Dateisysteme. Erweiterte Anforderungen an Speicher

Transkript

1 Erweiterte Anforderungen an Speicher Mehr Speicher als adressierbar ist. Daten sollen nach Beendigung des Prozesses zur Verfügung stehen Mehrere Prozesse sollen auf die Daten zugreifen können. Nutzung von externem Speicher (Bänder, Magnetplatten, Optische Speicher, SD-RAM)

2 Eine Magnetplatte kann mit 2 Operationen prinzipiell die Anforderungen erfüllen: Lese Block k Schreibe Block k Probleme, die dabei gelöst werden müssen: Wo findet man die Information? Woher weiß man, welche Blöcke frei sind? Wie schützt man die Daten vor unberechtigtem Zugriff?

3 IDE Controller DVD-RAM SATA Controller Betriebssystem Anwnendung Festplatte SCSI Controller Magnetband

4 Dateien Abstraktion, um die Eigenschaften des Speichermediums zu verbergen. Dateien werden über einen Namen angesprochen. Aufbau des Namens unterscheidet sich je nach Betriebs- und Dateisystem.

5 Dateinamen Längen sind unterschiedlich (i.d.r Zeichen) Unix unterscheidet zwischen Groß- und Kleinschreibung, Windows nicht. Oft zweigeteilt in Dateiname und Namenserweiterung (Extension). Die Erweiterung enthält Informationen über den Typ der Datei.

6 Dateinamenserweiterung Bei UNIX nur eine Konvention Bei Windows werden über die Erweiterung die verwendeten Anwendungen bestimmt. Bei Textdateien ist die Erweiterung notwendig, um z.b: C-Programme (.c) von Headern (.h) zu unterscheiden.

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8 Dateistrukturen

9 Dateitypen Reguläre Dateien Verzeichnisse Dienen zur Verwaltung der Struktur des Dateisystems Zeichendateien (UNIX) Enthalten die Informationen der Benutzer werden von seriellen Ein-/Ausgabegräten verwendet Blockdateien (UNIX) Modellieren den Zugriff auf Plattenspeicher

10 Reguläre Dateien ASCII-Dateien Enthalten lesbaren Text Praktisch, wenn Ausgaben eines Programms an ein anderes weitergegeben werden sollen. Binärdateien Können nur von der entsprechenden Anwendung interpretiert werden. Enthalten i.d.r. eine interne Struktur.

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12 Dateizugriff Sequentiell Es können nur aufeinanderfolgende Datensätze eingelesen / geschrieben werden. Zugriffe außerhalb de Reihenfolge sind nicht möglich. Die Datei kann zurückgespult und wieder von vorne gelesen werden. Wahlfreier Zugriff (random access) Bytes / Datensätze können in beliebiger Reihenfolge gelesen und geschrieben werden.

13 Dateiattribute Zusätzliche Informationen über die Datei, auch Metadaten genannt.

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15 Dateioperationen Create Erzeugt eine leere Datei Delete Löscht eine vorhandene Datei und gibt den Speicher frei Rename Benennt eine Datei um. Der Dateiinhalt wird dabei nicht verändert. Open Öffnet eine vorhandene Datei. Der Prozess kann dann alle benötigten Dateiattribute in den Speicher laden. Close Schließt eine Datei, wenn sie vom Prozess nicht mehr verwendet wird. Alle noch nicht geschriebenen Daten werden geschrieben. Read Liest eine bestimmte Anzahl von Bytes ab einer angegebenen Stelle oder ab der aktuellen Position. Write Schreibt Daten ab der aktuellen Position in die Datei. Vorhandene Datei werden überschrieben. Append Hängt Daten an eine Datei an. (Kann auch über Write realisiert werden.) Seek Legt die Position fest, ab der gelesen oder geschrieben werden soll.

16 Dateioperationen Get Attributes Liest die Dateiattribute einer Datei ein. Der make-befehl das Datum von C-Datei und ausführbarem Programm um festzustellen, ob ein Programm neu kompiliert werden muss. Set Attributes Setzt die Attribute einer Datei. Es können nur bestimmte Attribute von Benutzerprozessen verändert werden.

17 Verzeichnisse Verzeichnisse mit einer Ebene Alle Dateien stehen im Wurzelverzeichnis und sind über ihren Namen ansprechbar. Unpraktisch bei großen Systemen und mehreren Benutzern. Hierarchische Verzeichnisse Verzeichnisse können Dateien und weitere Verzeichnisse enthalten.

