Revisão

Prof. Marciano dos Santos Dionizio

• Originalmente, os discos magnéticos do HD são um terreno inexplorado.

• Para que os dados possam ser armazenados e lidos de forma organizada, é necessário que o HD seja previamente formatado.

• Em primeiro lugar, temos a formatação física, na qual os discos são divididos em trilhas, setores e cilindros e são gravadas as marcações, que permitem que a placa lógica posicione corretamente as cabeças de leitura.

Formatação Física

Formatação Física

• Nos HDs atuais, a formatação física é feita em fábrica, durante a fabricação dos discos.

• O processo envolve o uso de máquinas especiais e, apenas para garantir, restrições são adicionadas no firmware do drive, para que a placa lógica seja realmente impedida de fazer qualquer modificação nas áreas reservadas.

• Graças a isso, é impossível reformatar fisicamente um drive atual, independentemente do software usado.

Formatação Física

Formatação Física

Formatação lógica

• Em seguida, temos a formatação lógica, que adiciona as estruturas utilizadas pelo sistema operacional.

• Ao contrário da formatação física, ela é feita via software e pode ser refeita quantas vezes você quiser.

• O único problema é que, ao reformatar o HD, você perde o acesso aos dados armazenados, embora ainda seja possível recuperá-los usando as ferramentas apropriadas, como veremos mais adiante.

Formatação lógica

• Chegamos então ao sistema de arquivos, que pode ser definido como o conjunto de estruturas lógicas que permitem ao sistema operacional organizar e otimizar o acesso ao HD.

• Conforme cresce a capacidade dos discos e aumenta o volume de arquivos e acessos, esta tarefa torna-se mais e mais complicada, exigindo o uso de sistemas de arquivos cada vez mais complexos e robustos.

Formatação lógica

• Existem diversos sistemas de arquivos diferentes, que vão desde sistemas simples como o FAT16, que utilizamos em cartões de memória, até sistemas como o NTFS, EXT3 e ReiserFS, que incorporam recursos muito mais avançados.

• A formatação do HD é feita em duas etapas.

Formatação lógica

• A primeira é o particionamento, onde você define em quantas partições o HD será dividido e o tamanho de cada uma.

• Mesmo que você não pretenda instalar dois sistemas em dual boot, é sempre interessante dividir o HD em duas partições, uma menor, para o sistema operacional, e outra maior, englobando o restante do disco para armazenar seus arquivos.

Formatação lógica

Formatação lógica

Formatação lógica

• Com isso, você pode reinstalar o sistema quantas vezes precisar, sem o risco de perder junto todos os seus arquivos.

• Podemos ter um total de 4 partições primárias ou três partições primárias e mais uma partição estendida, que pode englobar até 255 partições lógicas.

• É justamente a partição lógica que permite dividir o HD em mais de 4 partições.

Estruturas Lógicas

• Tudo começa com o setor de boot, que é lido pelo BIOS da placa-mãe no início do boot, logo após a contagem de memória e outros procedimentos executados durante o POST.

• O setor de boot, também chamado de MBR ou trilha zero, contém dois componentes essenciais.

• O primeiro é um bootstrap, o software responsável por iniciar o carregamento do sistema operacional.

Estruturas Lógicas

• Tipicamente, é utilizado um gerenciador de boot, como o NTLDR (usado pelo Windows XP) ou o Grub (usado pela maior parte das distribuições Linux).

• A função do gerenciador de boot é mostrar uma lista com os sistemas operacionais instalados no início do boot e carregar o sistema escolhido.

Estruturas Lógicas

• O bootstrap ocupa os primeiros 446 bytes do MBR. Os 66 bytes restantes são usados para armazenar a tabela de partições, que guarda informações sobre onde cada partição começa e termina.

• Alguns vírus, além de acidentes em geral, podem danificar os dados armazenados na tabela de partição, fazendo com que pareça que o HD foi formatado.

• Mas, na maioria dos casos, os dados continuam lá, intactos, e podem ser recuperados.

Estruturas Lógicas

• Depois que o disco rígido foi formatado e dividido em clusters, mais alguns setores são reservados para guardar a FAT ("file allocation table" ou "tabela de alocação de arquivos").

• A função da FAT é servir como um índice, armazenando informações sobre cada cluster do disco.

• Através da FAT, o sistema sabe se uma determinada área do disco está ocupada ou livre e pode localizar qualquer arquivo armazenado.

Estruturas Lógicas

• Cada vez que um novo arquivo é gravado ou apagado, o sistema operacional altera a FAT, mantendo-a sempre atualizada.

• A FAT é tão importante que, além da tabela principal, é armazenada também uma cópia de segurança, que é usada sempre que a tabela principal é danificada de alguma maneira.

• Todos os demais sistemas de arquivos utilizam algum tipo de índice, similar à FAT.

