Este documento presenta información sobre estructuras de almacenamiento masivo. Describe los discos magnéticos, cintas y redes de área de almacenamiento. Explica conceptos como pistas, sectores, cilindros y controladoras. También analiza algoritmos de planificación de E/S en discos como FCFS, SSTF, SCAN y C-SCAN.

1. Sistemas Operativos
Ciclo Lectivo 2007
Estructuras de almacenamiento
Profesores
Exp. Mario IRIBAS
Mag. Ing. Liliana CUENCA PLETSCH
Auxiliares
Ing. Alberto RISTOFF
Ing. Jorge ROA
Recopilación Bibliográfica y
elaboración del presente material de
estudio a cargo de Liliana CUENCA
PLETSCH

2. Objetivos
• Describir la estructura física de los dispositivos de
almacenamiento secundario y terciario y los
efectos resultantes en la utilizació n de los
mismos.
• Explicar las características de los dispositivos de
almacenamiento masivo en lo referido a las
prestaciones.
• Analizar los servicios que el SO porporciona para
el almacenamiento masivo.

3. Estructura de almacenamiento
masivo
•
Los discos magné ticos proveen la parte
principal del almacenamiento secundario en los
sistemas informá
ticos actuales.
o
Cada plato tiene una forma circular plana.
Los diá
metros van de 1.8 a 5.25 pulgadas.
Las 2 superficies de cada plato está
n
cubiertas de un material magné tico. La
informació n se almacena grabá
ndola
magné ticamente sobre los platos.
o
Un cabezal de lectura-escritura “vuela” por
encima de cada una de las superficies de
cada plato. Los cabezales está conectados
n
a un brazo del disco que mueve todos los
cabezales como una sola unidad. La
superficie de cada plato estádividida, desde
el punto de vista ló gico en pistas ciculares
que, asu vez, se subdividen en sectores.
El conjunto de pistas situadas en una
determinada posició n del brazo forman un
cilindro. Pueden haber miles de cilindros
concé ntricos en una unidad de disco y cada
pista puede contener cientos de sectores
o
Un motor hace girar el disco a gran
velocidad. La velocidad de rotació n
oscila entre las 60 y 200 veces por segundo

4. Estructura de almacenamiento
masivo
• La velocidad de un disco depende
de:
o
o
o
Velocidad de transferencia:
es la velocidad con que los datos
fluyen entre la unidad de disco y
la computadora
Tiempo de posicionamiento
o Tiempo de búsqueda : es el
tiempo necesario para mover el
brazo del disco hacia el cilindro
deseado.
Tiempo de latencia
rotacional: es el tiempo
requerido para que el sector
deseado rote hasta pasar por
debajo del cabezal del disco.

5. Estructura de almacenamiento
masivo
Aterrizaje de cabezales: ocurre cuando el cabezal entra en contacto con la
superficie del disco. Si esto ocurre es necesario sustituir el disco.
Discos extraíbles: constan de un solo plato dentro de una carcasa plá
stica
para evitar dañ os físicos. Este es el caso de los diskettes.
Existen otros discos extraíbles que no son magné ticos: CD, DVD, memorias
flash que interactú con el sistema a travé z de una interfaz USB, dispositivos
an
ó pticos. Los discos removibles pertenecen a la categoría de dispositivos de
almacenamiento terciario.
Los buses de E/S permiten conectar las unidades de disco a la
computadora (EIDE, ATA, USB, SCSI). Las transferencias de datos en un bus
son realizadas por porcesadores especiales denominados controladoras.
La controladora host estáubicada en el extremo del bus correspondiente a la
computadora. En cada unidad de disco se integra una controladora de
disco. Para realizar una operació n de E/S la CPU coloca un comando en la
controladora host, la cual envía el comando mediante una serie de mensajes a
la controladora de disco. É stas disponen, normalmente, de una caché
integrada. Las transferencias de datos en la unidad de disco se realizan entre
la caché y la superficie del disco y la transferencia hacia el host se produce
entre la caché y la controladora host.

