Operációs Rendszerek II. 6. előadás

Átírás

1 Operációs Rendszerek II. 6. előadás

2 I/O kezelés I/O eszközök I/O szervezés Operációs rendszeri elvárások Diszkek kezelése RAID Fájlrendszerek

3 I/O eszközök csoportosítása

4 I/O eszközök csoportosítása Csoportosítás kapcsolódás fajtája szerint Felhasználói kapcsolat (bevitel és kivitel is) Gép általi kapcsolat (pl. HDD, tape) Kommunikáció (gép-gép közötti)

5 I/O eszközök csoportosítása Csoportosítás kapcsolódás fajtája szerint Felhasználói kapcsolat (bevitel és kivitel is) Gép általi kapcsolat (pl. HDD, tape) Kommunikáció (gép-gép közötti) A fenti csoportokba tartozó eszközök között is jelentős eltérések lehetnek további jellemzők vizsgálata szükséges!

6 I/O eszközök jellemzői 1. Adatátviteli sebesség (Data rate) 2. Felhasználási terület (Application) 3. Vezérlés összetettsége (Complexity of control) 4. Adatátvitel egysége (Unit of transfer) 5. Adatok megjelenése (Data representation) 6. Hibalehetőségek (Error conditions)

7 Adatátviteli sebesség Különféle eszközök átviteli sebessége között több nagyságrendi eltérés is lehet Billentyűzet kevesebb, mint 100 bps Ethernet: 10 9 bit/sec A sávszélesség nem köthető a kapcsolat fajtájához! Eszköz Átviteli sebesség (10 n bps) Giga ethernet 9 Grafikus megjelenítő 10 (PCI Express) HDD 9 (Seagate: 78 MB/s)

8 Felhasználási mód (terület) Az eszköz felhasználási területe b e f o l y á s o l j a, h o g y a z o p e r á c i ó s rendszernek milyen módon kell azt kezelnie Például a lemezegységek használatához általában fájlkezelő rendszer szükséges, azonban ha a lemezegységet a memória lapok tárolására használjuk (másodlagos memória) a fájlkezelés helyett másfajta lemezkezelésre lesz szükség

9 További jellemzők Vezérlés összetettsége: egy mátrixnyomtató kezelése viszonylag egyszerű feladatot ró az operációs rendszerre, ugyanakkor egy lemezegység kezelése meglehetősen összetett feladat. Az átvitel egysége: adatokat bájtok vagy karakterek folyamaként is átvihetjük, de kezelhetjük az adatokat összefüggő blokkokban is. Az adatok megjelenése: különböző eszközök az a d a t o k a t m á s - m á s k ó d o l á s b a n i g é n y e l h e t i k (karakterkódok, paritás, stb.). Hibalehetőségek: hibák jellege, a hibajelentés módja, és a hiba fellépése esetén elvégzendő intézkedések fajtáji eszközről-eszközre változnak.

10 További jellemzők Vezérlés összetettsége: egy mátrixnyomtató kezelése viszonylag egyszerű feladatot ró az operációs rendszerre, ugyanakkor egy lemezegység kezelése meglehetősen összetett feladat. Az A átvitel változatosság egysége: adatokat ellenére bájtok azt vagy várjuk, karakterek hogy folyamaként az operációs is átvihetjük, rendszer de kezelhetjük az I/O az kezelést adatokat összefüggő blokkokban is. Az egységes, adatok megjelenése: eszközfüggetlen különböző interfészen eszközök az a d a t o kkeresztül a t m á s - mbiztosítsa á s k ó d o l ászámunkras b a n i g é n y e l h e t i k (karakterkódok, paritás, stb.). Hibalehetőségek: hibák jellege, a hibajelentés módja, és a hiba fellépése esetén elvégzendő intézkedések fajtáji eszközről-eszközre változnak.

11 I/O szervezés lehetőségei I/O kezelési technikák Programozott I/O Megszakítás vezérelt I/O DMA alapú I/O Az I/O funkciók fejlődése A processzor direkt vezérli az eszközöket Kontroller (I/O modul) hardver hozzáadása Megszakítások kezelése (I/O modul) DMA megjelenése Az I/O modul egy programozható célprocesszorként jelenik meg. A központi CPU feladata a programkód megadása és a folyamat indítása (I/O csatorna) Az I/O processzor nem a központi memóriát használja, hanem dedikált memóriával rendelkezik

12 Operációs rendszer elvárások

13 Operációs rendszer elvárások Hatékonyság az I/O eszközök többsége a CPU-hoz képest lassú

14 Operációs rendszer elvárások Hatékonyság az I/O eszközök többsége a CPU-hoz képest lassú az I/O kezelő funkciókat úgy kell elkészíteni, hogy a lassú eszköz miatti várakozás során más folyamat futhasson ma már léteznek olyan gyors perifériák, amelyek kiszolgálása jelentős teljesítmény-optimalizálást igényel Általánosság: sokszínűségük ellenére egységes periféria-kezelési megoldás

