Cours 11/13 : Disques SSD, Disques RAID

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Disques SSD Disques RAID Conclusion

Syst` emes d’Exploitation

Cours 11/13 : Disques SSD, Disques RAID

Nicolas Sabouret

Universit´e Paris-Sud Licence 3 - semestre S5

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Plan

1 Disques SSD

2 Disques RAID

3 Conclusion

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Principe général Problème d’usure Wear Leveling dynamique Wear Leveling statique

Plan

1 Disques SSD Principe général Problème d’usure

Wear Leveling dynamique Wear Leveling statique

2 Disques RAID

3 Conclusion

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Solid State Drive

Principe

Support physique

Sans support magn´etique(vs disque dur) R´einscriptiblede nombreuse fois (vs CD)

Apparition des clefs USB fin ann´ees 90

→premiers SSD

Cartes mémoires (ex : photo) début années 2000 Smartphones (2007) : utilisation des cartes SSD comme disque

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Solid State Drive

Principe

Support physique

Sans support magn´etique(vs disque dur) R´einscriptiblede nombreuse fois (vs CD) Un peu d’histoire

Apparition des clefs USB fin ann´ees 90

→premiers SSD

Cartes mémoires (ex : photo) début années 2000 Smartphones (2007) : utilisation des cartes SSD comme disque

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Performance

´Evolution tr`es rapide

Jusqu’en 2013, le SSD est plus cheretmoins rapidequ’un DD

Exemple

110 Mo/s en test pour un DD 500 Go `a 80¿ 50 Mo/s pour un SSD 120 Go `a 80¿

Vitesse de rotation + mouvement bras ne monte (presque) plus Jusquà 500 Mo/s pour un SSD de 500 Go à 1000¿en 2013 Depuis 2015, les SSD sont très compétitifs : 500 Mo/s pour un SSD de 250 Go à 100¿!

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Performance

Exemple

Mais la technologie n’a pas les même limites que les DD : Vitesse de rotation + mouvement bras ne monte (presque) plus Jusquà 500 Mo/s pour un SSD de 500 Go à 1000¿en 2013

Depuis 2015, les SSD sont très compétitifs : 500 Mo/s pour un SSD de 250 Go à 100¿!

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Performance

Exemple

Mais la technologie n’a pas les même limites que les DD : Vitesse de rotation + mouvement bras ne monte (presque) plus Jusquà 500 Mo/s pour un SSD de 500 Go à 1000¿en 2013 Depuis 2015, les SSD sont très compétitifs : 500 Mo/s pour un SSD de 250 Go à 100¿!

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Structure de fichier Formatage

Blocs512 Kod´ecoup´es enpages de 4 Ko munies de 128 bits de code d’erreur

3 Pagination des blocs en m´emoire → partage du cache

Mat´eriel

RAM interne (joue le rˆole decache)

Le syst`eme ne communique qu’avec cette RAM interne

Bus en s´erie→ charger les 128 pages d’un coup ! D´etection d’erreurs

Contrôleur de périphérique → détecter les erreurs lors de l’écriture depuis la RAM interne

Bien géré par les OS récents (Windows≥7, Linux, MacOS)

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3 Pagination des blocs en m´emoire → partage du cache Mat´eriel

Bus en s´erie→ charger les 128 pages d’un coup !

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3 Pagination des blocs en m´emoire → partage du cache Mat´eriel

Bus en s´erie→ charger les 128 pages d’un coup ! D´etection d’erreurs

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Comment ¸ca marche ?

Id´ee

On souhaite faire des supports amovibles sans bande magn´etique

. . . mais sans avoir besoin de l’alimenter !

Ü Comment maintenir charg´e un bit sans bascule RS? M´ecanisme

Charger unegrille électromagnétiquede manière à ce que les

´electrons ne s’´echappent pas

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Id´ee

On souhaite faire des supports amovibles sans bande magn´etique On veut imiter le principe d’une RAM. . .

Ü Comment maintenir charg´e un bit sans bascule RS?

M´ecanisme

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Id´ee

On souhaite faire des supports amovibles sans bande magn´etique On veut imiter le principe d’une RAM. . .

