Mass-Storage Systems

概述

磁盘

• 盘片platter：每个盘片为平的圆状。表面逻辑地分成圆形磁道track，再细分为扇区sector。同一磁臂位置地磁道集合下形成了柱面cylinder。每个磁盘驱动器有数千个同心柱面，每个磁道可能包括数百个扇区。

• 读写磁头read-write header附着在磁臂disk arm上：磁臂将所有磁头作为一个整体而一起移动

磁盘连接

计算机访问磁盘存储有两种方式：通过I/O端口（或主机连接存储host-attached storage）;通过分布式文件系统的远程主机（网络连接存储network-attached storage）

• 主机连接存储：
  1. 台式机PC采用：I/O总线架构（SCSI），SCSI本身是一个总线，一条电缆上多达16个设备，SCSI启动器请求操作和SCSI目标执行任务
  2. 工作站和服务器：光纤通道FC
  1. 大的交换结构，具有24位地址空间：是存储域网SAN的基础
  2. FC仲裁环路FC-AL：可以寻址126个设备

• 网络连接存储：
  1. 网络连接存储NAS设备是一种专用存储系统，可以通过数据网络来远程访问。客户通过远程过程调用（RPC），如UNIX系统的NFS或Windows机器的CIFS，访问网络连接存储。
  2. Internet小型计算机系统接口iSCSI：是最新的网络连接存储协议。在本质上，它采用IP网络协议来执行SCSI协议。从而，主机与存储之间的互连可能是网络，而不是SCSI电缆。

  

网络连接存储的缺点是，存储I/O操作消耗数据网络的带宽，从而增加网络通信的延迟。

• 存储区域网络：SAN为专用网络，采用存储协议而不是网络协议连接服务器和存储单元。
  1. 在大型存储环境中很常见（并且变得越来越普遍）
  2. Flexible：多个主机绑定多个存储阵列

  

Disk Scheduling

• Time to access (read/write) a disk block:
  1. seek time (moving arms to position disk head on track) 1 to 20msec 磁臂移动磁头到包含目标扇区的柱面的时间
  2. rotational delay (waiting for block to rotate under head) 0 to 10msec 磁盘旋转目标扇区到磁头下的额外时间
  3. transfer time (actually moving data to/from disk surface) about 1msec per 4KB page

• Disk bandwidth：传输字节的总数除以从服务请求开始到最后传递结束时的总时间。

• FCFS：
  

• Shortest-seek-time-first (SSTF)：从当前头部位置选择具有最小寻道时间的请求。不过这种贪婪的做法可能会导致饥饿。
  

• SCAN：
  * 磁盘臂从磁盘的一端开始，向另一端移动，为请求提供服务，直到它到达磁盘的另一端，在那里磁头的运动被逆转，服务继续。
  * 有时被称为电梯算法。
  

• C-SCAN：
  * 提供比SCAN更统一的等待时间。
  * 磁头从磁盘的一端移动到另一端，一边移动一边处理请求。但是，当它到达另一端时，它立即返回到磁盘的起点，在返回过程中不处理任何请求。
  * 将柱面视为从最后一个柱面环绕到第一个柱面的圆形列表。
  

• C-LOOK：
  * 到达最大就直接reset到最小的地方重新开始（而不是到了199再reset到0）
  

Disk Management

• 低级格式化或物理格式化：将磁盘划分为磁盘控制器可以读写的扇区。

• 要使用磁盘保存文件，操作系统仍然需要在磁盘上记录自己的数据结构。
  1. 将磁盘划分为一组或多组柱面。
  2. 逻辑格式化或“创建文件系统”。

• 引导块初始化系统。
  1. 引导程序存储在ROM中。
  2. 引导加载程序。

• 扇区节省等方法用于处理坏块。

Swap-Space Management

• Swap-Space Management：
  1. Swap-Space：虚拟内存使用磁盘空间作为主内存的扩展。

  

RAID Structure

• 独立磁盘冗余阵列
• RAID：多个磁盘驱动器通过冗余提供可靠性。
• RAID分为六个不同的级别。

磁盘使用技术的一些改进涉及到使用多个磁盘协同工作。

• Disk striping uses a group of disks as one storage unit.提高读写性能
  1. Bit-level Striping
  2. Block-level Striping：different blocks of a file are striped

• RAID 0 ：读写效率最高，因为没有冗余
• RAID 1 ：使用了double的冗余，每一个bit都要做一个mirror，数据不容易丢失
• RAID 2 ：数据在准备写入磁盘时，计算纠错码，如果数据发生了丢失，可以通过纠错码和剩下的数据进行纠错。存的parity数量较多，冗余和读写开销都较大。
• RAID 3 ：及以后采取了更加简单的纠错码（奇偶校验）
• RAID 5 ：把parity的信息交错到放到了每一个盘中（避免了只有一个盘存parity，而失效后无法纠错的问题），不过依然最多只能允许一个盘坏。
• RAID 6 ：安全性更高，允许有两个盘可以坏

• RAID (0 + 1) and (1 + 0)：可以先strip后mirror，也可以反过来
  

  1. (0 + 1)：不可以两边RAID0中各坏一块硬盘，但可以在单边同时坏掉单边的两块硬盘。
  2. (1 + 0)：可以两边RAID1中各坏一块硬盘，但不能同时坏掉单边的两个硬盘。