15 Operációs rendszer elvárások Hatékonyság az I/O eszközök többsége a CPU-hoz képest lassú az I/O kezelő funkciókat úgy kell elkészíteni, hogy a lassú eszköz miatti várakozás során más folyamat futhasson ma már léteznek olyan gyors perifériák, amelyek kiszolgálása jelentős teljesítmény-optimalizálást igényel Általánosság: sokszínűségük ellenére egységes periféria-kezelési megoldás OS szintjén (belső struktúrák) folyamatok felé nyújtott interfészen (read, write, open, close, lock, unlock) keresztül megoldást a hierarchikus struktúrák alkalmazása jelenti

16 I/O funkciók logikai struktúrája Klasszikus megoldás: hierarchikus megközelítés, az egyes rétegek csak a saját feladatukért felelnek L o g i k a i I / O : á l t a l á n o s I / O f u n k c i ó k szolgáltatása a folyamatok felé Eszköz I/O: I/O kérések lefordítása eszköz specifikus parancs-szekvenciákra Ütemezés, vezérlés: I/O műveletek sorba állítása, ütemezés (pl. IRQ-k kezelése)

17

18 I/O Pufferelés Ha az eszközök közvetlenül csatoltak a folyamathoz, akkor: az érintett memória lapok nem lapozhatók a művelet befejeztéig a folyamatnak várnia kell (az adott terület nem módosítható) beviteli műveletek esetén csak az igény szerinti (ondemand) működés képzelhető el Pufferelés: egy kernel területén található átmeneti tár közbeiktatásával szétválasztjuk az eszközt és a folyamatot

19 Pufferelési módok Egyszeres puffer Dupla puffer Cirkuláris pufferek

20 Pufferelési módok Egyszeres puffer A műveletek egy kernel puffer- be/ből történnek. A kernel-user címtér utáni mozgatás után a puffer felszabadul (kezdődhet a következő művelet) A user címtér lapozható (de a memória menedzsment elbonyolódik) Dupla puffer Cirkuláris pufferek

21 Pufferelési módok Egyszeres puffer Dupla puffer Két puffert használunk, az egyiket az OS, a másikat a user folyamat fogja Két művelet történhet egy időben Gyorsabb, mint az egyszeres de bonyolultabb is Cirkuláris pufferek

22 Pufferelési módok Egyszeres puffer Dupla puffer Cirkuláris pufferek A dupla pufferelés továbbgondolása, a kernel n puffert rendel egy folyamathoz Bizonyos esetekben tovább gyorsít A megoldás a termelők-fogyasztók modellel írható le

23 Diszk I/O Probléma: diszk és CPU/Mem közötti sebesség különbség folyamatosan növekedett az elmúlt időben (és valószínűleg ez így is marad): diszkek több nagyságrenddel lassabbak a CPU-nál Mivel a leggyakoribb I/O művelet a diszkekkel kapcsolatos (fájl, VM) a diszkkezelés hatékonysága alapvető fontosságú az operációs rendszerek számára

24 Diszkek teljesítményének elemei Elemek Seek time: a fej mozgásának ideje (megfelelő track fölé) Forgási késleltetés: amíg a track-on belül a kívánt blokk befordul Átviteli idő: a konkért írás vagy olvasás A seek time és a forgási késleltetés összege adja az elérési időt. A fenti időkön túl még számolni kell: az eszközre való várakozás ideje I/O csatornára való várakozás ideje (ha az osztott)

25 Idők, értékek Seek time A fej mozgásához szükséges idő. Ez a mozgás nem teljesen lineáris. A mai kisebb diszkek esetén rövidebb, mint a régi nagyobb (pl. 14 inch) lemezeknél. Mai jellemző érték 4 10 ms. Forgási késleltetés A lemez forgási sebességétől függ Mai HDD-k esetén a és a közötti percenkénti fordulatszám a jellemző (a csak a low-end, hordozható eszközökben) 15k esetén egy teljes fordulat ideje 4ms, így az átlag 2ms! Átviteli idő: Szintén a fordulatszám függvénye. Egy track-en belül számítható: T = b/(rn) b: átviendő bájtok, r: forgási sebesség, N: track mérete (byte)

26 Játék a számokkal Példadiszk átlagos seek idő: 4ms fordulatszám: (full: 4 ms) szektorméret: 512 byte szektor/track: 500 (16 us) Feladat: 2500 szektor (1.28 MB beolvasása) Scenario 1: összefüggő elhelyezkedés 5 track 1. track: seek + forgás rekord olvasása = 10 ms track: 4x(forgás + olvasás) /no seek/ = 24 ms Összesen: 34 ms

27 Játék a számokkal Példadiszk átlagos seek idő: 4ms fordulatszám: (full: 4 ms) szektorméret: 512 byte szektor/track: 500 (16 us) Feladat: 2500 szektor (1.28 MB beolvasása) Scenario 2: véletlenszerű elhelyezkedés 2500 x (átlagos seek + átl. Forgás + olvasás) 2500 x (4m+2m+16u) = 14.6s! Összesen: 14.6 s

28 Játék a számokkal - tanulságok

29 Játék a számokkal - tanulságok 34 msec vs sec Fájlrendszereket célszerű úgy szervezni, hogy a fájlok elhelyezkedése ne legyen teljesen véletlenszerű!

