM:

● ROM không c n kh i t o, ầ ở ạ

● Ở ạ t i v trí c nh processor có th b t ị ố đị ể ắ đầ u th c hi n khi ự ệ

c kh i ng

đượ ở độ

● ROM không b nh h ị ả ưở ng b i virus máy tính ở

■ H u h t H H ch ch a ch ầ ế Đ ỉ ứ ươ ng trình m i r t nh trong boot ROM, giúp cho vi c ồ ấ ỏ ệ

n p ch ạ ươ ng trình m i ồ đầ đủ ừ đĩ y t a.

⇒ Ch ươ ng trình m i ồ đầ đủ y có th ể đượ c thay đổ ễ i d dàng

■ Ch ươ ng trình m i ồ đầ đủ đượ y c ch a trong m t partition g i là boot blocks, t i ứ ộ ọ ạ

m t v trí c nh trên a ộ ị ố đị đĩ

Kh i ở độ ng t a trong Windows 2000 ừ đĩ

Kh i ở độ ng t a trong Windows 2000 ừ đĩ

c) Bad Blocks

■ Trên các đĩ đơ a n gi n, vd ả đĩ a IDE, các bad block đượ c x lý th công b ng ử ủ ằ

l nh ệ format c a MS-DOS: ủ

● Th c hi n format logic, quét a ự ệ đĩ để tìm các bad block.

● N u tìm th y bad block, m t giá tr ế ấ ộ ị đặ c bi t ệ đượ c ghi vào

ph n t t ầ ử ươ ng ng trong b ng FAT ứ ả để báo cho các th ườ ng trình phân ph i (allocation routine) không s d ng block ó ố ử ụ đ

n a ữ

● N u các block tr thành bad trong khi ho t ế ở ạ độ ng bình

th ườ ng, có th ch y m t ch ể ạ ộ ươ ng trình đặ c bi t nh ệ ư chkdsk

Bad Blocks (ti p) (ti p) ế ế

■ Trên các a ph c t p, vd a SCSI, vi c ph c h i bad block thông minh h n: đĩ ứ ạ đĩ ệ ụ ồ ơ

● Controller duy trì m t danh sách các bad block trên ộ đĩa DS này

c kh i t o khi format c p th p t i nhà máy và c c p nh t đượ ở ạ ấ ấ ạ đượ ậ ậtrong su t s t n t i c a a.ố ự ồ ạ ủ đĩ

● Format c p th p c ng thi t l p các sector d phòng (spare sector) ấ ấ ũ ế ậ ự

vô hình đố ới v i H H Controller có th thay th m i bad sector m t Đ ể ế ỗ ộcách logic b i m t trong s các sector d phòng.ở ộ ố ự

⇒ Sector sparing (k thu t d phòng sector) hay ỹ ậ ự forwarding

 H H c g ng Đ ố ắ đọc block 87 M ch i u khi n (controller) tính toán ECC ạ đ ề ể

và th y sector ó là bad Nó thông báo cho H H bi t ấ đ Đ ế

 Ở ầ l n kh i ở động ti p theo, m t l nh ế ộ ệ đặc bi t ệ được ch y ạ để ra l nh cho ệ

M ch i u khi n SCSI thay th bad sector, ví d b i sector 202 ạ đ ề ể ế ụ ở

11.6 Qu n lý không gian hoán ả đổ i (Swap-Space)

■ Swap-space: B nh o s d ng không gian a nh là s m r ng c a b nh ộ ớ ả ử ụ đĩ ư ự ở ộ ủ ộ ớ

chính ⇒ t ng dung l ă ượ ng, t ng t c ă ố độ

■ Swap-space có th ể đượ ạ c t o ra:

● T h th ng file bình th ừ ệ ố ườ ng: swap-space là m t file l n do ộ ớ

th ườ ng trình h th ng file t o, ệ ố ạ đặ t tên và phân ph i b nh ố ộ ớ

 Phương pháp này d th c hi n nh ng không hi u qu : nh v ễ ự ệ ư ệ ả đị ị

c u trúc th m c và c u trúc d li u trên a t n nhi u th i gian ấ ư ụ ấ ữ ệ đĩ ố ề ờ

■ RAID đượ c phân c p thành 7 m c: ấ ứ

● RAID m c 0: ứ dữ liệu được phân ra nhiều ổ đĩa nhưng không có ổ dự phòng.

● RAID mức 1: dữ liệu được phân vào 1 dãy những ổ đĩa và dữ liệu trong mỗi

ổ lại được chuyển vào một ổ đĩa lưu trữ để dự phòng.

● RAID mức 2, 3, 4: dữ liệu được chia cho nhiều đĩa và thông tin parity được phát sinh và ghi vào 1 đĩa riêng biệt Mỗi cấp độ có những phương pháp khác nhau khi ghi dữ liệu lên đĩa.

