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Sistemas Operacionais I
Gerência de Armazenamento: Sistemas de
Armazenamento em Massa
Prof. Alexandre Duarte : http://alexandrend.com
Centro de Informática | Universidade Federal da Paraíba
Estes slides são baseados no material que acompanha o livro Operating
Systems Concepts de Silberschatz, Galvin and Gagne
Objetivos
 Descrever a estrutura física de dispositivos de
armazenamento secundário e terciário e os
efeitos resultantes do uso desses dispositivos
 Explicar as características de desempenho de
diferentes dispositivos de armazenamento em
massa
 Discutir os serviços providos pelo sistema
operacional para gerenciamento de
dispositivos de armazenamento em massa,
incluindo RAID e HSM
Visão geral: Discos Magnéticos
 Discos magnéticos representam a maior parte do armazenamento
secundário em computadores modernos
 Giram de 60 a 200 vezes por segundo
 Taxa de transferência é a taxa na qual os dados fluem entre o disco
e o computador
 Tempo de posicionamento (tempo de acesso aleatório) é o
tempo para mover a cabeça de leitura para o cilindro desejado (tempo
de busca) somado ao tempo necessário para que o setor desejado
passe pela cabeça de leitura (latência rotacional)
 Head crash (colisão do cabeçote) acontece quando a cabeça de
leitura entra em contato com a superfície do disco
 That’s bad! Geralmente resulta em perda irreparável do disco.
 Podem ser fixos ou removíveis
 São conectados ao computador através de barramentos de E/S
 Barramentos variam: EIDE, ATA, SATA, USB, FC (Canal de Fibra), SCSI
 O controlador hospedeiro no computador utiliza um barramento
para se comunicar com o controlador do disco incluindo no próprio
drive de disco
Mecanismo de disco com cabeça de
leitura móvel
Visão geral: Fita Magnética
 Utilizada nos primórdios da computação como principal meio de
armazenamento secundário
 Relativamente persistente e pode armazenar grandes quantidade
de dados
 Tempo de acesso muito alto
 Acesso aleatório é aproximadamente 1000 mais lento do que em disco
 Utilizado principalmente para backup, para armazenar dados
usados com pouca frequência e para transferir grandes
quantidades de dados entre sistemas
 Mantida em uma bobina que é enrolada ou desenrolada sob uma
cabeça de leitura
 Estando os dados na posição de leitura as taxas de transferência
são comparáveis às de um disco magnético
 Capacidade de armazenamento varia de 20GB a 2.5TB
 Tecnologias mais comuns são 4mm, 8mm, 19mm, LTO e SDLT
Estrutura de disco
 Drives de disco são endereçados como arrays
unidimensionais de blocos lógicos, onde um bloco
é a menor unidade de transferência.
 O array unidimensional de blocos lógicos é
mapeado de forma sequência em setores do
disco
 O setor 0 é o primeiro setor da primeira trilha do
cilindro mais externo
 O mapeamento procede em ordem através da trilha,
depois através das outras trilhas do mesmo cilindro e
depois através dos demais cilindros, do mais externo
para o mais interno.
Conexão de disco: Local
 Discos conectados localmente ao computador são
acessados através de portas de E/S se comunicando com
barramentos de E/S
 Computadores desktop utilizam barramentos mais simples
como o SATA. Servidores de alto desempenho utilizam
barramentos mais eficientes como SCSI ou FC
 SCSI é uma arquitetura de barramento que permite conectar até
16 dispositivos em um único cabo
 Possui um dispositivo Iniciador no lado do computador e até 15
Alvos para armazenamento
 Cada alvo pode representar até 8 unidades lógicas (discos
conectados a controladores)
 FC é uma arquitetura serial de alta velocidade
 Estrutura de chaveamento com espaço de endereçamento de 24 bits:
base para as storage area networks (SANs) nas quais vários
hospedeiros se conectam a varias unidades de armazenamento
 Loop arbitrado: pode endereçar até 126 dispositivos
Conexão de disco: Rede
 Armazenamento conectado a rede (NAS) é
uma forma de acessar um dispositivo de
armazenamento através de uma conexão de
rede ao invés de um barramento de E/S
 NFS e CIFS são protocolos comuns
 Implementado utilizando chamadas remotas de
procedimento (RPCs) entre o cliente e o
armazenamento
Conexão de disco: Rede
Storage Area Network
 Comum em grandes ambientes de
armazenamento (mais comuns a cada dia)
 Múltiplos hospedeiros conectados a múltiplos
dispositivos de armazenamento
 Extremamente flexível
Storage Area Network
Escalonamento de Disco
 O sistema operacional é responsável pela utilização
eficiente do hardware — para os discos, isso significa
ter baixos tempos de acesso e boas largura de banda
 O tempo de acesso tem dois componentes
 Tempo de busca: tempo necessário para mover a cabeça de
leitura para o cilindro contendo o setor desejado
 Latência rotacional: tempo necessário para que setor
desejado passe abaixo da cabeça de leitura.