30 Játék a számokkal - tanulságok 34 msec vs sec Fájlrendszereket célszerű úgy szervezni, hogy a fájlok elhelyezkedése ne legyen teljesen véletlenszerű! Multiprogramozott rendszerek esetén az egymástól független I/O műveletek esetén érdemes optimalizációt végezni!

31 SSD Új, ígéretes, drága, saját problémákkal Jellemzői (HDD-hez képest): Rendkívül rövid késleltetés (latency) Lassabb írás és olvasás Nagyon lassú törlés (kötelező) Wear-out egy adott terület csak véges számú alkalommal írható (kb írás) 23

32 SSD felépítés Forrás: 24

33 SSD teljesítmény (2007) Forrás: 25

34 Olvasási teljesítmény Forrás: SSD esetén a tulajdonképpeni olvasás lassabb, de a késleltetés nagyon kicsi! 26

35 Teljesítmény arányok (2007) Forrás: Írás esetén a törlést is figyelembe kell venni, ami rendkívüli mértékben visszafog! 27

36 Teljesítmény arányok (2007) Forrás: Írás esetén a törlést is figyelembe kell venni, ami rendkívüli mértékben visszafog! 27

37 Teljesítmény arányok (2007) Forrás: Írás esetén a törlést is figyelembe kell venni, ami rendkívüli mértékben visszafog! 27

38 Mit jelent ez? SSD hatékony használata új megoldásokat kíván a hagyományos diszkekhez képest Flash specifikus fájlrendszerek Speciális Flash driver-ek 28

39 Hol használjuk (jelenleg)? Hordozható fogyasztói eszközök (pl. kamerák) Laptop HDD-k Gyorsító megoldás adatbázis rendszerekben és enterprise kategóriájú rendszerekben (pl. Sun 7xxx sorozatú Unified Storage rendszerek) 29

40 A következő diákon tárgyaltak alapvetően a hagyományos merevlemezekre igazak! 30

41 Diszk ütemezés diszk kérések hatékony kiszolgálása (multiprg. rendszerekben) Tökéletes megoldás nincs Algoritmusok FIFO Prioritásos LIFO SSTF Scan (és változatai)

42 Diszk ütemezési algoritmusok FIFO: kiszolgálás a beérkezés sorrendjében. Korrekt ütemezés, kevés számú folyamatnál hatékony is lehet Sok folyamatnál hatékonysága drasztikusan romlik Prioritásos: mindig a legnagyobb prioritású kérést Kiéheztetés lehetséges LIFO: Mindig a legfrissebb kérést szolgálja ki Filozófiája lényege, hogy az utolsó kérés az előző közelében lehet így gyorsan kiszolgálható Sok folyamatnál ez nem feltétlenül igaz Kiéheztetés lehetséges SSTF: mindig a legrövidebb kiszolgálási időt igénylő (legkisebb fejmozgás) tartozó kérést szolgálja ki A megoldás nem garantálja, a fejmozgások globális minimumát Kiéheztetés lehetséges

43 Folytatás, SCAN verziók Scan: Cél a hatékonyság növelése a a kiéheztetést elkerülése mellett (ezt eddig csak a FIFO oldotta meg) A fej fel-le mozog, és minden útjába akadó kérést kiszolgál. középső részeket favorizálja tömeges kérésekkel leragasztható C-Scan: mindig csak egy irányba megy, a Scan első problémáját megoldja N-step-Scan: a diszk sort N nagyságú részekre osztja, egyszerre csak egy N-est dolgoz fel FSCAN: két sor van. Amíg az egyikből dolgozik, a kérések a másikba gyűlnek e két megoldás a leragadást oldja meg

44 Név Leírás Megjegyzés A kiválasztás a művelet igénylőjétől függ FIFO FIFO elv A legkorrektebb Prioritásos A folyamat prioritása alapján Független a diszk ütemezőtől LIFO LIFO A lokalitás maximalizálja A kiválasztás a kért elemek függvénye SSTF Shortest Service Time First Magas kihasználtság SCAN Felvonóként Korrekt, de gyengékkel CSCAN Egyirányú gyűjtőlift Megjósolhatóbb szolgáltatás N-Step-SCAN Fix számú rekordot dolgoz fel Garantált szolgáltatás FSCAN Változó rekordszám Érzékeny a terhelésre

45 RAID Diszk (másodlagos tároló) problémák Teljesítményük növekedési rátája szignifikánsabban alacsonyabb a CPU növekedésnél a tárolt adatok fontossága miatt a nagy kapacitású diszkek hibája egyre nagyobb üzleti kockázattal járt A nagy kapacitású diszkek sem eléggé nagyok RAID koncepciója: nagy kapacitású és teljesítményű drága diszkek helyett kisebb (olcsóbb) diszkeket használva érjük el célunkat, azaz: Kapacitás növelése Teljesítmény növelése Megbízhatóság növelése

