Sistemas de Armazenamento de Ficheiros. Interface

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1 Gestão de Ficheiros Sistemas de Armazenamento de Ficheiros disquetes fita magnetica discos duros (winchester) cdrom cds re-gravaveis cartridges (zip,jazz...)... 1 Powered by FreeBSD & L A T E X2e Interface Devido às exigências do mercado existem diversos tipos de interface para os dispositivos de armazenamento. O compromisso surge entre o custo e o desempenho. Os mais comuns são: IDE SCSI SCSI-wide Fibre Channel Paralelo (centronics) 2 Powered by FreeBSD & L A T E X2e

2 Caracteristicas dos Discos Os discos são compostos por conjuntos de pratos de oxido de magnésio. Podem ser amovíveis ou fixos. Velocidades de rotação: discos 3000rpm, disquetes = 300rpm 3 Powered by FreeBSD & L A T E X2e Pistas, cilintros e sectores Tempos de Acesso Latencia de rotação Posicionamento das cabeças Tempo de transferência 4 Powered by FreeBSD & L A T E X2e

3 Sistemas RAID Redundant Array of Inexpensive (independent) Disks Sistema de discos redundantes que normalmente se apresenta ao S.O. como um único disco e permite obter elevados desempenhos e/ou tolerância a falhas. 5 Powered by FreeBSD & L A T E X2e Existem 5 tipos de sistemas RAID, cuja escolha depende da aplicação em causa: Nível 0 Não é redundante e por isso não permite recuperação em caso de falha de um disco. Os dados são distribuidos pelos vários discos de forma a obter maiores taxas de transferência. (Aplicação: Zona de ficheiros temporários) Nível 1 Fornece redundância utilizando um disco como espelho do outro. Desta forma se um disco falhar, existe sempre uma copia de salvaguada. (Custo elevado. Aplicação: Pequenos servidores) Nível 2 Usa códigos de correcção e é destinado a discos que não disponham de formas de detectar erros. Todos os discos SCSI suportam detecção de erros, logo este nível não tem interesse para este tipo de discos. Nível 3 Distribui os dados pelos varios discos (partindo-os ao nível do byte) e armazena a paridade num disco. Requer suporte do hardware para uso eficiente. Nível 4 Faz a distribuição ao nível do bloco, com paridade armazenada num 6 Powered by FreeBSD & L A T E X2e

4 disco. O desempenho é bastante bom nas leituras, as escritas implicam a actualização da paridade. (Custo por megabyte é relativamente baixo. Aplicação: Grandes servidores de ficheiros) Nível 5 Semelhante ao 4 mas distribui a paridade entre os discos. Permite acelerar pequenas operações de escrita em sistemas multiprogramados. Tende a ter um desempenho menor nas leituras que o nível 4 devido a ser necessário saltar a paridade. (Aplicação:Servidores de Bases de dados) Nota: No FreeBSD podemos utilizar RAID 0 e 1 com discos convencionais, suportado pelo S.O. (ver ccd) 7 Powered by FreeBSD & L A T E X2e O S.O. deve ocultar todos os aspectos relactivos aos dispositivos onde se encontram os ficheiros. Deve fornecer ainda, um espeço uniforme de nomes de ficheiros. As responsabilidades do S.O. são: mapeamento entre ficheiros lógicos e físicos transmissão dos elementos dos ficheiros entre memória secundária e primária (ou vice versa) gestão dos disposistivos de armazenamento no que diz respeito ao estado, reserva e recuperação de espaço suporte para a protecção e partilha de ficheiros 8 Powered by FreeBSD & L A T E X2e

5 O F.S. surge como uma (ou duas) camadas do S.O. Os seus serviços básicos, tais como a transmissão de blocos, são necessários para suportar os mecanismos de memória virtual e swapping. Utilizador FS Gestao de Memoria FS KERNEL Hardware 9 Powered by FreeBSD & L A T E X2e O FS visto pelos utilizadores Apesar de o interface poder variar de sistema para sistema, algumas funções básicas são mais ou menos constantes Listar (dir,ls) copiar criar apagar renomear Powered by FreeBSD & L A T E X2e