Estruturas Lógicas

• Quando o HD é reformatado, este índice é apagado e substituído por uma tabela em branco.

• Apesar disso, os arquivos continuam gravados nas mesmas posições, embora inacessíveis.

• Enquanto eles não forem realmente sobrescritos por outros, é possível recuperá-los usando um programa de recuperação de dados, como veremos em detalhes mais adiante.

Estruturas Lógicas

• Em seguida, temos o diretório raiz.

• Se fôssemos comparar um disco rígido, formatado em FAT16 ou FAT32 com um livro, as páginas seriam os clusters, a FAT serviria como as legendas e numeração das páginas, enquanto o diretório raiz seria o índice, com o nome de cada capítulo e a página onde ele começa.

Estruturas Lógicas

• O diretório raiz ocupa mais alguns setores no disco, logo após os setores ocupados pela FAT.

• Cada arquivo ou diretório do disco rígido possui uma entrada no diretório raiz, com o nome do arquivo, a extensão, a data de quando foi criado ou quando foi feita a última modificação, o tamanho em bytes e o número do cluster onde o arquivo começa.

Estruturas Lógicas

• Um arquivo pequeno pode ser armazenado em um único cluster, enquanto um arquivo grande é "quebrado" e armazenado ocupando vários clusters. Nesse caso, haverá no final de cada cluster uma marcação, indicando o próximo cluster ocupado pelo arquivo. No último cluster ocupado, temos um código que marca o fim do arquivo.

Estruturas Lógicas

• Quando um arquivo é deletado, simplesmente é removida sua entrada no diretório raiz, fazendo com que os clusters ocupados por ele pareçam vagos para o sistema operacional.

• Ao gravar um novo arquivo no disco, o sistema simplesmente procura o primeiro setor livre, continuando a gravá-lo nos setores livres seguintes, mesmo que estejam muito distantes uns dos outros.

Estruturas Lógicas

• Surge então o problema da fragmentação, que reduz consideravelmente a velocidade de acesso, já que dados espalhados significam mais movimentos da cabeça de leitura.

• Ao contrário de outros sistemas de arquivos mais modernos, o sistema FAT (tanto o FAT16 quanto o FAT32) não possui nenhum mecanismo que impeça, ou pelo menos diminua a fragmentação, daí a necessidade de rodar o defrag ou outro programa desfragmentador periodicamente.

• A função deles é mover os arquivos, de forma que eles fiquem gravados em clusters sequenciais.

Estruturas Lógicas

Conceitos de RAID

• Redundant Array of Independent Drives, mais conhecido como RAID ou em português: Conjunto Redundante de Discos Independentes, é um meio de se criar um sub-sistema de armazenamento composta por vários discos individuais, com a finalidade de ganhar segurança e desempenho.

• Desenvolvida pela IBM em 1978, para melhorar a confiabilidade e segurança de sistemas através de redundância.

Conceitos de RAID

• Trata-se de uma tecnologia e emprego de múltiplos discos rígidos e de paralelismo cujo propósito básico é usar redundância para aumento de confiabilidade e do desempenho de sistemas que operam grandes volumes de dados e exigem baixos tempos de transferência.

Conceitos de RAID

• Podemos usar a tecnologia RAID para se alcançar 2 (dois) objetivos:

• Combinar vários discos a se constituírem em uma única unidade lógica, onde os mesmos dados podem ser armazenados em todos eles, o que caracteriza redundância.

Conceitos de RAID

• Dividir o armazenamento em um grande volume de dados em mais de um disco, reduzindo o tempo de transferência, por usar múltiplos discos em paralelo, com se fosse um só.

Conceitos de RAID

• Apesar do RAID oferecer segurança e confiabilidade na adição de redundância com o objetivo de evitar falhas dos discos, o RAID não protege contra falhas de energia ou erros de operação.

• Falhas de energia, código errado de kernel ou erros operacionais podem danificar os dados de forma irrecuperável.

Conceitos de RAID

• Definições básicas:

• Array – É um agrupamento de discos ou “conjunto”, ou seja, ao se configurar dois ou mais discos, eles passam a formar um “conjunto” de discos, comumente chamado de apenas “ARRAY”.

Conceitos de RAID

• Hot-Swap – Ou “troca a quente”, é a possibilidade de adicionar ou remover um dispositivo sem a necessidade de desligar o computador. É o que acontece com pen drive, iPod, câmeras fotográficas, etc.

Conceitos de RAID

• Paridade é o método mais simples de verificar se um dado foi transmitido ou não corretamente. Consiste em adicionar um bit adicional para cada grupo de bits. É um método matemático para a recriação de dados perdidos de um único disco, o que aumenta a tolerância a falhas.

Níveis de RAID

• A tecnologia RAID tem possibilidade de ser implementada em várias condições e combinações diferentes, as quais já foram definidas como padrão, sendo denominadas por sete níveis diferentes, numerados de 0 (zero) a 6 (seis).