46 RAID Az elnevezés a Berkley egyetem kutatóitól származik (1988) akkor ők ezt a Redundant array of Inexpensive Disks szavakból állították össze. A névben később az Inexpensive szó Independent -re változott Dióhéjban: úgy kapcsolunk össze több diszket, hogy az operációs rendszer számára egy diszknek látszanak az adatot szétosztjuk a diszkek között, a diszk hibák ellen paritás információ tárolásával védekezzünk (ezt két megoldás nem elégíti ki) A szabvány 5+1 szintet definiál a +1 nem redundáns és 3 terjedt el különböző gyártók további szinteket is definiálnak szint-kombinációkat is alkalmazunk A különböző megoldások a szükséges tárolóterület overhead-ben, a megoldás teljesítményigényében és a biztonság szintjében térnek el

47 RAID szintek RAID-0 (striping) Redundancia nélküli megoldás RAID-1 (tükrözés) Adatduplikáláson alapul (nem paritás alapú) RAID-2 Speciális, Hamming kód alapú Gyakorlatilag kihalt RAID-3 Kizáró vagy műveletre épít, egy blokk az összes diszkre szét van osztva Erős hardver támogatást igényel! RAID-4 Kizáró vagy műveletre épít, egy blokk csak egy diszken található Dedikált paritás diszket használ RAID-5 Hasonló a RAID-4 megoldáshoz, de itt a paritás is szét van osztva a diszkek között

48 RAID háttér információk A diszkek átviteli jellemzőjének tényezői a mechanikai működésből adódó késleltetés az adatátvitel végrehajtásának teljesítménye (átviteli sebesség) A terhelés jellege Kevés számú, kis párhuzamosságú, de nagy mennyiségű adatot mozgató terhelése (pl. kötegelt feldolgozás) Nagy számú, magas párhuzamosságú, de kicsi adatmennyiséget érintő terhelés (tranzakciós rendszerek) Kapcsolat a fentiek között Nagy mennyiségű adatot mozgató terhelésnél az adatátvitel teljesítménye domináns Nagy tranzakciószámnál a késleltetések sokkal fontosabbak

49 RAID háttér információk Olvasás és írás műveletek különbsége redundáns tároláskor olvasáskor csak annyi adatot kell beolvasni, ami elegendő a kért adatblokk biztosításához íráskor az adatblokkhoz tartozó összes részt aktualizálni kell Vizsgáljuk Tárolás módja Viselkedés íráskor és olvasáskor Példák Diszkek száma: N Egy diszk átviteli sebessége: T

50 RAID-0 Tárolás módja Nagyméretű csíkok, egy blokk egyetlen diszken tárolódik. Redundancia nincs a rendszerben. Hasznos terület: N. Olvasás Egy időben ~N független olvasási tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség: T Hiba esetén: működésképtelen! Írás Egy időben ~N független írása tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség: T Hiba esetén: működésképtelen!

51 RAID-1 Tárolás módja Nagyméretű csíkok, egy blokk egyetlen diszken tárolódik. A redundanciát a teljes adat duplikálása eredményezi. Tipikusan N=2, hasznos terület: N/2. Olvasás Egy időben ~N független olvasási tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség: T Hiba esetén: egy időben ~(N-1) független olvasási tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség: T Írás Egy időben 1 írási tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség: =< T Hiba esetén: Egy időben 1 írási tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség: =< T

52 RAID-3 Tárolás módja Byte szintű csíkok, a blokkok az összes diszkre szét vannak osztva. Byte szintű paritás képzés XOR művelettel történik, a megoldás dedikált paritás diszket használ. N>2, hasznos terület: N-1. Olvasás Egy időben 1 olvasási tranzakció szolgálható ki Tranzakciónkénti átviteli sebesség: (N-1)*T Hiba esetén: egy időben 1 olvasási tranzakció szolgálható ki Tranzakciónkénti átviteli sebesség: < (N-1)*T (számolni kell) Írás Egy időben 1 írási tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség: <= (N-1)*T (számolni is kell) Hiba esetén: egy időben 1 írási tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség: <= (N-1)*T (számolni is kell)

53 RAID-4 Tárolás módja Nagyméretű csíkok, egy blokk egyetlen diszken tárolódik. Blokk szintű paritás képzés XOR művelettel történik, a megoldás dedikált paritás diszket használ. N>2, hasznos terület: N-1. Olvasás Egy időben (N-1) független olvasási tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség: T Hiba esetén: az olvasási tranzakciók száma akár egyre is lecsökkenhet, mert a hibás diszkeken található adatok előállításához az összes többi diszkblokk adata szükséges! Írás Egy időben 1 írási tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség << T. Egy blokk kiírása után a teljes sor paritását újra kell számolni Hiba esetén: 1 írási tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség << T

