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Sistemas de arquivos � Discos

Eduardo Ferreira dos Santos

Ciência da Computação

Centro Universitário de Brasília � UniCEUB

Maio, 2017

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Sumário

1 Introdução

2 Mecanismos de armazenamento

3 Estrutura dos discos

4 Organização dos discos

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Introdução

1 Introdução




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Introdução

De�nições

Arquivos Unidades lógicas de informação criadas por processos. (...)Também são uma espécie de espaço de endereçamento.[Tanenbaum and Machado Filho, 1995]

Memória secundária Espaço de endereçamento em arquivos.

Sistemas de arquivos Unidade do sistema operacional que trata de:

Estruturar;Nomear;Acessar;Proteger;Implementar os arquivos.

Persistência O armazenamento dos arquivos não pode ser afetado pelotérmino do processo.

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Introdução

Mecanismo do disco

Figura 1.1: Movimento da cabeça do disco [Galvin et al., 2013]5 / 34

Introdução

Gerência de arquivos

O sistema operacional é responsável por fazer a gerência de arquivos;

Para conseguir realizar suas tarefas é necessário interagir com omecanismo do hardware;

Abstração: ao solicitar um arquivo, você não está preocupado onde eleestá armazenado dentro do disco;

Organização dos arquivos no sistema operacional:facilidade/di�culdade de acesso.

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Introdução

Gerenciador de arquivos

Quando salvamos o arquivo no disco, estamos executando as seguintestarefas:

1 O programa pede ao sistema operacional para escrever o conteúdo deuma arquivo;

2 O sistema operacional repassa a tarefa para o gerenciador de arquivos(�le manager), que é um subconjunto do SO;

3 O gerenciador de arquivos busca em uma tabela informações sobre oarquivo;

4 O gerenciador de arquivos busca em uma tabela a localização física dosetor que deve conter o byte (cilindro, trilha, setor);

5 O gerenciador de arquivos instrui o processador de I/O (que libera aCPU de cuidar do processo de transferência) sobre a posição do bytena RAM, e onde ele deve ser colocado no disco;

6 O processador de I/O formata o dado apropriadamente, e decide omelhor momento de escrevê-lo no disco.

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Mecanismos de armazenamento

1 Introdução




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Discos magnéticos [Galvin et al., 2013]

Principal mecanismo de armazenamento:

Os discos podem girar entre 60 e 250 vezes por segundo.

Taxa de transferência Taxa de �uxo de dados entre o disco e ocomputador;

Tempo de posicionamento (random acess time) Tempo para mover odisco entre o cilindro desejado (tempo de seek) e otempo para rotacionar a cabeça até encontrar o setordesejado (latência);

�Crash� da cabeça Acontece quando a cabeça do disco faz contatocom a superfície.

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Outros barramentos

Discos conectados via barramento: EIDE, ATA, SATA, USB, FibreChannel, SCSI, SAS, Firewire;Comunicação entre o barramento e a controladora do disco;O tipo de barramento afeta bastante a taxa de transferência.

Figura 2.1: Barramento SAS x SATA 1

1http://www.serialstoragewire.org/Articles/2007_07/itinsights24.html10 / 34

http://www.serialstoragewire.org/Articles/2007_07/itinsights24.html


Disco rígido � HD

Cilindros de metal com vários pratos;Unidades de medida importantes:

Espaço de armazenamento;Taxa de rotação.

Performance [Galvin et al., 2013]:

Taxa de transferência 6 GB/s (teórica);Taxa efetiva 1GB/s (real);Tempo médio de seek Cálculo baseado em 1

3das trilhas;

Latência média 12da latência.

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Tempo de acesso � HD

Latência de acesso = Tempo médio de acesso = tempo médio de seek+ latência média [Galvin et al., 2013]

Discos rápidos: 3ms + 2ms = 5msDiscos lentos: 9ms + 5.56ms = 14.56ms

Tempo médio para I/O: Tempo médio de acesso (total de dados atransferir / taxa de transferência) + overhead da controladora

RPM Tempo de seek (ms) Latência média (ms)

4.200 9,0 7,15.400 8,0 5,67.200 6,0 4,210.000 4,5 3,015.000 3,0 2,0

Tabela 2.1: Latência dos discos rígidos [Guide, 2016]

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Latência

A utilização de outros barramentos pode melhorar bastante a latência;

Análise importante: custo x benefício;

Discos maiores possuem um tempo maior de latência, pois o caminhoque o cabeço tem que percorrer é maior.

Barramento Tempo de seek (ms) Latência média (ms)

2,5� SAS 73GB 3,3 23,5� SAS 146GB 3,9 23,5� FC 146GB 3,9 2

Tabela 2.2: Latência em outros baramentos 2

2http://savepoint.blog.br/postgresql-discos-cia/13 / 34

http://savepoint.blog.br/postgresql-discos-cia/


Discos do estado sólido � SSD

Memória não volátil utilizada como disco rígido;

Diversos mecanismos de armazenamento, mas em geral diminui detamanho com o tempo;

O disco é tão rápido que o barramento pode ser um gargalo. Assim,podem ser conectados diretamente à interface PCI;

Não possui latência rotacional ou tempo de seek;

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SSD � Tempo

Figura 2.2: Tempo de escrita SSD [Xssist, 2016]

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Fitas magnéticas

Primeiro formato de armazenamento;Armazena grandes quantidades de informação;Tempo de acesso 1000 vezes mais lento que o disco[Galvin et al., 2013];Tipicamente utilizadas para backup.

