Физическая организация файловой системы

• Жесткий диск состоит из нескольких пластин.

• На пластине размечены дорожки – тонкие концентрические кольца, на которых хранятся данные.

• Совокупность дорожек одного радиуса – цилиндр.

• Каждая дорожка разбивается на фрагменты – сектора.

Сектор – наименьшая адресуемая единица обмена данными с диском, поэтому часто данных считывается больше, чем нужно.

Физическая организация FAT

• Загрузочный сектор. Содержит программу начальной загрузки ОС.

• Основная копия FAТ. Содержит информацию о размещении файлов и каталогов на диске.

• Резервная копия FAT.

• Корневой каталог. Занимает фиксированную область, позволяет хранить 512 записей о файлах и каталогах

• Область данных. Предназначена для хранения всех файлов и каталогов кроме корневого. Пространство области данных поделено на кластеры – участки одинакового размера. Файл всегда занимает целое количество кластеров

FAT поддерживает два типа файлов: обычный файл и каталог

Таблица FAT состоит из массива индексных указателей. Указатель может принимать значения:

• Кластер свободен (не используется);

• Кластер используется файлом и не является последним кластером файла. В этом случае индексный указатель содержит номер следующего кластера;

• Последний кластер файла;

•  Дефектный кластер;

Выбор размера кластера

• Большой размер кластера – потери дискового пространства, так как последний кластер файла может использоваться только частично

• Небольшой размер кластера – возрастают накладные расходы, так как файл занимает больше кластеров, которые не обязательно являются «соседними»

В зависимости от размера диска, размер кластера выбирается от 512 байт до 64 Кбайт.

Размер кластера выбирается так, чтобы он занимал целое число секторов. Кластер может занимать от 1 до 128 секторов.

Разрядность указателя FAT

• FAT 12 12-разрядные указатели. Поддерживается не более 4096 кластеров.

• FAT 16 16-разрядные указатели. Не более 65536 кластеров.

• FAT 32 32-разрядные указатели. Более 4 миллиардов кластеров.

Удаление файла в FAT

• В первый байт записи каталога заносится специальный признак «файл удален»

• В индексные указатели заносится признак «кластер свободен»

• Физически данные не удаляются, поэтому во многих случаях файл может быть восстановлен

+ Простота реализации

- Проблемы с поддержкой длинных имен файлов

- Отсутствие поддержки специальных файлов

- Фрагментация и связанное с ней уменьшение производительности

- При сбоях и отключении питания – нарушение целостности файловой системы:

• Файлы, не принадлежащие ни одному каталогу.

• Потерянные фрагменты файлов, занимающие место на диске.

• Файлы, для которых «нет» кластеров

16. Избыточные дисковые подсистемы RAID.

RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks, дословно — «избыточный массив недорогих дисков»)

Идея технологии RAID-массивов состоит в том, что для хранения данных используется несколько дисков, даже в тех случаях, когда для таких данных хватило бы места на одном диске. Организация совместной работы нескольких централизованно управляемых дисков позволяет придать их совокупности новые свойства, отсутствовавшие у каждого диска в отдельности.

Различают несколько вариантов RAID-массивов, называемых также уровнями: RAID-0, RAID-1, RAID-2, RAID-3, RAID-4, RAID-5 и некоторые другие.

При оценке эффективности RAID-массивов чаще всего используются следующие критерии:

• степень избыточности хранимой информации (или тесно связанная с этим критерием стоимость хранения единицы информации);

• производительность операций чтения и записи;

• степень отказоустойчивости.

RAID-0

Данные расщепляются на блоки (например по 64 Кб.)и записываются параллельно на все диски

(-) Отказоустойчивость меньше, чем у одного диска

(+) RAID 0 позволяет «склеить» несколько небольших дисков в один большой

(+) Увеличивается производительность при чтении/записи

 

RAID-1

Реализует подход, называемый зеркальным копированием. Логическое устройство в этом случае образуется на основе одной или несколько пар дисков, в которых один диск являются основным, а другой диск дублирует информацию, находящуюся на основном диске. Позволяет ввести запись одновременно на два диска. Если основной диск выходит из строя, зеркальный продолжает сохранять данные, тем самым обеспечивается повышенная отказоустойчивость логического устройства. За это приходится платить избыточностью – все данные хранятся на логическом устройстве в двух экземплярах, в результате дисковое пространство используется лишь на 50%. Удвоение количества операций записи снижает производительность дисковой подсистемы, поэтому во многих случаях наряду с дублированием дисков дублируется и их контроллеры. Такое дублирование повышает скорость операций записи и обеспечивает большую надежность системы – данные на зеркальном диске останутся доступными не только при сбое диска, но и в случае сбоя дискового контроллера.

RAID-2

Разделяет данные побитно. Отказоустойчивость реализуется путем использования для кодирования данных корректирующего кода Хэмминга, который обеспечивает исправление однократных ошибок и обнаружение двукратных ошибок. Избыточность обеспечивается за счет нескольких дополнительных дисков, куда записывается код коррекции ошибок. Обеспечивает высокую производительность и надежность. Применяется в основном в мэйнфремах и суперкомпьютерах.

Минимум – три диска. Оптимальное - 32 диска и 3 диска для записи кода коррекции.

RAID-3

Разделяет данные побайтно с выделением одного диска на весь набор для контроля четности. Диск четности является резервным. Если какой-либо диск выходит из строя, то данные остальных дисков плюс данные о четности резервного диска позволяют определить, какой из дисков массива вышел из строя и восстановить утраченную информацию. Это восстановление может выполняться динамически, по мере поступления запросов, или в результате выполнения специальной процедуры восстановления, когда содержимое отказавшего диска заново генерируется и записывается на резервный диск. Динамическое восстановление данных снижает производительность дисковой подсистемы. Позволяет одновременное чтение или запись данных на несколько дисков для файлов с длинными записями.

Минимальное количество дисков равно трем.

RAID-4

Аналогично RAID-3, данные распределяет блоками, кластерами. За счет этого может происходить независимый обмен с каждым диском. Допустима только одна операция записи в каждый момент времени, так как все операции записи используют один и тот же дополнительный диск для вычисления контрольной суммы, поэтому скорость выполнения операции записи снижается.

RAID-5

Аналогично RAID-4, но данные о контроле четности распределяется по всем дискам массива.

Наибольшей выигрыш в производительности достигается при операциях чтения. Высокая скорость чтения. Повышается скорость записи по сравнению с RAID-4, но ниже по сравнению со скоростями RAID-1 или RAID-3.