54 RAID-4 Tárolás módja Nagyméretű csíkok, egy blokk egyetlen diszken tárolódik. Blokk szintű paritás képzés XOR művelettel történik, a megoldás dedikált paritás diszket használ. N>2, hasznos terület: N-1. Olvasás Egy időben (N-1) független olvasási tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség: T Hiba esetén: az olvasási tranzakciók száma akár egyre is lecsökkenhet, mert a hibás diszkeken található adatok előállításához az összes többi diszkblokk adata szükséges! Írás Egy időben 1 írási tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség << T. Egy blokk kiírása után a teljes sor paritását újra kell számolni Hiba esetén: 1 írási tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség << T

55 RAID-5 Tárolás módja Nagyméretű csíkok, egy blokk egyetlen diszken tárolódik. Blokk szintű paritás képzés XOR művelettel történik, a paritás blokkok is szét vannak osztva a diszkek között. N>2, hasznos terület: N-1. Olvasás Egy időben (N-1)...(N) független olvasási tranzakció Tranzakciónkénti átviteli sebesség: T Hiba esetén: az olvasási tranzakciók száma akár egyre is lecsökkenhet, mert a hibás diszkeken található adatok előállításához az összes többi diszkblokk adata szükséges! Írás Egy időben 1 írási tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség << T Hiba esetén: 1 írási tranzakció szolgálható ki. Tranzakciónkénti átviteli sebesség << T

56 További RAID szintek Raid-6 Két paritás blokk használatával (n+2 konfig) nagyobb hibatűrést biztosít Az írás során jelentős overhead Nem igazán terjedt el Raid-S EMC Symmetrix diszktömbökben használt technológia. Raid-5 szerű, de speciális, teljesítményt növelő eljárásokat alkalmaz Kombinált Raid: 1+0 és : összetükrözi a stripe-ot 1+0: tükröket stripe-ol

57 Diszk cache Gyorsítótár, a gyorsítótáraknál korábban megismert célokkal és problémákkal Gyorsítótár: központi memória (drágább, kisebb kapacitású, de gyorsabb, mint a merevlemez) Algoritmusok: gyorsítótár lehető legoptimálisabb használata

58 Diszk cache tervezési kérdések Gyorsítás iránya Csak olvasáskor (write through) Mindkét irányban (write back) Memória felhasználás módja Fix (előre meghatározott) Dinamikus (terheléstől függő) Adat átadás a cache-területről (olvasáskor) Másolás a felhasználói címtérbe Osztott memória használata Blokkcsere algoritmusa LRU (least recently used) LFU (least frequently used) Frequency-based

59 Fájlok, fájlrendszerek Felhasználói szempontból az operációs rendszer (egyik) legfontosabb része Ezzel közvetlen találkozik A fájlok tárolása, hozzáférés alapvető Teljesítmény szempontból kritikus

60 Alapvető elvárások Hosszú távú tárolás A fájlokat másodlagos tárolón (tipikusan merevlemezen) tároljuk A fájlok tartalma a felhasználó kilépése, a gép kikapcsolását követően is megmarad Megoszthatóság Ugyanazt azt az adathalmazt több program is elérhesse a fájlok egyértelmű azonosítása alapvető Amennyiben igényelt, a fájlokat több felhasználó is elérhesse Strukturáltság A fájlok tartalmát (adatokat) jól ismert struktúrába kell szervezni A fájlok között is célszerű struktúrát definiálni (sok fájl, átláthatóság)

61 Tipikus fájl műveletek Általános modell Létrehozás Törlés Megnyitás Lezárás Olvasás Írás Az egyes konkrét implementációk további műveleteket is definiálhatnak

62 Fájl struktúrák Struktúra-elemek Mező, alapelem Rekord, összetartozó mezők gyűjteménye Fájl, összetartozó rekordok Adatbázis, összetartozó fájlok Mai rendszerekben a struktúra meglehetősen egyszerű, az összetett(ebb) adatstruktúrák kezelését alkalmazás szintű komponensekre bízzák

63 Fájl menedzsment rendszer elvárások Felhasználók (és alkalmazások) adattárolási, adatkezelési igényeinek kielégítése Tárolt adatok validitásának biztosítása Teljesítmény optimalizálás rendszer (globális) és felhasználói szempontból egyaránt Különféle tároló eszközök támogatása Adatvesztés kockázatának minimalizálása Szabványos (programozói) interfész biztosítása Többfelhasználós működés támogatása

64 Másodlagos tároló menedzsment tervezési tere Fájl foglalása Előzetes foglalás: a létrehozáskor lefoglaljuk (fix méret) Dinamikus foglalás Foglalási egység változó hosszú, összefüggő: nagyon jó teljesítmény, módosítás és felszabadítás problémás blokk alapú: fix méretű (kicsi) blokkokból foglalunk. Bonyolultabb nyilvántartás, rosszabb teljesítmény viszont könnyen módosítható és újrahasználható Fájl foglalási módszerek (blokkos) Folyamatos foglalás Láncolt foglalás (minden blokk külön) Indexelt foglalás (minden blokk külön) Szabad hely nyilvántartása Bit tábla használata Láncolás Indexelés Szabad blokkok listája (külön területen, a diszken tárolva)