6. Estructura de almacenamiento
masivo
• Cintas
o
Fueron los primeros medios de almacenamiento masivo
o
Es relativamente permanente y permite almacenar grandes cantidades
de informació n.
o
Tiempo de acceso lento comparado con los discos.
o
Se utiliza frecuentemente para copias de seguridad, almacenamiento de
datos de uso no frecuente y como medio para trasferir informacion de un
sistema a otro.
o
Se insertan en una unidad y se bobinan o rebobinan para hacerlas pasar
por un cabezal de lectura escritura.
o
Para desplazarse al lugar correcto de la cinta pueden hacer falta minutos,
pero luego las unidades de cinta pueden escribir datos a velocidades
comparables con los discos.
o
Las capacidades varían entre 20 y 200 GB, y algunas disponen de
té cnicas de compresió n que permiten duplicar este espacio..

7. Estructura del disco
•
•
Las unidades de disco se direccionan como matrices unidimensionales de
bloques ló gicos, siendo el bloque ló gico la unidad más pequeñ a de
transferencia. Usualmente 512 bytes, aunque algunos discos pueden
formartearse a bajo nivel para incrementar el tamañ o del bloque ló gico (a
1024 bytes por ejemplo).
La matriz unidimensional se mapea sobre sobre los sectores del disco
secuencialmente:
o
El sector 0 es el primer sector de la 1era pista del cilindro más externo,
el mapeo continúa a lo largo de esa pista y luego a lo largo del resto de
las pistas de dicho cilindro y luego a lo largo del resto de los cilindros,
desde el más externo al más interno.
o
Utilizando este mapeo se podría convertir un número de bloque ló gico
en una direcció n de disco compuesta por número de cilindro, nro de
pista y sector dentro de la pista.
Problemas:
− sectores defectuosos que el mapeo oculta utilizando sectores libres
adicionales en otro lugar del disco.
− La cantidad de sectores por pista no es constante en algunas
unidades de disco:las pistas externas tienen alrededor de un 40%
más de sectores que las internas. En algunos casos la velocidad de
rotació n se incrementa a medida que el cabezal pasa de las pistas
externas a las internas para que el disco transfiera siempre la misma
cantidad de datos por segundo (velocidad lineal constante). En otros
la velocidad de rotació n se mantiene constante reducié ndose la
densidad de bits al pasar de pistas externas a internas a efectos de
mantener constante la velocidad de transferencia (Velocidad angular
constante)

8. Almacenamiento conectado al HOST
•
•
Es posible acceder a los datos almacenados en disco de dos maneras:
mediante puertos de E/S (almacenamiento conectado al host) o mediante
un host remoto en un sistema de archivos distribuido (almacenamiento
conectado a la red)
Almacenamiento conectado al host:
o
IDE o ATA: arquitectura de bus que soporta, como máximo, dos
unidades por cada bus de E/S. SATA es un portocolo similar y más
simplificado.
o
SCSI es una arquitectura de bus cuyo soporte físico, usualmente un
cable de cinta, soporta un máximo de 16 dispositivos conectados al
bus. Generalmente estos dispositivos incluyen una tarjeta controladora
en el host (el iniciador SCSI) y hasta 15 dispositivos de
almacenamiento (los destinos SCSI). El protocolo permite direccionar
hasta 8 unidades ló gicas en cada destinos SCSI.
o
FC es una arquitectura de alta velocidad que puede operar sobre fibra
ó ptica o sobre un cable de cobre de 4 hilos. Una de sus variantes es
una estructura conmutada de gran tamañ o que tiene un espacio de
direcciones de 24 bits . Esta tecnología es la base de de las redes de
área de almacenamiento (SAN Storage area network) que permite
conectarse múltiples hosts y dispositivos de almacenamiento a la
estructura de comunicaciones.
o
La otra variante de FC es un bucle arbitrado que puede
direccionar 126 dispositivos.
o
Los dispositivos de almacenamiento típicos conectados al host son:
unidades de disco rígido, unidades de CD, DVD, cintas, las matrices
RAID. Los comandos que inician las transferencias de datos a un
dispositivo son las ectiras y escrituras de bloques de datos ló gicos

