IO设备、磁盘和RAID

I/O设备

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分层架构：物理布局及造价成本。如外设I/O总线便宜，可以连接大量设备。

设备与协议

一个标准设备包含两部分：向系统或者其他部分展现的硬件接口，和内部结构。

简化的设备接口包含三个寄存器：

  • 状态寄存器：读取并查看设备当前状态。
  • 命令寄存器：通知设备执行某个具体任务。
  • 数据寄存器：收或发数据。

操作系统与该设备的交互：轮询设备（status），不忙了写入数据（data），OS将命令写入命令寄存器（command），设备知道数据准备好了，执行命令，OS轮询设备（status）是否完成命令。

中断

轮询太低效，可以用中断减少CPU开销，操作磁盘的时候CPU可以运行别的进程。有些情况，如与CPU进行交互的设备很快，那么还是轮询效率高。混合策略：先轮询一段时间，设备没有完成工作再中断。

还有一个最好不要使用中断的场景就是网络：网络收到大量数据包，都中断的话，可能会发生活锁（忙着切换上下文了，无具体响应）。

有一个基于中断的优化是设备抛出中断前等待一段时间，其他请求可能完成，多次中断就可以合并为一次中断，等待时间需要权衡。

DMA

Direct Memory Access。协调完成内存和设备之间的数据传递，NO CPU。因为内存与磁盘的数据传递功能比较单一，又一直要用到，占用CPU属于杀鸡用牛刀，所以可以用一个DMA单元完成。

磁盘驱动器

大致形状（盘片上面涂上薄薄的磁性层，可永久存储数据位）：

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驱动器由大量扇区组成，每个扇区可能是512KB，可以多扇区操作，但是只保证每个扇区的写入是原子的。

$ fdisk -l
Disk /dev/vda: 53.7 GB, 53687091200 bytes, 104857600 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes

这个图还挺清晰的，旋转速率典型值：7200 ~ 15000 RPM，一个同心圆称为磁道（track），数百个磁道只有头发的宽度。磁头读取数据或者改变数据，可以寻道（seek）。

磁道偏斜：给寻道反应时间，如下图：

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磁盘驱动器缓存，一般8MB或者16MB，写入策略两个选择：写到内存算写入还是磁盘算写入。

随机读取很慢，顺序读取还可以，如两个磁盘例子：

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磁盘调度

磁盘请求需要的时间是可以猜测的，SJF（shortest job first）。

最短寻道优先（Shortest Seek Time First）。

SCAN。跨越磁道来回扫描。

SPTF（Shortest Positioning Time First）。最短定位时间优先。

现代操作系统，调度程序通常会选择它认为最好的几个请求（如 16），将它们全部发送到磁盘。磁盘利用其磁头位置和详细的磁道布局信息等内部知识，以最佳可能（SPTF）顺序服务于这些请求。

I/O合并，减少了发送到磁盘的请求。

RAID

廉价冗余磁盘阵列（Redundant Array of Inexpensive Disks），使用多个磁盘一起构建更大，更快，更可靠的磁盘系统。硬件RAID像一个计算机系统，专门管理一组磁盘，内部由多个磁盘、内存以及处理器组成。可靠，快速（并行多个磁盘）。

透明支持部署：原来用磁盘怎么用，用RAID还怎么用，对外部来说不必改变什么，不用担心兼容问题。

故障模型，如故障-停止故障模型“

  • 磁盘状态：正常或故障（认为永久丢失）
  • 假定：故障容易检查到

评估RAID

  • 容量，没有冗余，N，保存副本的话，N/2，一般方案容量介于这之间。
  • 可靠性
  • 性能

RAID 0级：条带化

无冗余。

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通过轮转的方式将磁盘阵列的块分布在磁盘上：如访问连续数组，这种方法能获取最大的并行性。

一行的块称为条带，如0、1、2、3。

这个块也可以不止一个。

容量N个磁盘就有N个磁盘的有用容量，可靠性没有，丢了就丢了，性能很好，可以并行使用所有磁盘。

RAID 1级：镜像

每个块，不同磁盘上保留多个副本（解决可靠性问题）。

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读一个块的数据可以从任一副本，写都要写，写入可以并行进行。

镜像级别为2情况下容量N/2，成本高，可靠性容许任一磁盘故障，性能比单个磁盘略差。

RAID一致更新问题。掉电了，两个磁盘上同一个副本内容不一样。一般方法，使用预写日志，先记录接下来的操作，崩溃之后运行恢复进程，没做完重新执行。大多数RAID包含少量非易失RAM，用于执行这个。

顺序读取也只有一半的带宽，因为磁盘0和磁盘1必然有一个跳过块2，其他也一样，而跳过不读也是要耗费旋转时间的。

RAID 4级：通过奇偶校验节省空间

镜像容量至少少一半。奇偶校验牺牲性能减少容量使用。P为奇偶校验：

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如校验是异或函数：

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一块磁盘故障了，可以从P磁盘恢复。

通过这种方式，容许一个磁盘故障，包括P磁盘，重新生成就好了。

P需要实时更新：

  • 加法奇偶校验：更新一个磁盘的块时，先读取所有其他块的数据，然后并行写入数据和校验数据。
  • 减法奇偶校验：更新一个磁盘的块时，先读这个块的老数据，和P的老数据，如果新数据和这个块的老数据不同，就翻转P的校验位。

小写入问题：磁盘可以并行写入，但是P校验磁盘还是串行的。（大块数据可能位于同一行上，同一个P块。）

RAID 5级：旋转奇偶校验

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奇偶校验块跨驱动器旋转。

随机写入性能比4显著提高，其他与4基本相同，基本替代了RAID 4。

归纳

  • 性能，不关心可靠性：条带
  • 随机I/O性能和可靠性：镜像，代价容量下降
  • 容量和可靠性：旋转奇偶校验

参考

OSTEP