65 Fájlrendszer architektúra

66 Rétegek Device driver: kommunikáció a különféle hardver elemekkel (eszközfüggő) Basic FS (physical I/O): alacsony (blokk) szintű műveletek Basic I/O supervisor: I/O sorbaállítás, ütemezés Logical I/O: magas szintű file műveletek File szervezés: NEM Unix/Win világban Pile ( struktúrálatlan, ahogy jön) Szekvenciális (rekord alapú) Indexelt szekvenciális (rekord alapú) Indexelt (rekord alapú) Direct (hash) fájlok (rekord alapú)

67 Unix I/O (klasszikus) Hozzáférés fájl-interfészen keresztül Kétféle eszköz Blokkos Karakteres Eredeti buffer cache fix

68 I/O eszközök a fájlrendszerben Kernel tábla hivatkozások az i-node táblában Major és minor numberek (eszköz, példány)

69 I/O eszközök a fájlrendszerben Kernel tábla hivatkozások az i-node táblában Major és minor numberek (eszköz, példány) drwx bzso bzso 544 Mar 24 22:48 Documents drwx bzso bzso 1190 Apr 3 18:24 Library -rwxr-xr-x 1 bzso bzso Nov 1 00:46 Google Earth -rwxr-xr-x 1 bzso bzso Nov 1 01:02 Google Earth Launcher

70 I/O eszközök a fájlrendszerben Kernel tábla hivatkozások az i-node táblában Major és minor numberek (eszköz, példány) drwx bzso bzso 544 Mar 24 22:48 Documents drwx bzso bzso 1190 Apr 3 18:24 Library -rwxr-xr-x 1 bzso bzso Nov 1 00:46 Google Earth -rwxr-xr-x 1 bzso bzso Nov 1 01:02 Google Earth Launcher crw-rw-rw- 1 root wheel crw-rw-rw- 1 root wheel crw-rw-rw- 1 root wheel 10, 6 Apr 18 23:20 tty.bluetooth-modem 10, 2 Apr 18 23:20 tty.bluetooth-pda-sync 10, 4 Apr 18 23:20 tty.hermione-dial-upnetwork-2 brw-r root operator 14, 0 Apr 18 23:19 disk0 brw-r root operator 14, 1 Apr 18 23:19 disk0s1 crw-rw-rw- 1 root wheel crw-rw-rw- 1 root wheel crw-rw-rw- 1 root wheel 3, 2 Apr 19 00:20 /dev/null 3, 3 Apr 18 23:19 /dev/zero 8, 1 Apr 18 23:19 /dev/urandom

71 Unix I/O Klasszikus: statikus táblázatok Új hardver illesztéséhez új kernel kell (a meghajtó programok statikusan betöltve) Sok esetben előre belepakoltak minden drivert a kernelbe Modern: dinamikus kernelek A különféle meghajtó programok futási időben is betölthetők (igény szerint) Függőségek! Lényegesen rugalmasabb és erőforrás takarékosabb működés de a kernel sokkal bonyolultabb lesz

72 A közelmúlt (90-es évek) Unix fájlrendszerei Főbb mozzanatok Fájlrendszer interfész és keretrendszer változásai, több fájlrendszer egyidejű támogatása Többféle fájlrendszer megjelenése Szolgáltatások (pl. hosszú fájlnevek) Méret (fájlrendszer, fájlok) Teljesítmény Megbízhatóság Speciális funkciók (pl. tmp terület)

73 Fájlrendszer keretek Fájlrendszer interfész (amely meghatározza az alapvető /rendszerközeli kódból hívható/ műveleteket) hosszú ideje viszonylag stabilnak tekinthető Újabb funkciók megjelentek, de cél volt a kompatibilitás megőrzése A fájl keretrendszer az idők során jelentősen átalakult Leglátványosabb: több fájlrendszer támogatása Megoldás: vnode/vfs interfész

74 Több fájlrendszer a kezdetek Többféle fájlrendszer használatának igényére nem volt megoldás (a kernel csak egyet támogatott) s5fs és/vagy FFS DOS (pl. Floppy-k) Speciális fájlrendszerek Az 1980-as években a kommunikációs hálózatok elterjedésével a fájlmegosztás igénye is előtérbe került, egyebek mellett a transzparens hozzáférést kínáló Sun által fejlesztett NFS NFS használata esetén a felhasználó ugyanolyan módon láthatja a helyi fájlokat, mint a távoli gépen lévőket Az NFS megoldáshoz a Sun teljesen átalakította a fájl keretrendszert, később a megoldás (vnode/vfs) de facto szabvány lett (az SVR4 részévé is vált) Az NFS is az

75 A vnode/vfs architektúra Tervezési szempontok Többféle fájlrendszer egyidejű (Unix és nem Unix pl. MS-DOS) támogatása Különféle fájlrendszereket tartalmazó diszk partíciók csatolása (mount) után létrejövő kép konzisztens, a felhasználónak nem kell törődnie a különféle fájlrendszerek sajátosságaival Fájlok (távoli) megosztásának támogatása Saját fájlrendszerek típusok létrehozásának lehetősége