• Este níveis não implicam em uma relação hierárquica, mas designam diferentes arquiteturas de projeto e compartilham 3 características comuns:

Níveis de RAID

• O agrupamento de unidades de discos físicos, visto pelo sistema operacional como uma única unidade de disco lógico.

• Os dados são distribuídos pelas unidades de discos físicos do agrupamento.

• A capacidade de armazenamento redundante é utilizada para armazenar informação de paridade, garantindo a recuperação dos dados em caso de falha em algum disco.

Níveis de RAID

• Trataremos neste tópico os 3 níveis mais importantes e utilizados atualmente.

• RAID Nível 0 (Zero)

• RAID Nível 1 (Um)

• RAID Nível 5 (Cinco)

Níveis de RAID - Nível 0 (Striping)

• O RAID nível 0 não constitui de fato um membro da família RAID, uma vez que não inclui Redundância para melhora do desempenho, contudo, ele é utilizado em poucas aplicações, nos quais o desempenho e capacidade constituem requisitos primordiais e o baixo custo é mais importante do que a maior confiabilidade.

Níveis de RAID - Nível 0 (Striping)

• Consiste no uso de múltiplos Discos Físicos para a formação de um único Disco lógico.

• Esta técnica de armazenamento por dois ou mais discos chama-se STRIPING (que pode significar fracionamento).

Níveis de RAID - Nível 0 (Striping)

• Deve ser observado que este nível de RAID não aplica o conceito de redundância, pois não está colocando a mesma parte do arquivo em “mais de um disco”, mas partes diferentes.

• No striping, os dados do usuário e de sistema são distribuídos em todos os discos do agrupamento, ou seja, fragmenta-o ou fraciona-o em várias partes e cada uma é armazenada em um disco diferente, sendo todos eles acionados simultaneamente em uma transferência.

Níveis de RAID - Nível 0 (Striping)

DF = Disco Rígido Físico

DL = Disco Lógico

DL 1

DF 5

DF 4

DF 3

DF 2

DF 1

Níveis de RAID - Nível 0 (Striping)

Dados

DL 1

DF 4

DF 1

Um único disco falhou

TODOS OS DADOS FORAM PERDIDOS

DF 2

DF 3

DF 5

DF 6

Níveis de RAID – Nível 1 (mirroring)

• É o nível de RAID que consiste na implementação de outro objetivo da tecnologia RAID, a REDUNDÂNCIA, a qual é utilizada através de duplicação, triplicação ou mais de um determinado volume de dados por vários discos.

• Esta técnica é denominada de Mirroring ou ESPELHAMENTO de disco, sendo que para esta implementação são necessários no mínimo dois discos.

Níveis de RAID – Nível 1 (mirroring)

• No funcionamento deste nível de RAID cada transação de gravação de dados de um disco é realizada também no outro ou outros definidos no espelhamento, ou seja, todos os dados são gravados em dois discos diferentes; se um disco falhar ou for removido, os dados preservados no outro disco permitem a não descontinuidade da operação do sistema.

Níveis de RAID – Nível 1 (mirroring)

DF 1

DF 2

Um dos discos falhou

Os dados são mantidos no

outro disco (espelho)

Cópia

(Espelho)

Dados

(Primário)

=

Níveis de RAID – Nível 5

• Utilizam a técnica de acesso independente (cada disco opera independentemente), permitindo que requisições e E/S distintas possam ser atendidas em paralelo e com paridade.

Níveis de RAID – Nível 5

• A paridade se destina a toda matriz de discos e não apenas a um só disco onde todos os dados são gravados em dois discos diferentes, caso um disco falhar ou for removido, os dados preservados no outro disco permitem a não descontinuidade da operação do sistema.

• É necessário no mínimo 3 discos para se obter um agrupamento RAID 5.

Níveis de RAID – Nível 5

• A informação sobre paridade é distribuída por todos os discos; perdendo-se um, reduz-se a disponibilidade de ambos os dados e a paridade, até à recuperação do disco que falhou.

• Isto causa degradação do desempenho de leitura e de escrita.

Níveis de RAID – Nível 5

P 9-11

Bloco 6

Bloco 3

Bloco 0

Bloco 9

P 6-8

Bloco 4

Bloco 1

Bloco 10

Bloco 7

P 3-5

Bloco 2

Bloco 11

Bloco 8

Bloco 5

P 0-2

Dados (com paridade)

Níveis de RAID – Nível 5

Um dos discos falhou Os dados permanecem Salvos Um segundo disco falhou !!!

TODOS OS DADOS SÃO PERDIDOS

Paridade Hot Spare

Substituição

On-line Dados

Arquiteturas RAID

• Uma tecnologia RAID pode ser implementado tanto através de software quanto através de hardware.