● RAID mức 5: dữ liệu và các đoạn mã parity được ghi lên tất cả các ổ đĩa

Các m c RAID ứ

a) Removable Disks

■ Floppy disk – a m m d o m ng đĩ ề ẻ ỏ đượ c ph l p t và ủ ớ ừ đượ c

b o v bên ngoài b i m t v b ng ch t d o ả ệ ở ộ ỏ ằ ấ ẻ

● Có dung l ượ ng kho ng 1.4 MB; ả

■ Removable magnetic disk đượ ạ c t o b ng k thu t t ằ ỹ ậ ươ ng t ự

● Có dung l ượ ng h n 1 GB ơ

● Có t c ố độ nhanh g n nh hard disks, nh ng r t d b h ng ầ ư ư ấ ễ ị ỏ

Removable Disks (ti p) (ti p) ế ế

■ Đĩ a t -quang (magneto-optic disk) ghi d li u trên m t ừ ữ ệ ộ

m t a c ng ặ đĩ ứ đượ c ph l p t ủ ớ ừ

● Ổ a có 1 cu n dây sinh t tr đĩ ộ ừ ườ ng T i nhi t ạ ệ độ th ườ ng, t ừ

tr ườ ng quá r ng và y u nên không th t hóa các bit trên ộ ế ể ừ

a S d ng ph ng pháp t Laser: u a chi u 1 tia

Removable Disks (ti p) (ti p) ế ế

■ Các a quang (optical disk) không s d ng hi n t đĩ ử ụ ệ ượ ng t tính; chúng s d ng ừ ử ụ

● Ổ đĩ đổa i pha s d ng ánh sáng laser 3 cử ụ ở ường độ: cường độ

y u ế để đọc d li u, cữ ệ ường độ trung bình để xóa đĩa (làm tan r i ồông c ng l i), c ng m nh làm tan ch t li u thành tr ng thái

đ ứ ạ ườ độ ạ ấ ệ ạ

đị để ữ ệ

Removable Disks (ti p) (ti p) ế ế

■ Các lo i trên là read-write disk: d li u có th s a ạ ữ ệ ể ử đổ i nhi u l n ề ầ

● Để ghi 1 bit, a s d ng ánh sáng laser ổ đĩ ử ụ để đốt m t h nh qua ộ ố ỏ

l p nhôm; thông tin có th b phá h y vì không th thay ớ ể ị ủ ể đổi

● R t b n và áng tin c y.ấ ề đ ậ

● Vd: CD-R, DVD-R (Digital Video/Versatile Disk – Recordable)

■ Read Only disks, ví d CD-ROM và DVD, s d ng k thu t tụ ử ụ ỹ ậ ươ ng t (h ự ố đượ c

● s d ng trong nh ng trung tâm siêu máy tính l n ử ụ ữ ớ để ư l u tr ữ

l ượ ng thông tin kh ng l ph c v nghiên c u khoa h c ổ ồ ụ ụ ứ ọ

c) Công ngh t ệ ươ ng lai?

■ Công ngh l u tr nh giao thoa laser (Holographic storage): ệ ư ữ ả

● S d ng ánh sáng laser ử ụ để ghi các b c nh giao thoa laser ứ ả(holographic photograph) trên các thi t b ế ị đặc bi t.ệ

● Các b c nh en tr ng là m t m ng 2 chi u các pixel, m i pixel ứ ả đ ắ ộ ả ề ỗ

● ⇒ Là công ngh l u tr ệ ư ữ đầy h a h n c a tứ ẹ ủ ương lai

■ H c khí vi i n t (Micro electronic mechanical system - MEMS): ệ ơ đ ệ ử ch t o ế ạcác chip i n t đ ệ ử để ả s n xu t các thi t b l u tr nhấ ế ị ư ữ ỏ, n u thành công s ế ẽ

● Các thao tác c b n v i a: read, write, seek.ơ ả ớ ổ đĩ

T c ố độ

T c ố độ (ti p) (ti p) ế ế

■ Tr truy nh p – kho ng th i gian c n thi t ễ ậ ả ờ ầ ế để đị nh v d li u ị ữ ệ

● Th i gian truy nh p c a a – d ch arm t i cylinder ờ ậ ủ ổ đĩ ị ớ đượ c

ch n và ọ đợ i tr quay (rotational latency); < 35 ms ễ

● Truy nh p trên b ng òi h i ph i cu n ng b ng cho ậ ă đ ỏ ả ộ ố ă đế n khi kh i ố đượ c ch n ch m ọ ạ đế đầ n u b ng; t n hàng ch c ă ố ụ

ho c hàng tr m giây ặ ă

● Nói chung truy nh p ng u nhiên trên b ng ch m h n trên ậ ẫ ă ậ ơ

a hàng nghìn l n.

c) Giá thành (USD/1 MB)

■ B nh chính (Main memory) ộ ớ đắ t h n nhi u so v i b ơ ề ớ ộ

nh c p hai và c p ba ớ ấ ấ

■ Giá m i MB DRAM, 1981-2004 ỗ

Giá m i MB a t c ng, 1981-2004 ỗ đĩ ừ ứ

Giá m i MB a t c ng, 1981-2004 ỗ đĩ ừ ứ

Giá m i MB b ng, 1984-2004 ỗ ổ ă

Giá m i MB b ng, 1984-2004 ỗ ổ ă

End of Chapter 11