6 O FS visto pelos programadores Os ficheiros são vistos como cadeias de bytes sem qualquer tipo de estruturação. Os programas que manipulam os ficheiros é que dão a interpretação adequada ao seu conteúdo. Os F.S. permitem normalmente dois tipos de acesso: sequencial e aleatório (directo) As operações mais comuns são: read, write, seek, open, close. 11 Powered by FreeBSD & L A T E X2e Estrutura das Directorias CPM Nome do Ficheiro EXT... User Code Tipo de ficheiro N. de blocos Apontadores MS-DOS 8 Nome do Ficheiro 3 EXT Dimensao... Atributos Tempo Data N. do 1. bloco UNIX Nome do Ficheiro N. do Inode 12 Powered by FreeBSD & L A T E X2e

7 Organização dos ficheiros Contígua - Os blocos de um ficheiro estão localizados em posições contíguas do disco. Lista ligada - Blocos dispersos pelo disco, tendo cada bloco um apontador para o bloco seguinte. Indexada - Blocos dispersos pelo disco. Os apontadores para os blocos do ficheiros são mantidos em blocos de indíces. 13 Powered by FreeBSD & L A T E X2e MSDOS FAT - File Allocation Table Capacidade do Disco X X EOF FREE FREE EOF EOF FREE BAD Ficheiro A Ficheiro B Ficheiro C Powered by FreeBSD & L A T E X2e

8 Originalmente concebido para disquetes de 320 kbyes, com blocos de 1 Kbytes usando: 12 bits para os números dos blocos e 320 blocos bytes (cabem num sector de 512 bytes) Com a utilização de discos de 360 Kbytes a FAT cresce para 540 bytes o que requer 2 sectores. À medida que os discos vão crescendo a FAT vai aumentar de tamanho para conter os apontadores para os blocos. Ex. Um disco 64Mbytes contém 64K blocos de 1Kbyte. A FAT vai conter 64K entradas de 2 bytes cada, ocupando 128 Kbytes. Consequências: Ocupa muito espaço em memória Se apenas preservada em disco, o acesso ao bloco n de um ficheiro pode requerer entre 1 e n + 1 acessos a disco para seguir a cadeia. (Solução: compactação para melhorar o desempenho). 15 Powered by FreeBSD & L A T E X2e UNIX Inode n. de links UID GID dimensao Tempo de criacao 0 0 Tempo do ultimo acesso Tempo da ultima modificacao 10 n. de blocos directos 1 n de blocos Indirectos 1 n. de blocos duplamente indirectos 1 n. de blocos triplamente indirectos 16 Powered by FreeBSD & L A T E X2e

9 Se utilizarmos blocos de 1K e apontadores de 32 bits temos em cada bloco 256 apontadores. O que dá: 10 blocos directos 10K 1 número de bloco indirecto 256K 1 número de bloco duplamento indirecto = 65536K 1 número de bloco triplamento indirecto = K Tamanho máximo = K Note-se que após a leitura do inode são necessários no máximo 3 acessos a disco para aceder a qualquer bloco. 17 Powered by FreeBSD & L A T E X2e Estrutura do FS do Sistema V Superbloco Contém os parâmetros do FS: n. de blocos n. máximo de ficheiros ponteiro para a lista de blocos livres Exemplo: 150M 4M(inodes) + 146M(dados) Ficheiros numa directoria não utilizam necessariamente blocos contíguos. blocos de 512 bytes 18 Powered by FreeBSD & L A T E X2e

10 BSD 4.3 Superbloco estático + réplicas espalhadas pelo disco Tamanho do bloco 4096 bytes Divisão em grupos de cilindros onde cada grupo contém 1 cópia superbloco espaço para inodes bitmap 19 Powered by FreeBSD & L A T E X2e Desperdício de espaço em função do tamanho dos blocos % Total % dados % inodes Apenas dados sem separação entre ficheiros Apenas dados. Início dos ficheiros após byte dados + inodes, blocos de 512 bytes dados + inodes, blocos de 1024 bytes dados + inodes, blocos de 2048 bytes dados + inodes, blocos de 4096 bytes dados + inodes, blocos de 8192 bytes dados + indoes, blocos bytes 20 Powered by FreeBSD & L A T E X2e

