操作系统（十二）大容量存储器结构

大容量存储器结构

0号磁道在最外圈

磁盘调度

磁盘访问时间主要是三部分：

• 寻道时间： 将此头定位到磁道的时间
• 旋转等待时间：将此头定位到扇区
• 传输时间：指定扇区掠过磁头时，完成读写。

提高性能，减少寻道时间。
寻道距离 约等于 寻道时间

如果磁盘驱动器和控制器空闲，有请求会马上处理，如果忙碌，那么新的服务请求会交到磁盘驱动器的待处理请求队列上。接下来讨论，如何调度请求。

FCFS调度

根据进程请求访问磁盘的先后顺序，依次进行调度。

• 实现简单
• 平均寻道距离达，磁臂来回摆动，效率低
  

SSTF调度

最短寻道时间优先算法：选择距离当前磁头最近的待处理请求。

• 像最短作业优先一样（SJF），会导致饥饿现象发生。
• SSTF相比FCFS来说虽然优化了性能，但还不是最优的。
  
  如果先从53移动到37->->14->65->67…，会更优。

SCAN调度

有时又被称为电梯调度
磁臂从一端移动到另一端，但磁头移过每个柱面时处理位于该柱面的服务请求。（具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。）当磁头到达另一端时，磁头改变方向，继续处理，磁头在磁盘上来回扫描。
在汤子瀛的教材中，磁头无需移动到头就可以转变方向。

两个要点：

• 磁头当前位置
• 磁头移动方向

与SSTF相比，能够避免饥饿。
如果说磁盘比较繁忙的时候，表现比较好。
当磁盘请求，均匀地分布在各个柱面上，当磁头在一端折返的时候，由于该端的请求刚被处理过，在该端的请求较少，而且等待时间也短，在另一端的请求较多，等待时间也较长。

C-SCAN

SCAN调度的变种，主要是为了提供一个均匀的等待时间。
C-SCAN将磁头移动到一端时，她会马上折返到磁盘的开始，返回时并不处理请求。
C-SCAN规定磁头单向移动，系统沿着一个方向，例如由内向外，一次对请求服务进行处理，当移动到最外端时，磁头立即返回最内端。

与C-SCAN 相比，公平

LOOK调度

SCAN C-SCAN的一种实现，在SCAN C-SCAN中，磁臂扫过个磁盘。
磁头只移动到一个方向上的最远请求，接着马上回头，而不是继续移动到尽头。

SCAN->LOOK
C-SCAN->C-LOOK
提高了效率

连续文件性能最好，链接及索引文件可能需要再次寻道

RAID 结构

推荐一篇博客RAID技术全解图解
磁盘冗余阵列RAID，通常用于提高性能和可靠性。

SFT-I 低级磁盘容错技术

防止磁盘表面发生缺陷所引起的数据丢失
容错：一般都是采用数据冗余

• 双备份目录表、双备份FCB表、双备份文件分配表等有关文件系统的数据结构
• 热修复重定向和写后读校验
• 热修复重定向：磁盘格式换时一般都预留一部分扇区，用于存放当写入数据发现损坏扇区时，用于替换扇区。
• 写后读校验：写入数据后，立即将数据读出来进行比较，判定是否因磁盘表面孙环而导致的写入错误。

SFT-II 中级磁盘容错技术 RAID

防止磁盘驱动器和磁盘控制器故障引起的系统不能正常工作
RADI 早期指廉价磁盘冗余阵列，如今指独立磁盘冗余阵列。

SFT-III 高级磁盘容错技术

防止机器货期铜出现故障，造成数据丢失
系统热备份

RAID结构

多个磁盘，通过冗余提高可靠性，通过并行处理改善性能。

• 分区就是磁盘被分成的若干个区域；
• 卷：是将分区格式化后, 创建了文件系统, 并且被系统所识别和访问的存储区域, (如windows系统可识别和访问NTFS, 不识别和访问ext3文件系统), 是操作系统管理层次的概念
• 卷集：多个磁盘分区组合成一个卷集，书卷分区顺序存取
• 带区集：多个磁盘分区组合成一个卷集，多个卷交叉存取。
  

改善系统的可靠性：数据冗余 校验+容错
通过磁盘镜像、其他校验技术（CRC、Hamming）
镜像盘：写的先后顺序。如果发生掉电，那么可能两个磁盘的数据不一致。采用一个先写一个后写，保证数据一致。

提高性能：并行交叉存取
将数据按 位级 块级 等分散写入多个磁盘，多个磁盘可以同时读写存取操作，实现数据的并行存取----提高了系统的性能

RAID 分级

• 1、RAID 0：无冗余的磁盘阵列。数据会计分散，并行交叉存取，无数据冗余

• 2、RAID 1： 磁盘镜像 每个磁盘有一个镜像

• 3、RAID 2 :内存方式的差错纠正代码结构
  其设计思想是利用海明码实现数据校验冗余。在内存中计算，完成校验纠错。
  数据位级分散，另外的几个盘作为校验盘；并行交叉存取
  海明码的数据冗余开销太大，而且 RAID2 的数据输出性能受阵列中最慢磁盘驱动器的限制。再者，海明码是按位运算， RAID2 数据重建非常耗时。由于这些显著的缺陷，再加上大部分磁盘驱动器本身都具备了纠错功能，因此 RAID2 在实际中很少应用，没有形成商业产品，目前主流存储磁盘阵列均不提供 RAID2 支持。

• 4、RAID3 ：位交织奇偶结构
  数据位级分散，一个奇偶校验盘，存放扇区的校验位
  能进行坏扇区的检测
  当检测到一个坏扇区，可以依据其他扇区的相应位恢复损坏的扇区
  并行交叉存取
  若奇偶校验盘损坏，数据无法恢复
  读写磁盘时，校验盘是瓶颈

• 5、RAID4：块交织奇偶结构
  数据块级分散，一个奇偶校验盘，此南方其他磁盘相应的奇偶块。
  当检测到一个磁盘损坏时，依据其他磁盘的相应可纠正损坏的磁盘块。
  若奇偶校验盘损坏，数据无法恢复。
  如果多个磁盘出错，数据无法恢复
  尽管可以并行交叉，但是效率比RAID3低，写磁盘时，校验盘是瓶颈。
  磁盘恢复在块级，比RAID3容易

• 6、RAID5 分布式块交织奇偶结构
  数据块级分散，奇偶校验快也分布在所有磁盘上
  当检测到一个磁盘损坏时，依据其他磁盘的相应可纠正损坏的磁盘块。
  避免RAID4中，奇偶校验盘的过度使用
  尽管可以并行交叉，但是效率比RAID3低，写磁盘时，校验盘是瓶颈。
  磁盘恢复在块级，比RAID3容易

• 7、RAID 6 与RAID5类似，但是存在两份校验数据P Q
  
  
  
  RAID6有两份校验数据，当两块磁盘同时出错时，也能保障数据安全
• 8、 RAID01 是先做条带化再作镜像，本质是对物理磁盘实现镜像；而 RAID10 是先做镜像再作条带化，是对虚拟磁盘实现镜像。相同的配置下，通常 RAID01 比 RAID10 具有更好的容错能力