9. Almacenamiento conectado a la red
•
Un NAS (Network attached storage) es
un sistema de almacenamiento de
propó sito especial al que se accede de
forma remota a travé s de una red de
datos.
•
NFS (Unix) y CIFS (Windows) son los
protocolos mediante los cuales los
clientes acceden.
•
Se implementan mediante llamadas a
procedimientos remotos (RPC) entre el
host y el almacenamiento.
•
Este almacenamiento proporciona una
forma de acceso a los dispositivos con
la misma facilidad de denominació n
que si se tratara de dispositivos locales
conectados al host, aunque tiende a ser
menos eficiente y má lento.
s
•
El protocolo má reciente es el iSCSI.
s

10. Redes de área de almacenamiento
(SAN)
• Las NAS consumen ancho de banda lo cual incrementa la latencia en las
comunicaciones a travé s de la red.
•
Una SAN es una red privada que utiliza protocolos de almacenamiento
en lugar de protocolos de red y conecta los servidores con las unidades
de almacenamiento
•
Flexibilidad: permite conectar mú
ltiples host y mú
ltiples matrices de
almacenamiento a la misma SAN.

11. Planificació n de discos
•
•
•
•
•
El SO es responsable del uso eficiente del HW. Esto implica, en el caso del
acceso a disco, disponer de un buen tiempo de acceso y un gran ancho de
banda.
El tiempo de acceso tiene dos componentes fundamentales:
o
Tiempo de búsqueda: tiempo que le demanda al disco mover las
cabezas de lectura-escritura hacia el cilindro que contiene el sector
buscado.
o
Latencia rotacional: es el tiempo adicional necesario para que el
disco rote y sitúe el sector buscado debajo del cabezal del disco.
El ancho de banda del disco es el nú
mero total de bytes transferidos,
dividido entre el tiempo total transcurrido entre la 1era solicitud de servicio y
la terminació n de la ú
ltima transferencia.
Ambos pará
metros pueden mejorarse mediante una adecuada planificació n
del servicio a las disintas solicitudes de E/S al disco.
Cada solicitud implica especificar: si se trata de una operació n de entrada o
de salida, la direcció n del disco, la direcció n de memoria, cantidad de
sectores a transferir.

12. Planificació n de discos
• Existen varios algoritmos para planificar los requerimientos de E/S
a disco.
• Supongamos disponer de un disco con 200 cilindros (0-199) y la
siguiente cola de requerimientos:
98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
el cabezal estáubicado en el cilindro 53
• Analizaremos los diferentes algoritmos paa atender estas
solicitudes.

13. FCFS
Se atienden los pedidos en el orden en que llegan
Cola: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
Cabezal en cilindro 53.
45 cil.
85 cil.
146 cil.
85 cil.
108 cil.
110 cil.
59 cil.
2 cil.
El movimiento total es de 640 cilindros.

14. SSTF
Se atienden los pedidos que implican el menor movimiento de cabezal a
partir de la posició n inicial
Cola: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
Cabezal en
cilindro 53
Orden de atenció n: 65, 67, 37, 14, 98, 122, 124, 183
12 cil.
2 cil.
30 cil.
23 cil.
84 cil.
24 cil.
2 cil.
59 cil.
El movimiento total es de 236 cilindros.

15. SCAN
El brazo del disco comienza en un extremo y se mueve hacia el otro extremo dando
servicio a las solicitudes a medida que pasa por cada cilindro. En el otro extremo se
invierte la direcció n del movimiento del cabezal y se continúa dando servicio a las
solicitudes.
Cola: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
Cabezal en cilindro 53
Orden de atenció n: 37, 14, 0, 65, 67, 98, 122, 124, 183
16 cil.
14 cil.
23 cil.
65 cil.
2 cil.
31 cil.
24 cil.
2 cil.
59 cil.
El movimiento total es de 236 cilindros.