 Objetivo: Minimizar o tempo de busca!
 Tempo de busca ≈ distância de busca
 Largura de banda é a quantidade total de bytes
transferidos dividida pelo tempo total entre a primeira
requisição e a conclusão da última transferência
Escalonamento de disco
 Existem vários algoritmos de escalonamento
para atender requisições de E/S de disco
 Ilustraremos o funcionamento destes
algoritmos utilizando a seguinte fila de
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(0-199).
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FCFS
Movimento de 640 cilindros para a cabeç a de leitura
SSTF
 Seleciona a requisição com o menor tempo de
busca a partir da posição atual da cabeça de
leitura
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para escalonamento de processos: pode
causar starvation
SSTF
Movimento de 236 cilindros para a cabeç a de leitura
SCAN
 A cabeça de leitura inicia em uma
extremidade do disco e se move até a outra
extremidade atendendo todas as requisições
no caminho.
 Ao chegar ao final o movimento é invertido e o
atendimento continua
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elevador
SCAN (Algoritmo do elevador)
Movimento de 208 cilindros para a cabeç a de leitura
C-SCAN
 Apresenta um tempo de espera mais uniforme
que o do SCAN
 A cabeça de leitura vai de uma extremidade
para a outra do disco atendendo as
requisições, porém, ao chegar ao final, volta
imediatamente para o começo sem atender
nenhuma requisição
 Trata os cilindros como uma lista de circular
C-SCAN
LOOK e C-LOOK
 Versões do SCAN e C-SCAN
 A cabeça de leitura se move apenas até a
última requisição em cada direção, depois
inverte o sentido
C-LOOK
Selecionando um algoritmo de
escalonamento de disco
 SSTF é comum e tem um apelo natural
 SCAN e C-SCAN tem melhor desempenho para
sistemas que apresentam grande carga de operações
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 O desempenho depende do número de requisições.
 As requisição ao disco podem ser influenciadas pelo
método de alocação de arquivos.
 O algoritmo de escalonamento de disco deve ser
escrito como um modelo separado do sistema
operacional, permitindo que seja substituindo por um
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razoáveis para um algoritmo padrão
Gerenciamento de disco
 Formatação de baixo nível, ou formatação física — Dividir
o disco em setores que possam ser lidos e escritos
pelo controlador.
 Para ser utilizado para gravar arquivos o sistema
operacional ainda precisar gravar suas próprias
estruturas de dados no disco.
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 Bloco de boot inicializa o sistema
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Gerenciamento de espaço de
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 Espaço de swap: a memória virtual utiliza
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Estruturas de dados para gerenciamento de
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Estruturas de RAID
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confiabilidade via redundância.
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diferentes
RAID
 Muitas melhorias nas técnicas de utilização de
discos envolvem a utilização cooperativa de
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 Espelhamento ou sombreamento mantém cópias de cada
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redundância.