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19 Pfadnamen Beschreiben den Weg durch den Verzeichnisbaum zu einer Datei Windows \Benutzer\Kaemper UNIX /home/kaemper absolute Namen Beginnen bei der Wurzel Der Name beginnt mit \ oder /

20 Pfadnamen relative Namen Gehen vom aktuellen Arbeitsverzeichnis aus.. führt zum Elternverzeichnis../lib/dictionary. zeigt auf das aktuelle Verzeichnis./MeineDatei.txt

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22 Verzeichnisoperationen Create Erzeugt ein neues Verzeichnis Delete Löscht eine vorhandenes Verzeichnis Rename Benennt das Verzeichnis um. OpenDir Öffnet ein Verzeichnis zum Lesen. Close Schließt ein geöffnetes Verzeichnis um Ressourcen freizugeben. ReadDir Liest den nächsten Eintrag im Verzeichnis. Link Durch Link können Dateien in mehr als einem Verzeichnis vorkommen. Link spezifiziert eine vorhandene Datei und stellt eine Verknüpfung im aktuellen Verzeichnis. Der Referenzzähler für die Datei wird erhöht. Unlink Entfernt eine Datei aus einem Verzeichnis. Wenn der Referenzzähler 0 ist, wird die Datei tatsächlich gelöscht, sonst wird nur der Zähler vermindert.

23 Aufbau eines Dateisystems MBR (Master Boot Record) Partitionstabelle Enthält den Programmcode, der beim Starten des Rechners geladen werden soll. Enthält die Startadressen und Längen der einzelnen Partitionen Partitionen In den Partitionen werden die eigentlichen Daten gespeichert. Der Aufbau der Partitionen ist abhängig vom verwendeten Dateisystem.

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25 Implementierung von Dateien Zusammenhängende Belegung Verkettete Listen File Allocation Table (FAT) I-Nodes (Indexknoten)

26 Implementierung von Dateien Zusammenhängende Belegung Dateien werden immer in aufeinanderfolgenden Blöcken gelesen. Eine Datei beginnt immer in einem neuen Block Dateien können sehr schnell gelesen werden, da kaum Kopfbewegungen nötig sind. Beim Löschen entsteht externe Fragmentierung Der letzte Block ist in der Regel nicht vollständig belegt (interne Fragmentierung) Praktikabel auf Nur-Lese-Speicher (CD-ROM, DVD)

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28 Implementierung von Dateien Verkettete Listen Jede Datei wird als Liste von verketteten Blöcken angegeben. Es werden viele Lesezugriffe benötigt. Datengröße pro Block ist keine 2er-Potenz mehr, da Platz für die Zeiger benötigt wird. Programmierer lesen jedoch oft ganze Blöcke. Für wahlfreien Zugriff muss die ganze Liste bis zum gewünschten Block gelesen werden.

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30 Implementierung von Dateien File Allocation Table (FAT) Ähnlich zu verketteten Listen Die Liste wird getrennt von den Blöcken im Speicher gehalten. Es wird kein Platz in den Blöcken benötigt. Die Kette muss bei wahlfreiem Zugriff nur im Speicher durchsucht werden.

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32 Implementierung von Dateien I-Nodes (Indexknoten) Jeder Datei wird ein I-Node (Indexknoten) zugewiesen. I-Nodes enthalten die Dateiattribute (nicht die Namen) und die Adressen der belegten Plattenblöcke. Die ersten Adressen können im I-Node gespeichert werden, weitere Adressen werden ein zusätzlichen Plattenblöcken abgelegt. I-Nodes müssen nur dann im Hauptspeicher liegen, wenn die Datei geöffnet ist.

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35 Implementierung Verzeichnissen Verzeichnisse werden benötigt, um zu einem Dateinamen die Plattenadresse zu bestimmen. Anfang der Datei bei zusammenhängender Belegung Erster Block bei verketteten Listen und FAT I-Node Attribute können im Verzeichnis oder im I-Node gespeichert sein.

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37 Gemeinsam benutzte Dateien Hardlinks Die Verzeichnisse enthalten einen Zeigen auf den selben I-Node. Im I-Node wird ein Referenzzähler verwaltet. Wenn eine Datei vom ursprünglichen Besitzer gelöscht wird, aber noch ein Link besteht, gehört die Datei weiterhin dem ersten Besitzer.