Figura 2.3: Fitas para armazenamento 3

3Fonte: http://www.jazz4you.net/wp-content/uploads/2015/10/LTO-6.jpg

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http://www.jazz4you.net/wp-content/uploads/2015/10/LTO-6.jpg

Estrutura dos discos

1 Introdução




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Organização da estrutura

Os discos normalmente são endereçados como arrays unidimensionaisque utilizam blocos lógicos;

Os blocos são mapeados no disco sequencialmente;

Organização em setores e trilhas;

Tracks e bad sectors;

É possível ainda adicionar discos;

Comunicação por diferentes barramentos: SCISI, FC, etc.

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Conjuntos de discos

É possível conectar os discos uns nos outros criando array de discos;Mecanismos para criação de array de discos [Galvin et al., 2013]:

Portas de comunicação exclusiva;Memória, algum software de controle;RAID, hot spare, hot swap;Armazenamento compartilhado;Implementações especí�cas para o compartilhamento de recursos(replicação, cluster, etc.)

Utilização de um ou mais mecanismos, além de combinações entreeles.

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Storage Area Network � SAN

De�nição: um ou mais array de discos conectado(s);Facilidade de adicionar e remover dispositivos de armazenamento.

Figura 3.1: Exemplo de SAN [Galvin et al., 2013]

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Network Attached Storage � NAS

De�nição: um mecanismo de armazenamento conectado pela rede aoinvés de um barramento local;

Alguns protocolos: NFS, CIFS e iSCSI.

Figura 3.2: Exemplo de NAS [Galvin et al., 2013]

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Organização dos discos

1 Introdução




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Formatação

De�nição: dividir o disco em pedaços pequenos para leitura e escritapor parte da controladora do disco;

Antes de armazenar os dados no disco, o sistema operacional precisagravar seus próprios registros;

Bloco Menor unidade de armazenamento;Particionar Dividir o disco em grupos de blocos, organizados dentro

dos cilindros;Sistema de arquivos Algoritmo de organização dos blocos;Formatação lógica Construir o sistema de arquivos.

Tratamento especial das partições do sistema operacional;

O tamanho do bloco faz diferença.

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Utilização de espaço

Figura 4.1: Utilização de espaço e taxa de transferência [Hirata, 2002]

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Boot Windows

Figura 4.2: Mecanismo de boot do Windows [Galvin et al., 2013]

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Acessando os dados

Também é parte importante pensar onde será carregado o sistemaoperacional;

Partições especiais;

O arquivo é identi�cado por uma série de atributos;

Endereço lógico mapeado para endereço físico;

Diferentes algoritmos de armazenamento/recuperação de endereçoslógicos: sistemas de arquivos;

Conceito de descritor de arquivo.

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Acesso ao arquivo

Figura 4.3: Acesso ao arquivo utilizando inodes [Hirata, 2002]27 / 34


RAID

Redundant Array of Inexpensive Disks � RAID;

Aumenta o tempo médio de falha;

Diminui bastante o tempo médio de recuperação;

O tempo médio de perda tem como base os dois fatores acima;

objetivo principal: aumentar a capacidade de armazenamento e asegurança;

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RAID � Implementações

RAID 1 Mirroring ou shadowing: duplica o conteúdo nos vários discos;

RAID 1 + 0 Stripped mirrors ou mirrored stripes (0+1) maiorperformance e con�abilidade;

RAID 4, 5 e 6 Paridade de bloco. Utiliza muito menos redundância.

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RAID � Níveis

Figura 4.4: Níveis de RAID [Galvin et al., 2013]

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RAID � Striping

Figura 4.5: Striping no RAID [Galvin et al., 2013]31 / 34


OBRIGADO!!!

PERGUNTAS???

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Galvin, P. B., Gagne, G., and Silberschatz, A. (2013).Operating system concepts.John Wiley & Sons, Inc.

Guide, P. (2016).Latency.Disponível em: http://www.pcguide.com/ref/hdd/perf/perf/spec/posLatency-c.html Acessado em 17/05/2016.

Hirata, R. (2002).Otimizando servidores web de alta demanda.Master's thesis, UNICAMP.

Tanenbaum, A. S. and Machado Filho, N. (1995).Sistemas operacionais modernos, volume 3.Prentice-Hall.

Xssist (2016).[ssd] intel x25-e 64gb g1, 4kb random iops, iometer benchmark.

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http://www.pcguide.com/ref/hdd/perf/perf/spec/posLatency-c.html

http://www.pcguide.com/ref/hdd/perf/perf/spec/posLatency-c.html


Disponível em: http://www.xssist.com/blog/Intel%20X25-E%2064GB%20G1,%204KB%2070%2030%20RW%20Random%20IOPS,

%20iometer%20benchmark.htm Acessado em 17/05/2016.

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http://www.xssist.com/blog/Intel%20X25-E%2064GB%20G1,%204KB%2070%2030%20RW%20Random%20IOPS,%20iometer%20benchmark.htm



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