16. SCAN
Otra posibilidad: si el cabezal se movía de 0 a 199.
12 cil.
2 cil.
31 cil.
24 cil.
2 cil.
59 cil.
16 cil.
23 cil.
162 cil.
El movimiento total es de 331 cilindros.

17. C-SCAN
Similar al SCAN, pero cuando llega a un extremo regresa al otro sin atender
solicitudes.
Cola: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
Cabezal en cilindro 53
Orden de atenció n: 65, 67, 98, 122, 124, 183, 199, 0, 14, 37
12 cil.
2 cil.
31 cil.
24 cil.
2 cil.
59 cil.
16 cil.
14 cil.
199 cil.
23 cil.
El movimiento total es de 382 cilindros.

18. C-LOOK
Similar al C-SCAN. El brazo no se mueve hacia los extremos sino solamente hacia
donde hay solicitudes.
Cola: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
Cabezal en cilindro 53
Orden de atenció n: 65, 67, 98, 122, 124, 183, 14, 37
12 cil.
2 cil.
31 cil.
24 cil.
2 cil.
59 cil.
169 cil.
23 cil.
El movimiento total es de 322 cilindros.

19. Selecció n de un algoritmo de
planificació n
•
•
•
•
•
•
•
•
•
SSTF es simple y mejora los tiempos de FCFS, pero puede provocar inanició n.
SCAN y C-SCAN tienen mejor rendimiento en los casos en que el disco estásometido
a una intensa carga porque es menos probable que provoquen muerte por inanició n.
El rendimiento depende del nú
mero y tipo de requerimientos.
Las solicitudes de acceso a disco pueden verse muy influenciadas por los metodos de
asignació n de archivos. No es igual el movimiento de cabezales cuando se accede a
un archivo con asignació n contigua respecto de otro con asignació n enlazada.
Tambié n influye la ubicació n de los directorios y los bloques de índice.
Por estas complejidades es recomendable que el algoritmo de planificació n de disco
se escriban independientes del SO para poder sustituirlo por otro algoritmo si fuera
necesario.
Tanto SSTF como LOOK son una elecció n razonable.
Estos algoritmos só lo contribuyen a mejorar el tiempo de bú
squeda. El tiempo de
latencia rotacional es difícil de disminuir desde el SO. Los fabricantes de HW
implementan algoritmos de planificació n de disco en el controlador integrado. Cuando
recibe solicitudes las ubica en la cola de espera y las atiende buscando minimizar
ambos tiempos.
Algunos SO deciden realizar ellos la planif. de E/S y enviarlas una a una a la
controladora del disco. Esto es así porque a veces puede ser deseable, por ej.,
asignar prioridad a la paginació n bajo demanda y hacer que esperen las E/S de las
aplicaciones

20. Gestió n del Disco
•
Formateo de bajo nivel o formateo físico: divide al disco en sectores que la controladora
de disco puede leer y escribir.
•
La estructura de datos para cada sector consta de:
o
la cabecera,
o
el á de datos (256, 512, 1024 bytes),
rea
o
la cola.
La cabecera y la cola contienen informació n que usa la controladora como ser: nro de sector
y ECC (có d. de control de errores).
•
Para poder almacenar archivos el SO necesita grabar sus propias estructuras de datos en el
disco:
o
Particionar el disco en uno o má grupos de cilindros
s
o
Formateo lógico que consiste en crear el sistema de archivos del disco (estructuras de datos
iniciales como mapa de espacio libre y asignado, directorio inicial vacío).
o
La mayoría de los SO agrupa los bloques en fragmentos de mayor tamañ o denominados
clusters. La E/S a disco se realiza mediante bloques pero la E/S a archivos se realiza
mediante clusters. De esta manera las E/S tendrá características má secuenciales y menos
n
s
aleatorias.
o
E/S sin formato: algunos SO proporcionan a algunos programas especiales (como
sistemas de BD, por ej.) la capacidad de usar una partició n de disco sin estructura de
archivo, como si fuera una matriz secuencial de bloques ló gicos.