38 Gemeinsam benutzte Dateien Symbolische Links Im Link steht der Pfad der verknüpften Datei. Können auch auf Netzwerkdateien oder andere Partitionen zeigen. Belegen einen ganzen Block und damit einen INode. Wenn die Datei gelöscht wird, zeigt der Link ins Leere.

39 Log-Basierte Flaschenhals bei Festplattenoperationen ist die Zugriffszeit. Die meisten Lesezugriffe können aus dem Cache bedient werden. Schreibzugriffe von kleinen Blöcken sind sehr langsam, da die meiste Zeit für die Positionierung benötigt wird.

40 Log-Basierte Log-Basierte puffern die Daten und schreiben in Segmenten von aufeinanderfolgenden Blöcken. In den Segmenten können I-Nodes, Daten und Verzeichniseinträge in beliebiger Reihenfolge stehen. Schreiboperationen werden sehr schnell, das Auffinden von I-Nodes wird aber schwieriger. Dazu wird eine I-Node-Map im Hauptspeicher verwaltet.

41 Log-Basierte Problem. Festplatte ist nicht unendlich groß! Ein Aufräumprozess liest regelmäßig die älteren Segmente ein und prüft, welche I-Nodes und Blöcke noch benötigt werden und speichert diese wieder im Log. Dadurch werden wieder Segmente auf der Platte frei.

42 Journaling Kombiniert klassische mit den Vorteilen von Log-Basierten n. Alle Änderungen werden in ein Log geschrieben, so dass diese bei einem Systemabsturz wiederhergestellt werden können. Die Einträge im Log müssen so definiert sein, dass sie beliebig oft wiederholt werden können.

43 Virtuelle Virtuelle ermöglichen das Einhängen von verschiedenen n in einer Struktur. Es können sogar Netzwerkverzeichnisse eingebunden werden. Das Virtuelle Dateisystem stellt die Schnittstelle zwischen Benutzerprozessen und den tatsächlich verwendeten n dar.

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45 Blockgrößen Blockgrößen sind entscheidend für die Plattenausnutzung und Performance der Plattenzugriffe. Große Blöcke sind schneller, da weniger Suchen benötigt werden. Kleine Blöcke nutzen den Speicher besser aus. Übliche Blockgrößen sind 512 Byte 8KB.

46 Verwaltung freier Blöcke Listen freier Blöcke Einfach zu realisieren. Es ist schwer zusammenhängende Blöcke zu finden. Bitmaps Fester Platzbedarf. (Nur 1 Bit pro Block) Es ist einfacher, zusammenhängende Blöcke zu finden.

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48 Plattenkontingente (Quotierung) In Mehrbenutzersystem wird häufig jedem Benutzer ein maximale Menge verfügbarer Speicherplatz zugewiesen, so dass ein Benutzer nicht den gesamten Platz in Beschlag nehmen kann. Quotierung erfolgt in der Regel pro Benutzer oder pro Verzeichnis. Es wird eine Tabelle der verfügbaren / belegten Plattenblöcke pro Benutzer gepflegt und bei Schreiboperationen aktualisiert.

49 Sicherung von n Wenn die Dateien auf einer Festplatte zerstört sind, ist es extrem aufwändig oder sogar unmöglich, sie wiederherzustellen. Daher ist es sinnvoll Sicherheitskopien der Daten anzulegen. Wiederherstellung nach einer Katastrophe Wiederherstellung nach einer Unachtsamkeit

50 Sicherungstrategie Bestimmte Dateien müssen evtl. nicht gesichert werden Temporäre Dateien Programme, die neu installiert werden können Spezialdateien (/dev, /proc) Es müssen nur Dateien gesichert werden, die seit der letzten Sicherung geändert wurden. Es muss sichergestellt werden, dass die Daten während der Sicherung nicht verändert werden.

51 Physikalische und logische Sicherung Eine physikalische Sicherung sichert hintereinander alle Plattenblöcke. unbenutzte Plattenblöcke können übersprungen werden. Es müssen nur die geänderten Blöcke gesichert werden. Eine Logische Sicherung sichert Verzeichnisse und Dateien, die seit einem bestimmten Zeitpunkt geändert wurden. Wenn in einem Verzeichnis Dateien geändert wurden, muss auch das Verzeichnis gesichert werden.