TI2 Übung 7. Festplatten und Dateisysteme. 8. Februar 2005 (WS 2004) Andreas I. Schmied Universität Ulm Fakultät für Informatik

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1 Universität Ulm Fakultät für Informatik Abteilung Verteilte Systeme Projektgruppe AspectIX TI2 Übung 7 Festplatten und Dateisysteme 8. Februar 2005 (WS 2004) Andreas I. Schmied (schmied@inf...)

2 1 Festplatten Festplatten Komponenten Arme mit Schreib/Lesekopf an Aktuator Platten an Rotor Logik zum Anschluss, Caching, Fehlerkorrektur,... übliche/aktuelle Größenordnungen Durchmesser 1, 2.5, 3.5,... Zoll Speicherdichte ~ 100 Gbit/cm 2 Rotation ~ U/min Seek Time ~ 3-10 ms Transferrate ~ Mbit/s Puffer ~ 512kB-16MB Autopark Arm wird bei Ruhe an Halteposition verschoben, u.a. damit Köpfe durch Vibration nicht auf Platte aufsetzen Copyright 2005, Andreas I. Schmied, Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm 2/16

3 1 Festplatten Adressierung der Datenblöcke Logical Block Address (LBA, heute üblich) Cylinder, Head, Sector (CHS, klassisch) früher war HW-Formatierung möglich mit bel. Sektorlayout (nicht Dateisystem-Formatierung!) heute: 512 Byte Nutzdaten pro Sektor, Zone Bit Recording, Bad-Sector-Mapping, CHS-Translation Von welchen drei Größen hängt allgemein die Zeit zum Lesen eines Sektors auf einer Festplatte ab? Rotationsgeschwindikeit Aktuatorgeschwindigkeit bzw. Distanz aktuelle vs. angeforderte Spur Transfergeschwindigkeit auf dem Bus Wieso sollte der Pufferspeicher in einem Festplattenkontroller mindestens alle Sektoren einer Spur puffern können? wenn gerade Sektor k+1 erfasst wird, aber Sektor k gelesen werden soll, müssen beim Umlauf zurück zu k vorerst n-1 Sektoren nutzlos gelesen werden, dürften aber mit hoher Wahrscheinlichkeit nach k gebraucht werden Copyright 2005, Andreas I. Schmied, Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm 3/16

4 1 Festplatten Welches Problem wirft die Verwendung eines DMA-Controllers im Zusammenspiel mit Caching auf? Seiten müssen fixiert werden, damit sie nicht über MMU/FaultHandler ausgelagert werden, während der Controller darauf zugreift Copyright 2005, Andreas I. Schmied, Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm 4/16

5 1.1 Festplatten Optimierung der Kopfbewegung Optimierung der Kopfbewegung Aufgabe: Zeichnen Sie die Spur des Kopfes in der Zeit von 0ms bis 3,4ms ein Der Kopf benötigt k/2 µs, um von einer Spur n zur Spur n+k zu gelangen. Tragen Sie die Spuren der Strategien SSTF (Shortest Seek Time First) und SCAN (Fahrstuhl) jeweils in ein Diagramm ein (Skala dy=200 Spuren auf dx=100µs) Datenspuren werden von unterschiedlichen Prozessen zu folgenden Zeiten angefordert Spur ms Der Kopf steht zu Beginn auf Spur 1000, Lesen benötige keine Zeit Während der Positionierung werden Anfragen angenommen, können aber nicht sofort ausgeführt werden Copyright 2005, Andreas I. Schmied, Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm 5/16

6 1.1 Festplatten Optimierung der Kopfbewegung Lösung Copyright 2005, Andreas I. Schmied, Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm 6/16

7 1.2 Festplatten RAID RAID Redundant Array of Independent/Inexpensive Disks Plattenanschluss intern ATA oder SCSI Rechnerkopplung überwiegend SCSI Software-RAID Konzepte: RAID-Levels für Striping (0) Mirroring (1) Parity (4, inkl. Striping) Striped Parity (5) manchmal JBOD (Just a Bunch Of Disks) oft zusätzliche Spare-Platten, Hot-Swap Copyright 2005, Andreas I. Schmied, Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm 7/16