21. Gestió n del Disco
• El programa de arranque inicializa el sistema.
o
Es muy simple: inicializa los registros de la CPU, las controladors de
dispostivo y el contenido de la MP y luego inicializa el SO. Para ello
busca el kernel del SO en el disco, lo carga en memoria y salta a la
direcció n de inicio del SO.
o
Puede estar en la ROM o en el disco. Cuando estáen el disco el
porgrama cargador se almacena en los denominados bloques de
arranque.
o
Un disco que dispone de una partició n de arranque se denomina disco
de arranque o disco del sistema.

22. Carga desde el disco con Windows
2000
Reg. de arranque maestro
Sector de arranque

23. Gestió n del Disco
• Gestió n de bloques defectuosos
o
La mayoría ya trae una serie de bloques defectuosos de fá
brica, los cuales
son detectados en el formateo de bajo nivel.
o
Discos más simples (IDE, por ej.): los bloques defectuosos se gestionan
en forma manual. Ej: como parte del formateo de MS-DOS los bloques
defectuosos son marcados para que las rutinas de asignació n no los utilicen.
Si los bloques pasan a ser defectuosos durante la operació n normal, se
debe correr una rutina especial (chkdsk) para marcarlos.
o
Discos más sofisticados (SCSI, por ej.): disponen de mecanismos de
recuperació n de boques defectuosos.
En el formateo de bajo nivel se reservan sectores adicionales que no son
visibles para el SO. Cuando hay un sector defectuoso se lo reemplaza por
alguno de los sectores adicionales reservados, de ser posible dentro del
mismo cilindro (para no afectar los algoritmos de bú
squeda).
Otra solució n disponible es el deslizamiento de sectores. Así si el
bloque 17 estádefectuoso, los contenidos del 18 hasta el ú
ltimo ocupado se
desplazan 1 sector. Los datos que debían almacenarse en el sector 17 se
almacenan en el 18.

24. Gestió n del espacio de intercambio
•
•
•
La memoria virtual utiliza espacio en disco como una extensió n de la memoria
principal.
El espacio de intercambio puede ubicarse en el espacio del sistema de archivos e
en una partició n separada del disco.
o
El primer caso consume mucho tiempo ya que demanda accesos adicionales
al disco (navegació n por la estructura de directorio y el acceso a las
estructuras de asignació n de espacio en el disco).
o
En el 2do. caso se utilizan algoritmos para optimizar la velocidad de
almacenamiento. El tamañ o del espacio de intercambio es fijo. Si se desea
incrementar deberáreparticionarse el disco.
o
Algunos SO disponen de ambas posibilidades. Es el caso de Linux, en que el
administrador decide qué tipo de intercambio utilizar. La decisió n seráentre la
comodidad de asignació n y gestió n dentro del espacio de archivos y las
mayores prestaciones de la utilizació n de particiones sin formato.
o
Tambié n el Solaris 1 utiiliza ambas posibilidades. Las pá
ginas que contienen
có digo se cargan desde el sistema de archivos. El espacio de intercambio se
utiliza para la pila, el cú
mulo (memoria asignada diná
micamente al porceso) y
los datos.
Otro aspecto a considerar es el tamañ o del espacio de intercambio. Puede ir
desde unos pocos Mb hasta varios Gb. Para no tener que abortar porcesos, se
consdiera apropiado sobreestimar el tamañ o. Algunos sistemas recomiendan el
tamañ o: Solaris sugiere un espacio igual a la cantidad en que la MV exceda a la
memoria física paginable. Linux sugiere que se reserve el doble de memoria física
disponible, aunque las versiones actuales utilizan un espacio de memoria inferior.

