操作系统论文 操作系统文件管理和设备管理

操作系统文件管理和设备管理The file of operating system is managed with equipment management 一 摘要(Make a summary)操作系统的文件管理和设备管理是操作系统的两大功能和难题，该论文的目的主要是为了探讨一下操作系统中的文件管理和设备管理的面临的问题和相关的解决思路和方法。FAN由下列六个核心组件构成：存储设备、文件服务设备/接口、命名空间、文件管理和控制服务、客户端、连接。提供FAN解决方案的厂商：Brocade、微软、EMC、其它像HP、NetApp等公司都提出自身特色的FAN解决方案，前景可观。设备管理与文件管理的合作关系即：文件管理实现文件存取前的准备工作，而文件的物理存取由设备管理实现. Linux系统采用设备文件统一管理硬件设备，从而将硬件设备的特性及管理细节对用户隐藏起来，实现用户程序与设备无关性。在构建系统内核时，可以使用配置脚本将设备驱动程序包含在系统内核中。The file of operating system is managed with equipment management is the two great merits of operating system can with baffling problem, the purpose of this paper major is for discuss the file in operating system related solution and the problem of management and equipment management that is faced with train of thought and method. FAN is formed by 6 following key assemblies: Stock equipment , file service equipment /interface , name space and file management and control service, customer end and connection. Offer FAN the manufacturer of solving schema: Brocade Microsoft and EMC , the other companies such as HP and NetApp put forward the FAN solving schema of self characteristic , prospect considerable. Equipment is managed with file the cooperative relation of management: File management realization the preparation work before file access, and the physical access of file is realized by equipment management. Linux system adopt equipment file unified management hardware equipment, so, hide management details and the property of hardware equipment for user , realize user program and equipment to be unconcerned sex. When founding systematic kernel can use disposition script will equipment driver.关键字： 文件管理：File is managed 设备管理 Equipment is managed二 操作系统的文件管理功能(Operating system file management function)文件是一个在逻辑上具有完整意义的一组相关信息的有序集合，计算机系统中的信息，如系统程序、标准子程序、应用程序和各种类型的数据，通常都以文件的形式保存在外存中。操作系统中与管理文件有关的软件和数据称为文件系统。文件系统作为一个统一的信息管理机制，应具有下述功能：（1） 统一管理文件存储空间（即外存），实施存储空间的分配与回收。即在用户创建新文件时为其分配空闲区，而在用户删除或修改某个文件时，回收和调整存储区。（2） 确定文件信息的存放位置及存放形式。（3） 实现文件从名字空间到外存地址空间的映射，实现文件的按名存取。即文件有一个用户可见的逻辑结构，用户按照文件逻辑结构所给定的方式进行信息的存取和加工，并且这种逻辑结构是独立于物理存储设备的，从而使用户不必了解文件存放的物理结构和查找方法等与存取介质有关的部分，只需给定一个代表某一文件的文件名，文件系统就会自动地完成对与给定文件名相对应文件的有关操作。