Ü Comment maintenir charg´e un bit sans bascule RS? M´ecanisme

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Effet tunnel

Effet tunnel (Fowler-Nordheim)

Une particule peut (parfois) franchir une grille mˆeme si elle a un potentiel trop faible

Effet de m´ecanique quantique→ non d´eterministe

Bit SSD : m´emoire flash NAND

Transistor avec une grille flottante qui bloque les ´electrons

Source Drain n-Channel Control gate

Floating gate Isolator

source : Widipedia

Le n-tunnel constitue unsubstrat dans lequel se trouvent des

´electrons.

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Effet tunnel

Effet tunnel (Fowler-Nordheim)

Une particule peut (parfois) franchir une grille mˆeme si elle a un potentiel trop faible

Effet de m´ecanique quantique→ non d´eterministe

Bit SSD : m´emoire flash NAND

Transistor avec une grille flottante qui bloque les ´electrons

source : Widipedia

Le n-tunnel constitue unsubstrat dans lequel se trouvent des

´electrons.

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Fonctionnement

Modification de l’´etat

Tension entre les deux bornes n+ et n- Tension plus élevée sur la grille de contrôle

→une partie des ´electrons va sur la grille flottante par effet tunnel, jusqu’`a saturation.

Courant invers´e (n- vers n+)→la grille se d´echarge (par effet tunnel)

´Etat

Mesure depuis la grille de contrˆole

Grille flottante satur´ee→ isolante (pas de tension)→ bit 0 Grille flottante vid´ee→ conductrice (tension)→ bit 1

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Fonctionnement

Modification de l’´etat

Tension entre les deux bornes n+ et n- Tension plus élevée sur la grille de contrôle

→une partie des ´electrons va sur la grille flottante par effet tunnel, jusqu’`a saturation.

Courant invers´e (n- vers n+)→la grille se d´echarge (par effet tunnel)

´Etat

Mesure depuis la grille de contrˆole

Grille flottante satur´ee→ isolante (pas de tension)→ bit 0 Grille flottante vid´ee→ conductrice (tension)→ bit 1

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Probl`eme

Grille flottante

Données = (dé)saturation de la grille flottante Ü Il reste toujours des électrons. . .

Au fur et `a mesure, la grille se d´e-sature de moins en moins

Usure

Entre 10 000 et 50 000 cycles d’´ecriture maximum

Ü Politique de gestion de l’usure

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Probl`eme

Grille flottante

Données = (dé)saturation de la grille flottante Ü Il reste toujours des électrons. . .

Au fur et `a mesure, la grille se d´e-sature de moins en moins

Usure

Entre 10 000 et 50 000 cycles d’´ecriture maximum Ü Politique de gestion de l’usure

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Allocation des blocs Strat´egie de base

Bloc logique→adresse physique (secteur)

Inconv´enients

7 Effacer le secteur + recopier nouvelle valeur → lent ! 7 Fichiers souvent modifiés(ex : données d’état)→ secteurs plus

vite inutilisables

source :http://tomsharedware.fr

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Bloc logique→adresse physique (secteur) Inconv´enients

7 Effacer le secteur + recopier nouvelle valeur → lent !

vite inutilisables

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Bloc logique→adresse physique (secteur) Inconv´enients

7 Effacer le secteur + recopier nouvelle valeur → lent ! 7 Fichiers souvent modifiés(ex : données d’état) → secteurs plus

vite inutilisables

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Gestion de l’usure

ouwear levelling Disque

Le disque est inutilisable d`es que X secteurs ont atteint leur limite, quelque soit l’´etat des autres blocs !

