1、第六章 設(shè)備管理Devices ManagementRAID技術(shù)緩沖技術(shù)設(shè)備分配磁盤陣列RAID技術(shù)把多塊硬盤當(dāng)做一塊邏輯硬盤來管理和存取數(shù)據(jù)以提高磁盤系統(tǒng)的穩(wěn)定性和速度，并可提供容錯功能1988年提出RAID可分成多級( Level )數(shù)據(jù)在各盤中的分布數(shù)據(jù)的冗余和校驗處理RAID控制器邏輯硬盤Disk1Disk2.What is RAID?Redundant Array of Inexpensive（Independent） Disks廉價（獨立）磁盤冗余陣列。RAID的初衷主要是為大型服務(wù)器提供高端的存儲功能和冗余的數(shù)據(jù)安全。SCSI 與 IDE-RAID RAID也有全軟、半軟半硬與全

2、硬之分 Which are the various RAID levels and what is their exact meaning?盡管各級RAID有不同的實現(xiàn)技術(shù),但有兩點相同:都使用多個物理磁盤分布存儲數(shù)據(jù).按獨立于應(yīng)用程序的方式存儲數(shù)據(jù)(即數(shù)據(jù)的存儲方式對應(yīng)用程序是透明的)RAID 1 = MirroringMirroring and Duplexing（相互鏡像）鏡像兩個硬盤的內(nèi)容完全一樣，內(nèi)容彼此備份。寫入時，RAID控制器將數(shù)據(jù)同時寫入兩個硬盤。其中任何一個硬盤的數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題，可以馬上從另一個硬盤中進(jìn)行恢復(fù)。 RAID Level 1 requires a minimum

3、of 2 drives to implementflash demo with RAID1RAID0+1 = Stripping + MirrorRAID Level 0+1 requires a minimum of 4 drives to implementVery expensive / High overheadflash demo with RAID 0+1RAID10 = Mirroring + strippingThis can be found only in hardware RAID RAID-10 combines RAID 0 and RAID 1 by stripin

4、g data across multiple drives without parity and it mirrors the entire array to a second set of drives. This process delivers good performance and excellent data protection, but cuts the usable disk space in half. RAID-10 requires a minimum of four same-size drives, and is also the most expensive RA

5、ID solution and offers limited scalability.flash demo with RAID 10 ( 1+0)RAID 2Hamming Code ECC(漢明碼錯誤檢測與修正)Each bit of data word is written to a data disk drive (4 in this example: 0 to 3). Each data word has its Hamming Code ECC word recorded on the ECC disks. On Read, the ECC code verifies correct

6、 data or corrects single disk errors.RAID 2由于漢明碼是位為基礎(chǔ)進(jìn)行校驗的，那么在RAID2中，一個硬盤在一個時間只存取一位的信息。所以RAID 2中的硬盤數(shù)量取決于所設(shè)定的數(shù)據(jù)存儲寬度。如果是4位的數(shù)據(jù)寬度，那么就需要4個數(shù)據(jù)硬盤和3個漢明碼校驗硬盤，如果是64位的位寬呢，數(shù)據(jù)陣列需要64塊硬盤，校驗陣列需要7塊硬盤。RAID 3Parallel transfer with parity并行傳輸及校驗RAID 3是在RAID 2基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，主要的變化是用相對簡單的異或邏輯運算（XOR，eXclusive OR）校驗代替了相對復(fù)雜的漢明碼校驗，從

7、而也大幅降低了成本。校驗盤只有一個，而數(shù)據(jù)與RAID 0一樣是分成條帶（Stripe）存入數(shù)據(jù)陣列中，這個條帶的深度的單位為字節(jié)。在數(shù)據(jù)存入時，數(shù)據(jù)陣列中處于同一等級的條帶的XOR校驗編碼被即時寫在校驗盤相應(yīng)的位置，所以彼此不會干擾混亂。讀取時，則在調(diào)出條帶的同時檢查校驗盤中相應(yīng)的XOR編碼，進(jìn)行即時的ECC。由于在讀寫時與RAID 0很相似，所以RAID 3具有很高的數(shù)據(jù)傳輸效率。RAID 4Independent Data disks with shared Parity disk獨立的數(shù)據(jù)硬盤與共享的校驗硬盤關(guān)鍵之處是把條帶改成了“塊”。RAID 4按數(shù)據(jù)塊為單位存儲的，數(shù)據(jù)塊由操作系統(tǒng)