（4） 有效实现对文件的各种控制操作（如建立、撤销、打开、关闭文件等）和存取操作（如读、写、修改、复制、转储等）。（5） 实现文件信息的共享，并且提供可靠的文件保密和保护措施。1.文件管理的难题所在(File the place of baffling problem of management)有统计数据表明，在当今的企业环境中，有60%80%的数据是非结构化的，比如图片、文件等。这些数据的量虽然庞大，但大多分散于企业的数据中心以外，比如存储在PC机、笔记本电脑中，企业平时很少留心，也疏于管理。 许多企业现有的存储架构和应用方案多是针对数据库这样的结构化数据设计的，并不适合文件的存储与管理。在文件的管理工作量不大的情况下，使用NAS或是普通的文件管理工具，似乎也可以很好地解决文件管理中遇到的问题。但是，我们必须注意到这样一种趋势：用户的文件正以平均每年30%的速度增长；大量法律法规的出现增加了文件的存储量；大量数据散落在分支机构，增加了文件的管理难度；不断购买的存储设备导致各个文件服务器和NAS成为孤岛；缺乏针对文件系统的高可靠方案以及快速恢复解决方案。 上述难题从客观上催生了FAN这一新兴应用。FAN全称File Area Network，文件区域网络是一种系统方法，通过有效地整合多种文件技术，为用户提供一个可扩展的、灵活的、智能的文件信息共享平台2.FAN由下列六个核心组件构成(FAN is formed by 6 following key assemblies)存储设备：部署FAN的最基本条件是存储的基础设施，可以是SAN或NAS环境。唯一的先决条件是FAN必须利用联网的存储环境，才能实现数据和资源的共享。 文件服务设备/接口：可以是直接集成在存储基础设施上的一部分（如NAS），或作为网关接口（如SAN），所有FAN的设备必须具有标准协议（如CIFS或NFS）进行文件级操作。命名空间：所有FAN都建立在现有文件系统的基础上，为授权用户组织、展示和存储文件内容。这种功能被称为文件系统的“命名空间”，是整个FAN的核心概念，在FAN中可以存在多种命名空间。文件管理和控制服务：该服务与命名空间进行互操作，为企业创造更多价值。从部署方面看，这些服务可以直接与文件系统集成，或集成在联网设备中，也可以是单独的服务。文件管理和控制服务包括文件虚拟化、分类、复制和广域文件服务。客户端：所有的FAN都具有可以访问由文件系统创建的命名空间的终端客户机。这些客户端可以位于任何平台或计算设备上。连接：FAN具有多种连接终端客户端和命名空间的方法，通常是通过标准LAN进行连接，但是也可以同时或交替地利用任何广域网技术。目前，文件管理的新技术主要包括广域文件服务（WAFS）、WAN优化和应用加速、分布式和集群文件系统、网络文件管理（NFM）/文件虚拟化、文件/文档管理软件、文件分类软件，以及文件数据的存放/移动控制。FAN是一个可扩展的灵活的智能平台，用来帮助企业更加有效地处理文件信息。 3文件管理三大法宝(File 3 management big a magic weapons)要想解决文件管理中的诸多难题，必须从以下三方面入手：文件虚拟化引擎、可管理的分支机构以及权限管理。 近年来，Brocade公司在产品战略上实现了重要转移，将其产品从数据块级SAN光纤交换机，扩展到文件级管理解决方案，并通过收购提供命名空间创建和文件服务解决方案的NuView软件公司，以及与Packeteer-Tacit达成合作伙伴关系，Brocade的业务由原来的核心SAN交换机领域扩展为SAN交换机和FAN解决方案两大业务并驾齐驱。 为了解决文件资源的集中管理问题，Brocade推出了Tapestry产品家族，其产品主要包括StorageX(文件集中管理平台)、WAFS(异地文件集中和广域网文件加速设备)以及MyView(文件访问权限索引平台)等。 Brocade Tapestry StorageX是一个文件资源虚拟管理解决方案。它是一个集成应用程序套件，用于从逻辑上整合异构环境中分散的文件数据，为管理员提供自动数据管理方案。Tapestry StorageX的基础是全域命名空间功能，可以将多个文件系统虚拟化到单一的逻辑文件系统中，统一地虚拟化企业所存储的异构文件数据。用户无需知道分散文件的位置情况，就可以直观地访问这些文件，就像我们访问Web站点而不知道IP地址一样。 Brocade Tapestry WAFS是Tapestry家族中最早推出的产品之一，可以帮助用户以安全、可靠的方式整合全局存储资源，简化远程分支机构的IT服务，优化广域网文件传输，进而达到降低运营成本和提高管理效率的目的。 Brocade Tapestry MyView是一个全域资源访问管理解决方案，可以全面满足企业内部Windows文件资源的个性化安全访问需求。MyView可以动态地为企业中的每个用户建立个性化命名空间，简化数据访问过程，进一步增强了安全性。MyView并不提供访问授权，而是提供一个集中化的视图，生成授权与资源访问报告，让管理员可以直观地看到每个文件的访问权限。 