11 Fiabilidade do FS BAD BLOCKS Os discos possuem desde o fabrico ou desenvolvem durante a utilização, blocos danificados. Soluções: h/w Dedicar um sector do disco para a lista de bad blocks ; utilizar blocos adicionais para substituir os danificados e registar a correspondência na lista de bad blocks. s/w O utilizador constroi um ficheiro (ou ficheiros) contendo todos os bad blocks ; Os programas de manutenção deverão ser impedidos de copiar esses ficheiros. BACKUPS Existem diversas formas de fazer cópias de segurança sendo a mais comum para discos de grande capacidade a utilização de dumps incrementais. 21 Powered by FreeBSD & L A T E X2e Consistência do FS O sistema de ficheiros pode ser deixado num estado inconsistente na sequência de um crash ou de uma falha de energia. Para resolver o problemam, usam-se utilitários que verificam a consistência do sistema de ficheiros. Esses utilitários podem ser executados na sequência de arranque do sistema e devem verificar: a consistência dos blocos e das directorias. Por ex: Um bloco não pode pertencer a mais do que um ficheiro, ou estar simultaneamente livre e ocupado ou não estar livre nem ocupado. 22 Powered by FreeBSD & L A T E X2e

12 Unix Buffer Cache O tempo efectivo de acesso a disco, e consequentemente a velocidade das operações que dependem dele, pode ser melhorado mantendo certos blocos em memória. Desta forma conseguem-se eliminar repetidas operações de leitura/escrita. Uma das primeiras implementações de caches surgiu no UNIX tendo estas sido redescobertas recentemente no mercado dos PCs. A cache mantém um conjunto de blocos recentemente utilizados em memória. Nos acessos, verifica-se primeiro se o bloco está na cache, se não acede-se ao disco... Este principio pode aplicar-se tanto nas operações de leitura como de escrita. Nas escritas, os blocos são escritos em memória e passados para disco mais tarde (delayed write). 23 Powered by FreeBSD & L A T E X2e Vantagens Grande aumento de desempenho em sistemas interactivos Eliminação de alguns acessos quando o mesmo bloco é frequentemente lido e escrito. Desvantagen Memória volátil - corrupção por falha de energia. Solução: Esvaziar a cache a intervalos regulares. Nunca desligar um sistema UNIX (ou NT) sem fazer o shutdown. 24 Powered by FreeBSD & L A T E X2e

13 Organização LOCKED LRU AGE EMPTY Hash Queue Locked: Destinada a manter superblocos, mas introduzia deadlocks... LRU: Cada vez que um buffer é utilizado é movido para o final desta lista AGE: buffers não utilizados, mas que poderão vir a ser utilizados em breve (read ahead) EMPTY: 25 Powered by FreeBSD & L A T E X2e Quotas O sistema de quotas permite aos administradores controlas o número de inodes e blocos de daddos atribuidos a cada utilizador. As quotas de cada utilizador são mantidas por file-system. O controlo é feito durante os pedidos de reserva de blocos, onde é verificado se o utilizador ainda tem direito a mais um bloco... São controladas através de um ficheiro de quotas, residente normalmente, na base do file-system. Este ficheiro funciona como um array onde para cada utilizador contém um registo com: block quota (soft) block limit (hard) current number of blocks... inode quota (soft) inode limit (hard) current number of inodes Powered by FreeBSD & L A T E X2e

14 Network File System Após o aparecimento das redes de computadores, surgiu a necessidade de partilhar ficheiros por forma a poder distribuir os utilizadores por várias máquinas, distribuindo também a carga. UNIX United: Implementado no topo do kernel, ao nível das chamadas ao sistema. Não utilizava caching. Lento e muito limitado, não permitindo a execução directa de programas (dirs). Network Disk (SMS): Camada inferior do kernel, ao nível dos device drivers. Bom, mas colocava serios problemas devido à utilização da cache, nomeadamente a inconsistência entre a cache e o servidor. Grandes problemas com mais do que 1 cliente.! RFS (Sys V): Desempenho muito fraco AFS (CMU, Transarc): Bom funcionamento com computadores móveis 27 Powered by FreeBSD & L A T E X2e (desligados da rede por grandes periodos) NFS (SMS): Grande sucesso: SUN coloca especificação no domínio público. SUN vendia a implementação muito barata Caracteristicas Cliente-Servidor Utiliza RPC Protocolo Stateless Grande desempenho sem partilha entre clientes flock requer um daemon stateful. Mau desempenho em maquinas móveis. 28 Powered by FreeBSD & L A T E X2e

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