8、所決定的，這就是簇（Cluster）同級（是指在每個硬盤中同一柱面同一扇區(qū)位置的數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)塊都通過XOR進(jìn)行校驗，結(jié)果保存在單獨的校驗盤。寫入時，把各硬盤上同級數(shù)據(jù)的校驗統(tǒng)一寫入校驗盤，等讀取時再即時進(jìn)行校驗。因此即使是當(dāng)前硬盤上的數(shù)據(jù)塊損壞，也可以通過XOR校驗值和其他硬盤上的同級數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。由于RAID 4在寫入時要等一個硬盤寫完后才能寫一下個，并且還要寫入校驗數(shù)據(jù)所以寫入效率比較差，讀取時也是一個硬盤一個硬盤的讀，但校驗迅速，所以相對速度更快。RAID 5Independent Data disks with distributed parity blocks獨立的數(shù)據(jù)磁盤與分布式校驗

9、塊高級RAID系統(tǒng)中最常見的等級，由于其出色的性能與數(shù)據(jù)冗余平衡設(shè)計而被廣泛采用。與RAID 3、4一樣，它也是一種即時校驗RAID系統(tǒng)，但設(shè)計更為巧妙，而管理也相對復(fù)雜。采用數(shù)據(jù)塊存儲方式，但沒有獨立的校驗硬盤，它在每個獨立的數(shù)據(jù)盤中都開辟了單獨的區(qū)域用于存儲同級數(shù)據(jù)的XOR校驗數(shù)據(jù)，在寫入時，同級校驗數(shù)據(jù)將即時生成并寫入，讀取時同級校驗數(shù)據(jù)也將被即時讀出并檢查源數(shù)據(jù)的正確性。其硬盤利用率較高，數(shù)據(jù)吞吐量比較容易得到發(fā)揮。flash demo with RAID 5RAID 5的特點RAID 6Independent Data disks with two independent distr

10、ibuted parity schemes獨立的數(shù)據(jù)硬盤與兩個獨立分布式校驗方案在RAID 5基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)保護(hù)而設(shè)計的一種RAID方式，實際上是一種擴(kuò)展RAID 5等級。與RAID 5的不同之處于除了每個硬盤上都有同級數(shù)據(jù)XOR校驗區(qū)外，還有一個針對每個數(shù)據(jù)塊的XOR校驗區(qū)。當(dāng)前盤數(shù)據(jù)塊的校驗數(shù)據(jù)不可能存在當(dāng)前盤而是交錯存儲的所有的I/O傳輸都是異步的，因為它有自己獨立的控制器和帶有Cache的接口，與系統(tǒng)時鐘并不同步所有的讀與寫的操作都將通過一個帶有中心Cache的高速系統(tǒng)總線，我們稱之為X-Bus專用的校驗硬盤可以用于任何通道帶有完整功能的即時操作系統(tǒng)內(nèi)嵌于陣列控制微處理器，

11、這是RAID 7的心臟，它負(fù)責(zé)各通道的通信以及Cache的管理，這也是它與其他等級最大不同之一連通性：可增至12個主機(jī)接口擴(kuò)展性：線性容量可增至48個硬盤開放式系統(tǒng)，運用標(biāo)準(zhǔn)的SCSI硬盤、標(biāo)準(zhǔn)的PC總線、主板以及SIMM內(nèi)存高速的，集成Cache的數(shù)據(jù)總線（就是上文提到的X-bus）在Cache內(nèi)部完成校驗生成工作多重的附加驅(qū)動可以隨時熱機(jī)待命，提高冗余率和靈活性易管理性：SNMP（Simple Network Management Protocol,簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議） 可以讓管理員遠(yuǎn)程監(jiān)視并實現(xiàn)系統(tǒng)控制RAID 53的特點RAID Level一覽表RAID 0RAID 1RAID 0+1R