Pas de problème de temps d’accès(rotation et déplacement bras) : tous les secteurs sont accessibles à la même vitesse

Ü Il n’est plus n´ecessaire d’avoir une correspondance adresse logique ↔ adresse physique (ex : blocs contigu¨e)

(25)

Remarque

Pas de problème de temps d’accès(rotation et déplacement bras): tous les secteurs sont accessibles à la même vitesse

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Remarque

Pas de problème de temps d’accès(rotation et déplacement bras): tous les secteurs sont accessibles à la même vitesse

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Wear Leveling dynamique

Principe

Changement de secteur sur ´ecriture

Avantages

3 Répartirl’écriture sur les différents secteurs libres

→ Moins d’usure

3 Libérer les anciens secteurspendant que le périphérique est inutilisé

→ Gain de performance

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Wear Leveling dynamique

Principe

Changement de secteur sur ´ecriture Avantages

3 Répartirl’écriture sur les différents secteurs libres

→ Moins d’usure

3 Libérer les anciens secteurs pendant que le périphérique est inutilisé

→ Gain de performance

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WL dynamique : fonctionnement I

Table d’adresse des blocs logiques

Logic Bloc Adresses (LBA)

Adresse physique (secteur)

Adresse Logique n° bloc(oulibre)

Bit d’invalidit´e du secteur

truesi le secteur doit être nettoyé et marqué libre. . .

Usure (nombre d’´ecriture) Date derni`ere modification

secteur : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc : 1 4 2 6 0 L 9 3 L L 5 7 8 L L L

date : 53 41 106 99 72 87 55 31 80 58 64 67 91 61 0 0

usure : 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 0 0

inval. : F F F F F F F F T F F F F T F F

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WL dynamique : fonctionnement I Table d’adresse des blocs logiques

Logic Bloc Adresses (LBA)

Adresse physique (secteur)

Adresse Logique n° bloc(oulibre)

Bit d’invalidit´e du secteur

truesi le secteur doit être nettoyé et marqué libre. . .

Usure (nombre d’´ecriture) Date derni`ere modification Fonctionnement

Ecriture´ : choix nouvelle adresse physique + marquer secteur invalide et libre

Temps libre : nettoyer secteurs invalides

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WL dynamique : fonctionnement II

Choix d’une nouvelle adresse physique

Listetri´eedes secteurs libres(et valides)par usure Ü Choisir le secteur libre le moins us´e

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Exemple :

secteur : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

logique : 1 4 2 6 0 L 9 3 L L 5 7 8 L L L

usure : 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 0 0

Demandes d’´ecriture : A

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Exemple :

secteur : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

logique : 1 4 2 6 0 L 9 3 L L 5 7 8 L L L

usure : 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 0 0

En cas d’´egalit´e, je prend le premier secteur libre

(34)

Exemple :

secteur : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

logique : 1 4 2 6 0 L 9 3 L L 5 7 8 L A L

usure : 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 1 0

Demandes d’´ecriture : A1

(35)

Exemple :

secteur : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

logique : 1 4 2 6 0 L 9 3 L L 5 7 8 L A L

usure : 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 1 0

Lib´erer le secteur contenant le bloc 1

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Exemple :

secteur : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

logique : L 4 2 6 0 L 9 3 L L 5 7 8 L A 1

usure : 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 1 1

Demandes d’´ecriture : A 1 7

(37)

Exemple :

secteur : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

logique : L 4 2 6 0 L 9 3 L L 5 7 8 L A 1

usure : 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 1 1

(38)

Exemple :

secteur : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

logique : 7 4 2 6 0 L 9 3 L L 5 L 8 L A 1

usure : 3 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 1 1

Demandes d’´ecriture : A 1 7 1

(39)

Exemple :

secteur : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

logique : 7 4 2 6 0 L 9 3 L L 5 L 8 L A 1

usure : 3 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 1 1

Même si mon secteur est moins usé, je déplace

(40)

Exemple :

secteur : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

logique : 7 4 2 6 0 L 9 3 L L 5 L 8 1 A L

usure : 3 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 4 1 1

(41)

Exemple :

secteur : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

logique : 7 4 2 6 0 L 9 3 L L 5 L 8 1 A L

usure : 3 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 4 1 1

(42)

Exemple :

secteur : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

logique : 7 4 L 6 0 L 9 3 L L 5 L 8 1 A 2

usure : 3 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 4 1 2

Demandes d’´ecriture : A 1 7 1 2

(43)

WL dynamique : limite

Usure desblocs

Seule l’usure des blocsremplacésest égalisée : Ü les blocs lus n’usent pas!