Níveis de RAID
Gerenciamento hierárquico de
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hierarquia de armazenamento para além do armazenamento
primário e secundário para incorporar também o
armazenamento terciário, geralmente utilizando uma jukebox
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 Geralmente o armazenamento terciário é incorporado para
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  • 1. Sistemas Operacionais I Gerência de Armazenamento: Sistemas de Armazenamento em Massa Prof. Alexandre Duarte : http://alexandrend.com Centro de Informática | Universidade Federal da Paraíba Estes slides são baseados no material que acompanha o livro Operating Systems Concepts de Silberschatz, Galvin and Gagne
  • 2. Objetivos  Descrever a estrutura física de dispositivos de armazenamento secundário e terciário e os efeitos resultantes do uso desses dispositivos  Explicar as características de desempenho de diferentes dispositivos de armazenamento em massa  Discutir os serviços providos pelo sistema operacional para gerenciamento de dispositivos de armazenamento em massa, incluindo RAID e HSM
  • 3. Visão geral: Discos Magnéticos  Discos magnéticos representam a maior parte do armazenamento secundário em computadores modernos  Giram de 60 a 200 vezes por segundo  Taxa de transferência é a taxa na qual os dados fluem entre o disco e o computador  Tempo de posicionamento (tempo de acesso aleatório) é o tempo para mover a cabeça de leitura para o cilindro desejado (tempo de busca) somado ao tempo necessário para que o setor desejado passe pela cabeça de leitura (latência rotacional)  Head crash (colisão do cabeçote) acontece quando a cabeça de leitura entra em contato com a superfície do disco  That’s bad! Geralmente resulta em perda irreparável do disco.  Podem ser fixos ou removíveis  São conectados ao computador através de barramentos de E/S  Barramentos variam: EIDE, ATA, SATA, USB, FC (Canal de Fibra), SCSI  O controlador hospedeiro no computador utiliza um barramento para se comunicar com o controlador do disco incluindo no próprio drive de disco
  • 4. Mecanismo de disco com cabeça de leitura móvel
  • 5. Visão geral: Fita Magnética  Utilizada nos primórdios da computação como principal meio de armazenamento secundário  Relativamente persistente e pode armazenar grandes quantidade de dados  Tempo de acesso muito alto  Acesso aleatório é aproximadamente 1000 mais lento do que em disco  Utilizado principalmente para backup, para armazenar dados usados com pouca frequência e para transferir grandes quantidades de dados entre sistemas  Mantida em uma bobina que é enrolada ou desenrolada sob uma cabeça de leitura  Estando os dados na posição de leitura as taxas de transferência são comparáveis às de um disco magnético  Capacidade de armazenamento varia de 20GB a 2.5TB  Tecnologias mais comuns são 4mm, 8mm, 19mm, LTO e SDLT
  • 6. Estrutura de disco  Drives de disco são endereçados como arrays unidimensionais de blocos lógicos, onde um bloco é a menor unidade de transferência.  O array unidimensional de blocos lógicos é mapeado de forma sequência em setores do disco  O setor 0 é o primeiro setor da primeira trilha do cilindro mais externo  O mapeamento procede em ordem através da trilha, depois através das outras trilhas do mesmo cilindro e depois através dos demais cilindros, do mais externo para o mais interno.
  • 7. Conexão de disco: Local  Discos conectados localmente ao computador são acessados através de portas de E/S se comunicando com barramentos de E/S  Computadores desktop utilizam barramentos mais simples como o SATA. Servidores de alto desempenho utilizam barramentos mais eficientes como SCSI ou FC  SCSI é uma arquitetura de barramento que permite conectar até 16 dispositivos em um único cabo  Possui um dispositivo Iniciador no lado do computador e até 15 Alvos para armazenamento  Cada alvo pode representar até 8 unidades lógicas (discos conectados a controladores)  FC é uma arquitetura serial de alta velocidade  Estrutura de chaveamento com espaço de endereçamento de 24 bits: base para as storage area networks (SANs) nas quais vários hospedeiros se conectam a varias unidades de armazenamento  Loop arbitrado: pode endereçar até 126 dispositivos
  • 8. Conexão de disco: Rede  Armazenamento conectado a rede (NAS) é uma forma de acessar um dispositivo de armazenamento através de uma conexão de rede ao invés de um barramento de E/S  NFS e CIFS são protocolos comuns  Implementado utilizando chamadas remotas de procedimento (RPCs) entre o cliente e o armazenamento
  • 10. Storage Area Network  Comum em grandes ambientes de armazenamento (mais comuns a cada dia)  Múltiplos hospedeiros conectados a múltiplos dispositivos de armazenamento  Extremamente flexível