8 2 Dateisysteme Dateisysteme Welchen Zweck verfolgt man mit der Partitionierung einer Festplatte Aufteilung in logische Medien, ggf. mit unterschiedlichen Dateisystemen bzw. Parametrierungen (Read-Only, Backup-Strategie, /tmp, /var) Auswirkung der Wahl von Block- bzw. Clustergröße große Cluster erzeugen für große Dateien weniger Verschnitt und effizienteren Zugriff wegen benachbarten Sektoren kleine Cluster eignen sich besser für viele kleine Dateien Optimierung für schnell zu lesende Massendaten (Multimedia-Streaming) Belegung im Zylinder: paralleles Lesen Belegung in sequentiellen Sektoren und Spuren Maßnahmen heute u.u. erfolglos wegen Zone Bit Recording, Bad-Sector-Mapping, CHS-Translation,... Copyright 2005, Andreas I. Schmied, Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm 8/16

9 2 Dateisysteme Mounting vs. Laufwerksbuchstaben Microsoft: Laufwerke mit A:-Z: Unix-Welt: virtuelles Dateisystem (VFS) mit Wurzelverzeichnis mit eingehängten Dateisystemen (bel. Typs) an Mountpoints Optimierungen im Dateisystem Sparse Files: leere Dateien werden logisch angelegt ohne Blöcke physikalisch zu belegen Defragmentierung im Hintergrundbetrieb Inkonsistenzen im Dateisystem durch OS-/Treiber-/Hardwarefehler, Energieverlust zur falschen Zeit Reparaturwerkzeuge, z.b. fsck Blockbelegung mit Bitmap abgleichen Hardlinks nachzählen Größenangaben mit Blockanzahl korrelieren Abhilfe durch Journalling, Log-Structured-FS Copyright 2005, Andreas I. Schmied, Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm 9/16

10 2 Dateisysteme Begrenzung des Zugriffs Berechtigungsbits in Verwaltungsstruktur: r/w/x für UID/GID/Others Medienzugriff einschränken (Read-Only Mountpoint, User/Admin-Restricted) Quotas begrenzen Plattenplatz pro Benutzer Access Control Lists (ACL) mit feingranularen, höherwertigen Benutzerrechten Verschlüsselung von Dateien, Dateisystemen, Medien Reservekontingent für Superuser bei Disk-Full Was ist ein Master-Boot-Record (MBR) Copyright 2005, Andreas I. Schmied, Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm 10/16

11 2.1 Dateisysteme Journalling, Log-Structured-FS Journalling, Log-Structured-FS Journalling Stichwort: Log-Before-Write Journaleintrag wird zuerst erzeugt Aktion danach ausgeführt Journaleintrag entfernt, falls Aktion erfolgreich im Fehlerfall via Journaleintrag Aktion restaurieren/tilgen Log-Structured-FS Änderungen werden auf Kopie erzeugt atomares Umschalten zwischen 2 Versionen (vorher/nachher) Copyright 2005, Andreas I. Schmied, Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm 11/16

12 2.2 Dateisysteme Ext2/3 Ext2/3 Erläutern Sie den Unterschied zwischen Hard- und Symbolic-Links in Unix-Dateisystemen Hardlinks sind Referenzen auf den eindeutigen Inode einer Datei, die über in Verzeichnissen abgespeicherte Inode-Nummer realisiert sind und deren Anzahl im Hardlink-Referenzzähler erfasst ist. Sie sind immer medienbegrenzt, da Inode-Nummern nur innerhalb eines logischen Geräts/Mediums (meist Dateisystem auf einer Partition) eindeutig sind. Zwischen Verzeichnissen sind Hardlinks verboten (Zyklengefahr!) Symlinks sind Spezialdateien, die ihr Verweisziel in Form einer relativen oder absoluten Pfadangabe textuell enthalten. Sie können medienübergreifend sein, da sich Pfade auf die Gesamtheit des VFS beziehen. Warum fehlt im Inode der Dateiname? Der Name ist im Verzeichniseintrag abgelegt und kann pro Hardlink unterschiedlich sein nicht Dateien/Verzeichnisse, sondern Verbindungswege werden benannt Copyright 2005, Andreas I. Schmied, Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm 12/16