12、AID 10 ( 1+0)RAID 2RAID 3RAID 4RAID 5RAID 6RAID 7RAID 53RAID技術(shù)中文簡介/html/raid/raid.html緩沖技術(shù) Buffering 目前為了解決CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾，提高的I/O速度和設(shè)備利用率，在所有的I/O設(shè)備與處理機(jī)（內(nèi)存）之間，都使用了緩沖區(qū)來交換數(shù)據(jù)。所以O(shè)S必須組織和管理好這些緩沖區(qū)。緩沖的引入改善CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾可以減少對 CPU的中斷頻率，放寬對中斷響應(yīng)時間的限制提高 CPU和 IO設(shè)備之間的并行性 單緩沖（ Single Buffer ）每當(dāng)一個用戶進(jìn)程發(fā)出一個I/O請求

13、時，OS便在主存中為之分配一個緩沖區(qū)。例如，CPU要從磁盤上讀一塊數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，先從磁盤把一塊數(shù)據(jù)讀入到緩沖區(qū)中，然后由OS將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送到用戶區(qū)，最后由CPU對這一塊數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。可見第一步和最后一步是可以并行執(zhí)行的，這樣就提高了CPU和外設(shè)的利用率。但是對緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的輸入和提取是串行工作的。 （如下圖所示）處理時間=MAX(C，T)+M。通常，M遠(yuǎn)小于T或C緩沖區(qū)用戶區(qū)輸入T傳送MI/O設(shè)備操作系統(tǒng)用戶進(jìn)程計算C雙緩沖（ Double Buffer ）雙緩沖工作方式基本方法是在設(shè)備輸入時，先將數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)A，裝滿后便轉(zhuǎn)向緩沖區(qū)B。此時OS可以從緩沖區(qū)A中提取數(shù)據(jù)傳送到用戶區(qū)，最后

14、由CPU對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。（如下圖所示）系統(tǒng)處理一塊數(shù)據(jù)的處理時間可粗略地認(rèn)為：MAX(C，T)。若CT，可使塊設(shè)備連續(xù)輸入；若CT，可使CPU不必等待設(shè)備輸入。 緩沖區(qū)A用戶區(qū)緩沖區(qū)B輸入T傳送MI/O設(shè)備操作系統(tǒng)用戶進(jìn)程計算C環(huán)形緩沖（ Circular Buffer ）雙緩沖可以實現(xiàn)對緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的輸入和提取，與CPU的計算，三者并行工作。所以雙緩沖進(jìn)一步加快了I/O的速度，提高了設(shè)備的利用率。當(dāng)對緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的輸入和提取的速度基本相匹配時，采用雙緩沖可使兩者并行工作，獲得較好的效果。但是如果兩者的速度相差甚遠(yuǎn)時，雙緩沖的效果就不夠理想了。如果增加緩沖區(qū)的個數(shù)，情況就會有所改善?？蓪⒍鄠€緩

15、沖區(qū)組織成循環(huán)隊列的。 緩沖區(qū)1用戶區(qū)緩沖區(qū)2緩沖區(qū)N輸入T傳送MI/O設(shè)備操作系統(tǒng)用戶進(jìn)程緩沖池當(dāng)系統(tǒng)配置較多的設(shè)備時，使用專用緩沖區(qū)就要消耗大量的內(nèi)存空間，且其利用率不高。為了提高緩沖區(qū)的利用率，目前廣泛使用公用緩沖池，池中的緩沖區(qū)可供多個進(jìn)程共享。對于同時用于輸入/輸出的公用緩沖池，至少含有三種類型的緩沖區(qū)：空緩沖區(qū)、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。為了管理上的方便，可將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個隊列，于是就形成三個隊列：空緩沖區(qū)隊列、輸入緩沖區(qū)隊列和輸出緩沖區(qū)隊列?？站彌_區(qū)隊列：由空緩沖區(qū)所鏈成的隊列。輸入緩沖區(qū)隊列：由裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)所鏈成的隊列。輸出緩沖區(qū)隊列：由裝滿