  • 12. Escalonamento de Disco  O sistema operacional é responsável pela utilização eficiente do hardware — para os discos, isso significa ter baixos tempos de acesso e boas largura de banda  O tempo de acesso tem dois componentes  Tempo de busca: tempo necessário para mover a cabeça de leitura para o cilindro contendo o setor desejado  Latência rotacional: tempo necessário para que setor desejado passe abaixo da cabeça de leitura.  Objetivo: Minimizar o tempo de busca!  Tempo de busca ≈ distância de busca  Largura de banda é a quantidade total de bytes transferidos dividida pelo tempo total entre a primeira requisição e a conclusão da última transferência
  • 13. Escalonamento de disco  Existem vários algoritmos de escalonamento para atender requisições de E/S de disco  Ilustraremos o funcionamento destes algoritmos utilizando a seguinte fila de requisições de E/S para blocos dos cilindros (0-199). 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Cabeça de leitura inicialmente no cilindro 53
  • 14. FCFS Movimento de 640 cilindros para a cabeç a de leitura
  • 15. SSTF  Seleciona a requisição com o menor tempo de busca a partir da posição atual da cabeça de leitura  O escalonamento SSTF é semelhante ao SJF para escalonamento de processos: pode causar starvation
  • 16. SSTF Movimento de 236 cilindros para a cabeç a de leitura
  • 17. SCAN  A cabeça de leitura inicia em uma extremidade do disco e se move até a outra extremidade atendendo todas as requisições no caminho.  Ao chegar ao final o movimento é invertido e o atendimento continua  Também conhecido como algoritmo do elevador
  • 18. SCAN (Algoritmo do elevador) Movimento de 208 cilindros para a cabeç a de leitura
  • 19. C-SCAN  Apresenta um tempo de espera mais uniforme que o do SCAN  A cabeça de leitura vai de uma extremidade para a outra do disco atendendo as requisições, porém, ao chegar ao final, volta imediatamente para o começo sem atender nenhuma requisição  Trata os cilindros como uma lista de circular
  • 21. LOOK e C-LOOK  Versões do SCAN e C-SCAN  A cabeça de leitura se move apenas até a última requisição em cada direção, depois inverte o sentido
  • 23. Selecionando um algoritmo de escalonamento de disco  SSTF é comum e tem um apelo natural  SCAN e C-SCAN tem melhor desempenho para sistemas que apresentam grande carga de operações de disco.  O desempenho depende do número de requisições.  As requisição ao disco podem ser influenciadas pelo método de alocação de arquivos.  O algoritmo de escalonamento de disco deve ser escrito como um modelo separado do sistema operacional, permitindo que seja substituindo por um algoritmo diferente caso seja necessário.  Tanto o SSTF quanto o LOOK são escolhas razoáveis para um algoritmo padrão
  • 24. Gerenciamento de disco  Formatação de baixo nível, ou formatação física — Dividir o disco em setores que possam ser lidos e escritos pelo controlador.  Para ser utilizado para gravar arquivos o sistema operacional ainda precisar gravar suas próprias estruturas de dados no disco.  Particionar o disco em um ou mais grupos de cilindros.  Formatação lógica: criação do sistema de arquivos.  Bloco de boot inicializa o sistema  O software de boot é armazenado em ROM  Programa para carga do software de boot.  Métodos como setores de reserva são utilizados para lidar com bad blocks
  • 25. Gerenciamento de espaço de swap  Espaço de swap: a memória virtual utiliza espaço em disco como uma extensão da memória principal  Espaço de swap pode ser reservado no sistema de arquivos normal ou, mais comumente, ser alocado em uma partição de disco diferente
  • 26. Estruturas de dados para gerenciamento de swap em sistemas Linux
  • 27. Estruturas de RAID  RAID – múltiplos drives de disco para prover confiabilidade via redundância.  RAID pode ser configurado em seis níveis diferentes
  • 28. RAID  Muitas melhorias nas técnicas de utilização de discos envolvem a utilização cooperativa de múltiplos discos  Esquemas de RAID melhoram o desempenho e a confiabilidade do sistema de armazenamento armazenando dados de forma redundante  Espelhamento ou sombreamento mantém cópias de cada disco  Paridade com blocos entrelaçados utiliza muito menos redundância.
  • 30. Gerenciamento hierárquico de armazenamento (HSM)  Um sistema de armazenamento hierárquico estende a hierarquia de armazenamento para além do armazenamento primário e secundário para incorporar também o armazenamento terciário, geralmente utilizando uma jukebox de fitas ou discos removíveis  Geralmente o armazenamento terciário é incorporado para estender o sistema de arquivos  Arquivos pequenos e frequentemente utilizados permanecem no disco.  Arquivos maiores, mais antigos ou inativos são arquivados na jukebox.  HSM é geralmente encontrado em centros de supercomputação e outras grandes instalações que armazenam enormes volumes de dados
  • 31. Estudo de caso: armazenando os dados do LHC
  • 32. Estudo de caso: armazenando os dados do LHC
  • 33. Estudo de caso: armazenando os dados do LHC
  • 34. Estudo de caso: armazenando os dados do LHC