76 vnode/vfs koncepció Objektum szemléletű megközelítés: Vnode: a fájlok absztrakciója, a Vfs: pedig fájlrendszeré a Unix kernelben Absztrakt alaposztályok, minden tényleges fájlrendszer-implementáció ősei Az osztályok adatelemei és metódusai virtualizáltak, a funkciók két szintre oszthatók alacsony szintű funkciók (pl. open, read) ezeket egyes fájlrendszer-implementációk implementálnak magas szintű utility funkciók alacsony szintű funkcióra épülő funkciók, ezeket tipikusan a kernel egyéb részei használják

77 Fájlrendszer Implementációs elvárások Minden művelet végrehajtása a hívó folyamat nevében történik, a végrehajtás alatt a hívó blokkolódik/hat Bizonyos műveletek kizárólagos fájl hozzáférést igényelnek ezek struktúrák zárolását igényelhetik Az interfésznek állapotmentensnek kell lennie, globális változókra nem támaszkodhat Reentráns interfész szükséges, ez tiltja a globális változók használatát Globális erőforrások (pl. buffer cache) használata megengedett Támogatnia kell a távoli fájlelérést szerver oldalát Fix méretű, statikus táblák használata nem lehetséges

78 Fájlrendszerek SVR4 rendszerben támogatott fájlrendszerek System V FS (s5fs) az eredeti Unix fájlrendszer Berkeley Fast Filesystem (FFS, most ufs) Veritas Journaling Filesystem (VxFS) Eszközmeghajtók fájlrendszere, specfs Hálózati fájlrendszer, NFS Process fájlrendszer, /proc Boot fájlrendszer, bfs További implemetációk MS-DOS FAT (pl. Solaris esetén) CD (pl. ISO 9660), DVD támogatás

79 Az s5fs A fájlrendszer egyetlen diszk partíciót foglal el, használatához más információ nem kell A partíció logikailag blokkok lineáris tömbjének tekinthető A blokkok mérete 512 szorzata 2 egész számú hatványával A diszk műveletek előtt a blokkok címét át kell fordítani a lemez fizikai címadataira A partíció négy részből áll Boot terület Szuper blokk i-node lista adatterület

80 Fájlok tárolása Kb. fa struktúrájú szervezés, a struktúrát a könyvtár fájlok írják le. Felépítés: Fájl neve 14 karakteren i-node szám, 2 bájton (0 érték foglalt, törölt fájlt jelöl) A. és.. minden könyvtárban kötelező, root könyvtár i-node értéke: 2 Index node fájl adatait tárolja (kivétel név) Fájl elhelyezkedésének magadása: indexelt, 13 bejegyzés, ebből 3 indirekt Lyukak támogatása fájlokban (ilyenkor a blokkcím 0) Másoláskor gond lehet

81 Szuperblokk A fájlrendszer metaadatait tartalmazza Minden fájlrendszer tartalmaz egy ilyen blokkot Csatoláskor a kernel memóriába tölti, leválasztásig ott is marad Szuperblokkban tárolt adatok Fájlrendszer mérete (blokkok) I-node lista mérete (blokkok) Szabad blokkok és i-node bejegyzések száma Szabad blokkok listája Szabad I-node bejegyzések listája

82 Szuperblokk, folyt. Szabad i-node blokkok nyilvántartása Csak részleges lista van a szuperblokkban Ha elfogy, a rendszer szabad blokkokat keres a diszken Szabad diszk blokkok nyilvántartása Az összes szabad blokkot nyilván kell tartani Teljes lista szuperblokk-ban tartása nem lehetséges A szuperblokkban csak a lista eleje van, a többi tárolása adatblokkokban történik Minél jobban telített a diszk, annál kisebb ez a lista!

83 Cache Korai megoldásokban különálló buffer cache SVR4 esetén a fájlkezelés a virtuális memóriakezeléssel integrált Olvasási művelet (példa) Blokk diszk-beli címének meghatározása Lap foglalás kernelben, megadva az előbb kiszámolt cím Lap másolása felhasználói térbe laphiba, adatterület beolvasása Az írás is virtuális memórián át történik, de: A fájl mérete változhat Ha nem teljes blokkot ír, akkor visszaíráskor szükség van a diszken található adatokra is

84 A fájlrendszer értékelése Egyszerűsége kiemelkedő, de problémák több területen is jelentkeznek: Megbízhatóság Teljesítmény Szolgáltatások A szuperblokk sérülése a teljes fájlrendszert tönkreteszi Teljesítmény szempontjából kritikus a teljes i-node tábla partíció elején való elhelyezése Az i-node foglalás véletlenszerű, nem ügyel kapcsolatokra (pl. egy könyvtár fájljai) A fájlrendszer létrehozásakor a szabad blokkok listája optimális (a diszk műveletekre nézve), később azonban ezzel nem foglalkozik A diszk blokkok mérete szintén nem optimális (nagyobb méret, kevesebb művelet jobb teljesítmény, de sok pazarlás) A 14 karakteres fájlnév komoly funkcionális korlát