16、輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)所鏈成的隊列。緩沖區(qū)工作在收容輸入、提取輸入、收容輸出和提取輸出四種工作方式下（如下圖所示）hinsoutsinhout 用 戶 程 序收容輸入提取輸入提取輸出收容輸出緩沖池設(shè)備的分配在多道程序環(huán)境下，設(shè)備必須由系統(tǒng)分配。每當(dāng)進(jìn)程向系統(tǒng)提出I/O請求時，設(shè)備分配程序按照一定的策略，把其所需的設(shè)備及其有關(guān)資源（如緩沖區(qū)、控制器和通道）分配給該進(jìn)程。在分配設(shè)備時還必須考慮系統(tǒng)的安全性，避免發(fā)生死鎖現(xiàn)象。據(jù)設(shè)備使用特性的分類獨享方式 獨享方式是指將一個設(shè)備分配給某進(jìn)程后，便一直由它獨占，直至該進(jìn)程完成或釋放該設(shè)備為止，系統(tǒng)才能將該設(shè)備分配給其它進(jìn)程使用。這種分配方式是對獨占設(shè)備采用的

17、分配策略。它不僅往往造成設(shè)備利用率低，而且還會引起系統(tǒng)死鎖。共享方式 共享方式是指將共享設(shè)備（磁盤）同時分配給多個進(jìn)程使用。但是這些進(jìn)程對設(shè)備的訪問需進(jìn)行合理的調(diào)度。虛擬方式虛擬方式是指通過高速的共享設(shè)備，把一臺慢速的以獨占方式工作的物理設(shè)備改造成若干臺虛擬的同類邏輯設(shè)備，這就需要引入SPOOLing技術(shù)。虛擬設(shè)備屬于邏輯設(shè)備。獨享設(shè)備的分配設(shè)備分配方式靜態(tài)分配所需設(shè)備在運行前分配，運行結(jié)束釋放不會死鎖但設(shè)備利用率太低動態(tài)分配運行中需要時申請（由設(shè)備分配算法分配），用完后即可歸還設(shè)備利用率高但可能出現(xiàn)死鎖設(shè)備分配算法FCFS優(yōu)先級方式SPOOLing技術(shù)早期批處理系統(tǒng)中使用的虛擬技術(shù)是以脫機(jī)方

18、式工作的。為了緩和CPU和I/O設(shè)備之間的速度不比配的問題。利用專門的外圍控制機(jī)將低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上，或者相反。當(dāng)多道程序設(shè)計的分時系統(tǒng)出現(xiàn)后，SPOOLING技術(shù)就孕育而生，它將一臺獨占設(shè)備改造成可以共享的虛擬設(shè)備。Simultaneous Peripheral Operation On Line當(dāng)多道程序程序技術(shù)出現(xiàn)后，就可以利用一道程序，來模擬脫機(jī)輸入時的外圍控制機(jī)的功能，即把低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速的磁盤上；再用另一道程序來模擬脫機(jī)輸出時外圍控制機(jī)的功能，即把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到低速I/O設(shè)備上。這樣，便在主機(jī)的直接控制下，實現(xiàn)脫機(jī)輸入、輸出功能。所以，我們把這種在聯(lián)機(jī)情況下實現(xiàn)的同時與外圍設(shè)備聯(lián)機(jī)操作的技術(shù)稱為SPOOLING，或稱為假脫機(jī)技術(shù)。SPOOLing系統(tǒng)的組成 SPOOLing系統(tǒng)是對脫機(jī)輸入、輸出工作的模擬，它必須有高速隨機(jī)外存（硬盤）的支持。 SPOOLing系統(tǒng)主要有以下三部分：輸入進(jìn)程Spi 輸出進(jìn)程SPo輸入緩