三 操作系统的设备管理功能(The equipment management function of operating system)在计算机的运行过程中，系统设备是必不可少的，它把硬件和其驱动程序紧密地联系起来，能够保证系统正常高效地工作。系统设备中存放着硬件和设备的信息，用户可以使用“硬件向导”安装、卸载新硬件或配置硬件文件。在设备管理器中会显示计算机上安装的设备并允许更改设备属性，用户还可以为不同的硬件配置创建硬件配置文件Linux操作系统设备特性及设备管理分析设备管理是操作系统五大管理中最复杂的部分。与Unix系统一样，Linux系统采用设备文件统一管理硬件设备，从而将硬件设备的特性及管理细节对用户隐藏起来，实现用户程序与设备无关性。在Linux系统中，硬件设备分为两种，即块设备和字符设备。 1.特别文件(Special file)用户是通过文件系统与设备接口的，所有设备都作为特别文件，从而在管理上就具有一些共性。 (1)每个设备都对应文件系统中的一个索引节点，都有一个文件名。设备的文件名一般由两部分构成，第一部分是主设备号，第二部分是次设备号。 主设备号代表设备的类型，可以惟一地确定设备的驱动程序和界面，如hd表示IDE硬盘，sd表示SCSI硬盘，tty表示终端设备等；次设备号代表同类设备中的序号，如hda表示IDE主硬盘，hdb表示IDE从硬盘等。 （2）应用程序通常可以通过系统调用open( )打开设备文件，建立起与目标设备的连接。 （3）对设备的使用类似于对文件的存取。打开设备文件以后，就可以通过read( )、write( )、ioctl( )等文件操作对目标设备进行操作。 （4）设备驱动程序都是系统内核的一部分，它们必须为系统内核或它们的子系统提供一个标准的接口。例如，一个终端驱动程序必须为Linux内核提供一个文件I/O接口；一个SCSI设备驱动程序应该为SCSI子系统提供一个SCSI设备接口，同时SCSI子系统也应为内核提供文件I/O和缓冲。（5）设备驱动程序利用一些标准的内核服务，如内存分配等。另外，大多数Linux设备驱动程序都可以在需要时装入内核，不需要时可以卸载下来。 处于应用层的进程通过文件描述字fd与已打开文件的file结构相联系。在文件系统层，按照文件系统的操作规则对该文件进行相应处理。 对于一般文件(即磁盘文件)，要进行空间的映射从普通文件的逻辑空间映射到设备的逻辑空间，然后在设备驱动层做进一步映射从设备的逻辑空间映射到物理空间(即设备的物理地址空间)，进而驱动底层物理设备工作。 对于设备文件，则文件的逻辑空间通常就等价于设备的逻辑空间，然后从设备的逻辑空间映射到设备的物理空间，再驱动底层的物理设备工作。2.设备驱动程序和内核之间的接口(The interface between equipment driver and kernel)Linux系统和设备驱动程序之间使用标准的交互接口。无论是字符设备、块设备还是网络设备的驱动程序，当内核请求它们提供服务时，都使用同样的接口。 Linux提供了一种全新的机制，就是“可安装模块”。可安装模块是可以在系统运行时动态地安装和拆卸的内核模块。利用这个机制，可以根据需要在不必对内核重新编译连接的条件下，将可安装模块动态插入运行中的内核，成为其中一个有机组成部分，或者从内核卸载已安装的模块。设备驱动程序或与设备驱动紧密相关的部分(如文件系统) 都是利用可安装模块实现的。 在应用程序界面上，利用内核提供的系统调用来实现可安装模块的动态安装和拆卸。但通常情况下，用户是利用系统提供的插入模块工具和移走模块工具来装卸可安装模块。插入模块的工作主要如下： (1) 打开要安装的模块，把它读到用户空间。这种“模块”就是经过编译但尚未连接的.o文件。 (2) 必须把模块内涉及对外访问的符号(函数名或变量名)连接到内核，即把这些符号在内核映象中的地址填入该模块需要访问这些符号的指令及数据结构中。 (3) 在内核创建一个module数据结构，并申请所需的系统空间。 (4) 最后，把用户空间中完成了连接的模块映像装入内核空间，并在内核中“登记”本模块的有关数据结构(如file_operations结构)，其中有指向执行相关操作函数的指针。 如前所述，Linux系统是一个动态的操作系统。用户根据工作中的需要，会对系统中设备重新配置，如安装新的打印机、卸载老式终端等。这样，每当Linux系统内核初启时，它都要对硬件配置进行检测，很有可能会检测到不同的物理设备，就需要不同的驱动程序。 在构建系统内核时，可以使用配置脚本将设备驱动程序包含在系统内核中。在系统启动时对这些驱动程序初始化，它们可能未找到所控制的设备，而另外的设备驱动程序可以在需要时作为内核模块装入到系统内核中。 为了适应设备驱动程序动态连接的特性，设备驱动程序在其初始化时就在系统内核中进行登记。Linux系统利用设备驱动程序的登记表作为内核与驱动程序接口的一部分，这些表中包括指向有关处理程序的指针和其它信息。在应用程序界面上，利用内核提供的系统调用来实现可安装模块的动态安装和拆卸。但通常情况下，用户是利用系统提供的插入模块工具和移走模块工具来装卸可安装模块。3插入模块的工作主要如下(The work o