Arquitetura via software

• Na implementação via software, o sistema operacional gerencia o RAID através da controladora de discos, sem a necessidade de um controlador de RAIDs, tornando-a seu custo menor.

• Nesse tipo de implementação, todo o processamento necessário para o gerenciamento do RAID é feito pela CPU.

Arquitetura via software

• Toda movimentação de dados (leitura e escrita) é feita por uma camada de software que faz a abstração entre a operação lógica (RAID) e os discos físicos, e é controlada pelo sistema operacional.

• A configuração do RAID via software é feita pelo sistema operacional, que precisa ter implementado no próprio kernel a utilização de RAIDs via software.

Arquitetura via hardware

• Controladoras RAID em hardware usam layouts de disco proprietários (e diferentes). Por isso, normalmente não é possível misturar controladoras de fabricantes diferentes.

• Eles não utilizam recursos do processador. A BIOS pode iniciar (dar boot) por ela, e um integração maior com o driver de dispositivo pode oferecer um melhor tratamento de erros.

Arquitetura via hardware

• A maioria das implementações em hardware também suporta o "hot-swapping", permitindo que discos com falha sejam substituídos enquanto o sistema está sendo executado

Arquitetura via hardware

• Um implementação de RAID em hardware requer pelo menos uma controladora especialmente dedicada para isso.

• Implementações em hardware proveem performance garantida, não sobrecarregam o processador e podem suportar vários sistemas operacionais, já que a controladora apresentará ao sistema operacional um disco simples.

Arquitetura via hardware

Arquitetura via software

Arquitetura via software

Sistemas Operacionais

• Os sistemas operacionais são softwares que gerenciam o hardware (todos os elementos), outros softwares e aplicativos, a fim de que todos esses elementos trabalhem em conjunto.

Sistemas Operacionais

• Por isso, é comum definir a função dos sistemas operacionais para:

Controlar o hardware;

Controlar o software;

Fornecer a interface gráfica;

Controlar os sistemas de arquivos;

Sistemas Operacionais

• O sistema operacional está no nosso computador, no tablet, celular, gps, cabine de avião, entre outros.

• Fazendo a interação das aplicações como os componentes eletrônicos.

Sistemas Operacionais

• Realmente não é possível conceber que os sistemas operacionais de antes seriam iguais aos de hoje, mas ele ainda tem essa função crucial de fazer a comunicação homem e máquina.

• Ou melhor dizer, aplicativo e máquina.

Sistemas Operacionais

• Ou seja, agora o Sistema Operacional deve também “administrar” vários hardwares e softwares que trabalham ao mesmo tempo, muitas vezes compartilhando de um mesmo recurso, um de cada vez, cabendo ao sistema operacional organizar todas essas operações para o bom funcionamento do todo, com eficiência e segurança. Assim “sistemas operacionais são, primordialmente, gerenciadores de recursos”.

Sistemas Operacionais

• Isso também por conta do sistema operacional fazer interação com memória, processador e demais periféricos permitindo que os desenvolvedores em geral focassem nos principais requisitos do software em desenvolvimento.

Sistemas Operacionais

• Uma das razões do sucesso do MS-DOS foi oferecer um ambiente propício para desenvolvimento.

• Com vários aplicativos desenvolvidos para MS-DOS, muitas pessoas adquiriram este sistema operacional e, consequentemente, o Personal Computer.

• Com essa base de aplicação estabelecida, tem-se uma gama de usuários fidelizados, em outras palavras, com grande resistência para mudar de plataforma.

Sistemas Operacionais

• Para fazer todas as suas tarefas, o sistema operacional consiste em um conjunto de rotinas que, como qualquer outro programa, é executado pelo processador.

• A diferença é que no Sistema Operacional, essa atividade é realizada de forma assíncrona, ou seja, não é executada de uma forma linear, mas executadas concorrentemente conforme a realização dos eventos externos.

Características Esperadas no Sistema Operacional

• Eficiência

• É bem comum se dizer que um sistema é eficiente ou não é eficiente, ou ainda que se tornou mais eficiente.

• Essa é uma forma de dizer quanto tempo o processador leva para concluir determinada tarefa.

• Robustez

• Quando se diz que um sistema operacional é robusto, significa que ele resiste a falhas, tornando-se confiável.

• Quando o sistema não é robusto, costuma travar por pequenas falhas.

• Escalabidade

• Sistemas assim podem receber upgrade, acrescentado recursos.

• Extensibilidade

• Capta as novas tecnologias executando tarefas que vão além do seu projeto original.

• Portabilidade

• Permite que sistema rode em várias configurações de hardware.

• Segurança

• Protege recursos de invasores.

• Interatividade

• Reponde com agilidade às ações do usuário

• Usabilidade

• Que tem base para receber vários grupos de usuários.