13 2.2 Dateisysteme Ext2/3 Wozu benötigt man im Inode ein Datenfeld Hardlink-Referenzzähler? Datei darf erst gelöscht werden, wenn der letzte Hardlink eliminiert wurde und damit die Datei nicht mehr referenziert wird Textuelle Referenzen über Symlinks sind irrelevant und werden ggf. ungültig Nennen Sie vier weitere, unterschiedliche Datenfelder eines Inodes (ähnliche zählen nur einmal, keine Adressierungsfelder) Dateityp (Datei, Verzeichnis, Socket, Pipe, Gerät,...) Eigentümer und Gruppe Zugriffsrechte (rwx x 3) Zugriffszeiten (atime, mtime, ctime) Dateigröße in Bytes ( Hidden-Flag wie bei FAT gibt es im ext2 nicht! ) Welche Information über Dateien sind im Verzeichniseintrag des ext2 gespeichert? Inode-Nummer Verkettung zum nächsten Eintrag (Offset in den Verzeichnisdaten) Länge des Namens und Null-begrenzter Name Copyright 2005, Andreas I. Schmied, Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm 13/16

14 2.2 Dateisysteme Ext2/3 Wie wird der Verzeichniseintrag ermittelt, wenn der vollständige absolute Pfadname gegeben ist? Dateien welcher max. Größe können mit direkter, 1-3-fach-indirekter Adressierung angelegt werden? (Blockgröße sei B, Adresslänge sei A [Bytes]) Einträge pro Adressblock E=B/A I 0 =12B, I 1 =(12+E)B, I 2 =(12+E+E 2 )B, I 3 =(12+E+E 2 +E 3 )B Copyright 2005, Andreas I. Schmied, Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm 14/16

15 3 Weitere mögliche Klausurfragen Weitere mögliche Klausurfragen Beschreiben Sie stichwortartig die Abläufe im Betrieb und bei der Wiederherstellung des konsistenten Zustands nach einem Absturz. z.b. für Log-Structured/Journalling FS Erläutern Sie ein Verfahren, mit dem das Dateisystem die Blocknummern aller zu einer Datei gehörender Datenblöcke auf Platte speichert eines von: FAT, ext2, NTFS,... Erläutern Sie stichpunktartig den Aufbau einer ext2 Partition (ohne Inode-Feinstruktur) Was versteht man unter einem Inode? Warum organisiert das ext2fs Inodes und Datenblöcke in sog. Blockgruppen? Wie findet das Dateisystem anhand des Inodes die Datenblöcke einer Datei und welchen Vorteil hat dieses Verfahren? Warum haben Symbolic-/Soft-Links auf dieselbe Datei jeweils eine eigene Inode-Nummer, zwei Hardlinks jedoch nur eine gemeinsame? Copyright 2005, Andreas I. Schmied, Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm 15/16

16 3 Weitere mögliche Klausurfragen Auf einer ext2 Partition mit Blockgröße 1kB soll die Datei klausur.txt mit 20kB in /tmp gespeichert werden. Welche wichtigen Informationen sind im Superblock jeder Blockgruppe gespeichert? Welche Schritte führt das System aus: zur Auswahl der Datenblöcke zur Auswahl eines Inodes zur Adressierung aller Datenblöcke der 20kB großen Datei zur Lokalisation des Datenblocks mit dem Verzeichnis /tmp im Datenblock, der das Verzeichnis /tmp enthält wenn der Benutzer in /tmp zusätzlich einen Hard Link auf die Datei klausur.txt anlegt Copyright 2005, Andreas I. Schmied, Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm 16/16