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WL dynamique : limite

Usure desblocs

Seule l’usure des blocsremplacésest égalisée : Ü les blocs lus n’usent pas!

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Wear Leveling statique Principe

D´eplacer les blocs qui ne sont pas ´ecrits

→choisir syst´ematiquement le secteur le moins us´e

Impl´ementation Table LBA :

secteur, bloc, bit d’invalidit´e, usure, date(en nombre d’´ecritures sur le SSD)

Bloc statique/dynamique

Un bloc modifié depuis moins de tl pas de temps est considéré dynamique.

→ Il ne peut pas être déplacé.

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Wear Leveling statique Principe

D´eplacer les blocs qui ne sont pas ´ecrits

→choisir systématiquement le secteur le moins usé Implémentation

Table LBA :

secteur, bloc, bit d’invalidit´e, usure, date(en nombre d’´ecritures sur le SSD)

Bloc statique/dynamique

Un bloc modifié depuis moins de tl pas de temps est considéré dynamique.

→ Il ne peut pas être déplacé.

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WL statique : algorithme

Algorithme

Chercher le secteur le moins utilis´e Il est libre→ l’utiliser

Il contient un bloc dynamique → choisir un autre secteur Il contient un bloc statique →d´eplacer le bloc(suivant le mˆeme algorithme)

Impl´ementation

Liste des secteurs libres ou contenant des blocs statiques. . . tri´ee par usure croissante

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WL statique : algorithme

Algorithme

Chercher le secteur le moins utilis´e Il est libre→ l’utiliser

Il contient un bloc dynamique → choisir un autre secteur Il contient un bloc statique →d´eplacer le bloc(suivant le mˆeme algorithme)

Impl´ementation

Liste des secteurs libres ou contenant des blocs statiques. . . tri´ee par usure croissante

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WL statique : exemple

Principe

Choisir le secteur le moins utilisé et déplacer si bloc statique Exemple :t_l = 10 et date = 107ê écriture

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 4 1 2 6 0 L 9 3 L L 5 7 8 L L L

date 53 41 106 92 72 87 55 31 80 58 64 67 91 61 0 0

usure 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 0 0

(50)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 4 1 2 6 0 L 9 3 L L 5 7 8 L L L

date 53 41 106 92 72 87 55 31 80 58 64 67 91 61 0 0

usure 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 0 0

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Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 4 1 2 6 0 L 9 3 L L 5 7 8 L L L

date 53 41 106 92 72 87 55 31 80 58 64 67 91 61 0 0

usure 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 0 0

En cas d’´egalit´e, je prend le premier secteur

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Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 4 1 2 6 0 L 9 3 L L 5 7 8 L A L

date 53 41 106 92 72 87 55 31 80 58 64 67 91 61 107 0

usure 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 1 0

(53)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 4 1 2 6 0 L 9 3 L L 5 7 8 L A L

date 53 41 106 92 72 87 55 31 80 58 64 67 91 61 107 0

usure 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 1 0

(54)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 4 L 2 6 0 L 9 3 L L 5 7 8 L A 1

date 53 41 106 92 72 87 55 31 80 58 64 67 91 61 107 108

usure 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 1 1

(55)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 4 L 2 6 0 L 9 3 L L 5 7 8 L A 1

date 53 41 106 92 72 87 55 31 80 58 64 67 91 61 107 108

usure 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 1 1

(56)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 4 L 2 6 0 L 9 3 L L 5 L 8 L A 1

date 53 41 106 92 72 87 55 31 80 58 64 67 91 61 107 108

usure 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 1 1

Demandes d’´ecriture : A 1 7 Le bloc 7 est retir´e

Les blocs dynamiques sont prot´eg´es

(57)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 4 L 2 6 0 L 9 3 L L 5 L 8 L A 1

date 53 41 106 92 72 87 55 31 80 58 64 67 91 61 107 108

usure 2 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 1 1

Demandes d’´ecriture : A 1 7 Le bloc 4 est statique

(58)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 7 L 2 6 0 L 9 3 L L 5 L 8 L A 1

date 109 41 106 92 72 87 55 31 80 58 64 67 91 61 107 108

usure 3 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 1 1

Demandes d’´ecriture : A 1 7 4 Il faut maintenant replacer le bloc 4 !