25. Estructuras RAID
•
•
•
•
Las unidades de disco han evolucionado incrementando la capacidad en
unidades má pequeñ as y baratas, lo que posibilita conectar varios discos
s
a un mismo sistema.
La utilizació n de varios discos en paralelo puede mejorar la velocidad de
acceso y la confiabilidad de los datos.
RAID (matrices redundantes de disco de bajo costo – Redundant arrays of
inexpensive disk). Esta té cnica permite incorporar redundancia para
poder recuperar los datos en caso de una falla de disco, y paralelismo
para mejorar la velocidad de acceso a los datos.
o
El paralelismo se logra mediante la distribució n en bandas de los
datos. Esta distribució n puede realizarse a nivel de bit o a nivel de
bloque.
o
Distribució n a nivel de bit: ej. Si se dispone de una matriz de 8 discos
el bit i de cada byte se escribiráen el disco i, así los discos se tratan
como un ú
nico disco con sectores 8 veces má grandes.
s
o
Cuando la distribució n se realiza a nivel de bloque, los bloques de
cada archivo se dividen entre mú
ltiples discos.
RAID se implementa en 6 niveles diferentes.

26. Niveles de RAID
RAID 0: distribución en bandas no
redundante
Las bandas se distribuyen a nivel de bloques pero sin redundancia.
Mejora el rendimiento y la capacidad pero no aporta a la confiabilidad.
RAID 1: discos duplicados en espejo
Las bandas se distribuyen a nivel de bloques y la redundancia está dada por el
mirroring.
La escritura es más lenta porque debe hacerse en ambos grupos de discos

27. Niveles de RAID
RAID 2: códigos de corrección de errores
Distribuye las bandas a nivel de bits. Utiliza có digo de Hamming para el control
de errores.
Para palabras de 32 bits necesitarían 32 discos para los datos y 6 para
paridad.
Requiere menor cantidad de discos para la redundancia.

28. Niveles de RAID
RAID 3: paridad con entrelazado de bits
Utiliza un único disco de paridad. Tiene en cuenta que las controladoras de
disco pueden detectar errores por cada sector. En el disco de paridad cada
posició n controla la paridad de esa posició n en cada disco. Así, si se detecta
que un sector es erró neo se puede identificar dó nde está el error calculando la
paridad de los bits correspondientes de los sectores almacenados en los otros
discos. Si la paridad de los bits restantes es igual a la almacenada, entonces el
bit que falta será un 0. En caso contrario será un 1.
1 1 1 0 1
1 1 1 1 0
0 1 0 1 0
1 0 0 1 1
0 0 1 1
1
distinto
s
1 1 0 0
1

29. Niveles de RAID
RAID 4: paridad con entrelazado de bloque
Utiliza una distribució n de datos en bandas. Se calcula bit a bit una banda de
paridad a partir de las bandas correspondientes de cada disco de datos y los
almacena en el disco de paridad.
Si se realiza una escritura que involucra una única banda, por ej. A1, este
cambio afectará tambié n a Ap. Para calcular la nueva paridad el sistema de
gestió n lee las bandas de datos y paridad antiguas, luego actualiza ambas
bandas con los nuevos datos y la nueva paridad calculada.
Ap= Ap ORX A1 ORX A1´

30. Niveles de RAID
RAID 5: paridad con entrelazado de bloque
Similar a RAID 4 pero intercala las bandas de paridad a travé s de todos los
discos.
Evita el cuello de botella que se da en el disco de paridad en RAID 4 cuando se
realizan varias escrituras.

31. Niveles de RAID
RAID 6: redundancia P + Q
Realiza dos cálculos de paridad diferentes que se almacenan en bloques
separados en distintos discos. Así, si falla un disco se puede recomponer, pero
tambié n si fallan dos. Deberían fallar 3 discos para que la informació n no se
pueda recuperar.
Es más lento pero aporta mayor confiabilidad.

32. Selecció n de un nivel de RAID
La reconstrucció n de los datos en caso de fallos es má
s
sencilla con RAID 1. Los otros niveles exigen acceso a
todos los discos para realizar la reconstrucció n.
RAID 0 se utiliza en aplicaciones de altas prestaciones
cuando el porblema de la pé rdida de datos no es crítico.
Debido al gran espacio adicional necesario en las
soluciones tipo RAID 1, suele preferirse RAID 5 para
almacenar grandes volúmenes de datos.
El nivel 6 no está soportado en muchas implementaciones
RAID pero ofrecen mayor fiabilidad que RAID 5.