85 Berkeley FFS Az FFS célja az s5fs korlátainak túllépése volt Teljesítmény-növelés Bár a fájlrendszer továbbra is blokkok tömbjének tekinthető, a műveleteknél figyelembe veszi a diszkek forgási késleltetését A fejmozgások csökkentése érdekében a partíciót tovább osztjuk, ún. cilinder csoportokat hozunk létre Cél az összetartozó adatok egy cilinder-csoportban tartása A szuperblokk adatainak egy része is a cilinder-csoportokba vándorol Biztonság növelés érdekében a szuperblokk több példányban elszórtan tárolódott A helykihasználás javítása (és a teljesítmény növelése) miatt a (s5fs-nél nagyobb méretű) blokkokat oszthatóvá tették

86 Fájlfoglalási politika Fájlfoglalás optimalizálása cilinder-csoportokon keresztül Egy könyvtár fájljai egy csoportba kerülnek (lokalitás, gyors könyvtárműveletek) Új alkönyvtárat eltérő csoportba helyezi A fájl blokkokat egy csoportba helyezi az i-node blokkal A nagy fájlokat szétkeni a blokkok között Szekvenciális blokkok elhelyezése a diszk forgás függvényében (késleltetések) Az optimális működéshez legalább 10% szabad diszk terület szükséges!

87 Új szolgáltatások Hosszú fájlnevek (255 karakter) Tárolás változó hosszon a könyvtár fájlokban (a fix 255 hossz túlzás lenne) Szimbolikus linkek Stb.

88 Blokkok osztása A n a g y ( o b b ) b l o k k m é r e t j ó t t e s z a teljesítménynek, de helyet fecsérelhet 1 transzfer alatt átvihető adatmennyiség Az FFS egy fájlrendszeren belül csak egyféle blokkméretet támogat (ez általános) A blokkméret 2 hatványa, legalább 4096 byte Ezzel a mérettel már elég a kétszeres indirekció Kis fájlok miatt az FFS támogatja blokk töredékek használatát Csak a fájl utolsó blokkja lehet töredéken, a többi csak teljes blokkot foglalhat (emiatt néha mozgatni is kell)

89 Értékelés S5fs-hez képes jelentős teljesítmény növekedés 1983: olvasás ~8x, írás ~3x Fájlrendszer kihasználási hatékonyság hasonló Több tényező, kiegyenlítik egymást Mai diszkek esetén a sávonkénti blokkok száma eltérő, így az FFS elhelyezési politikája többékevésbé elévült Összességében az FFS jelentős előrelépés a s5fs-hez képest, azonban innen van még hova fejlődni

90 Speciális fájlrendszerek, tmpfs Átmeneti adattárolás (tmp terület) Sok alkalmazás intenzíven használ átmeneti fájlokat a teljesítmény fontos, a hosszú távú megőrzés szükségtelen Sokáig az ún. RAM diszkek használata volt a tipikus, ez viszont a központi memóriát statikusan foglalja A különféle speciális fájlrendszer megoldások (pl. Berkeley mfs, Sun tmpfs) dinamikusan használják a (virtuális) memóriát a tmpfs akár nagyobb is lehet, mint a fizikai memória a két megoldás közül a tmpfs a fejlettebb

91 Speciális fájlrendszerek, procfs Cél hatékony és elegáns hozzáférés biztosítása a folyamat-adatokhoz (kernel adatok) A folyamatok adatait fájlok reprezentálják, hozzáférés egyszerű fájl I/O műveletekkel Az adathozzáférés (pl. státusz, creditentals, címtér) mellett (olvasás, esetenként írás) vezérlés is lehetséges (stop, resume, signal)

92 Tradicionális fájlrendszerek korlátai Teljesítmény Még az FFS sávszélessége is jelentősen elmarad a diszk potenciális sávszélességétől Összeomlás esetén A cache miatt adat és metaadat is elveszhet, helyreállás során hosszadalmas konzisztencia ellenőrzés (fsck) szükséges Minél nagyobb a diszk, annál tovább tart Biztonság A klasszikus Unix hozzáférés kontroll sokszor nem elég finom, ACL-re lenne szükség Méretek A 32 bit korlátjai

93 Naplózás (journaling) Alapkoncepció (jelentősen leegyszerűsítve) Minden változást feljegyzünk egy szekvenciális fájlba (is) Hiba esetén csak a fájlt kell ellenőrizni (végrehajtatlan tranzakciókat keresve) Megvalósítás Jelentős számú tervezési kérdés Valós referenciák (pl. már a standard Solaris fájlrendszernek is része a naplózási opció)

94 Tervezési kérdések Naplózás köre: mindent v. metaadat változások Műveletek vagy értékek naplózása A napló kiegészíti vagy kiváltja a fájlrendszert Redo vagy undo-redo logok Szemétgyűjtés (naplófájl nem használt részei) Írási szemcsézettség (egyedi, csoport) Adatvisszanyerés teljesítménye (főleg a kiváltó megoldásoknál)