(59)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 7 L 2 6 0 L 9 3 L L 5 L 8 L A 1

date 109 41 106 92 72 87 55 31 80 58 64 67 91 61 107 108

usure 3 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 3 1 1

En cas d’égalité, on préfère un secteur libre

plutôt qu’un bloc statique qui serait déplacé. . . dans ce même bloc !

(60)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 7 L 2 6 0 L 9 3 L L 5 L 8 4 A 1

date 109 41 106 92 72 87 55 31 80 58 64 67 91 109 107 108

usure 3 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 4 1 1

On peut consid´erer qu’on est toujours au cycle 109. . .

(61)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 7 L 2 6 0 L 9 3 L L 5 L 8 4 A 1

date 109 41 106 92 72 87 55 31 80 58 64 67 91 109 107 108

usure 3 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 4 1 1

(62)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 7 L 2 6 0 L 9 3 L L 5 L 8 4 A 1

date 109 41 106 92 72 87 55 31 80 58 64 67 91 109 107 108

usure 3 8 7 3 6 5 8 6 7 9 6 8 8 4 1 1

(63)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 7 L 2 1 0 L 9 3 L L 5 L 8 4 A L

date 109 41 106 110 72 87 55 31 80 58 64 67 91 109 107 108

usure 3 8 7 4 6 5 8 6 7 9 6 8 8 4 1 1

Demandes d’´ecriture : A 1 7 4 1 6

(64)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 7 L 2 1 0 L 9 3 L L 5 L 8 4 A L

date 109 41 106 110 72 87 55 31 80 58 64 67 91 109 107 108

usure 3 8 7 4 6 5 8 6 7 9 6 8 8 4 1 1

Demandes d’´ecriture : A 1 7 4 1 6

Un secteur libre n’est jamaisdynamique !

(65)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 7 L 2 1 0 L 9 3 L L 5 L 8 4 A 6

date 109 41 106 110 72 87 55 31 80 58 64 67 91 109 107 110

usure 3 8 7 4 6 5 8 6 7 9 6 8 8 4 1 2

Demandes d’´ecriture : A 1 7 4 1 6 2

(66)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 7 L 2 1 0 L 9 3 L L 5 L 8 4 A 6

date 109 41 106 110 72 87 55 31 80 58 64 67 91 109 107 110

usure 3 8 7 4 6 5 8 6 7 9 6 8 8 4 1 2

(67)

Principe

sect. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

bloc 7 L L 1 0 2 9 3 L L 5 L 8 4 A 6

date 109 41 106 110 72 111 55 31 80 58 64 67 91 109 107 110

usure 3 8 7 4 6 6 8 6 7 9 6 8 8 4 1 2

(68)

Wear Leveling statique

Avantage

Bien meilleure r´epartition de l’usure

Ecriture sur le disque´ → les blocs sont d´eplac´es sur tout le support

L’´ecart d’usure maximum esttl

Moyenne d’utilisation faible (mais pas homog`ene)

(69)

Principe général RAID 0 RAID 1 RAID 2 à 4 RAID 5 RAID : combinaison

Plan

1 Disques SSD

2 Disques RAID Principe g´en´eral RAID 0

RAID 1 RAID 2 `a 4 RAID 5

RAID : combinaison

3 Conclusion

(70)

Redundant Array of Inexpensive Disks Disques RAID

Redundant : duplication

Array : en parallèle, données réparties Inexpensive : pas cher

Utilisationen parallèle de disques sur lesquels les données sont réparties et dupliquées

Am´eliorer

3 La performance 3 La fiabilit´e

(71)

Redundant Array of Inexpensive Disks Disques RAID

Redundant : duplication

Array : en parallèle, données réparties Inexpensive : pas cher

Principe

Utilisationen parallèle de disques sur lesquels les données sont réparties et dupliquées

Am´eliorer

3 La performance 3 La fiabilit´e