MSIM4201 - Modul 6

File System (Sistem Berkas): Konsep Dasar

• Sistem berkas adalah mekanisme yang disediakan sistem operasi untuk menyimpan dan mengambil berkas yang tersimpan pada perangkat penyimpanan.
• Berkas adalah kumpulan data yang saling berhubungan dan diberi nama pada perangkat penyimpanan. Berkas menyembunyikan struktur internal penyimpanan sehingga pengguna dapat mengakses data tanpa mengetahui lokasi dan cara penyimpanannya.
• Sistem berkas memiliki dua komponen utama: kumpulan berkas (tempat menyimpan data) dan struktur direktori (informasi tentang semua berkas).

Atribut Berkas

Atribut berkas adalah informasi tambahan yang membantu sistem berkas dalam manajemen:

1. Nama (Name): Mengidentifikasi berkas.
2. Ukuran (Size): Informasi ukuran berkas.
3. Tipe (Type): Membantu sistem operasi mengenali aplikasi rekomendasi.
4. Pengidentifikasi (Identifier): Tag unik untuk mengenali berkas.
5. Lokasi (Location): Petunjuk lokasi di perangkat penyimpanan.
6. Tanggal dan Waktu (Date and Time): Informasi pembuatan, modifikasi, dan penggunaan terakhir.
7. Proteksi (Protection): Kontrol akses pengguna (read, write, execute).

Operasi pada Berkas

Operasi berkas ditangani melalui system calls:

1. Create: Membuat berkas atau direktori kosong, mengalokasikan ruang, dan menginisialisasi atribut.
2. Open: Memeriksa izin akses, jika diizinkan akan mengembalikan file descriptor.
3. Write: Menulis data ke lokasi spesifik pada berkas dan memperbarui penunjuk tulis.
4. Read: Membaca data dari lokasi spesifik dan memperbarui penunjuk baca.
5. Close: Menghapus entri aplikasi dari resources yang digunakan.
6. Delete: Membebaskan ruang yang digunakan berkas. Berkas tidak boleh sedang digunakan.
7. Rename: Mengubah nama berkas. Berkas tidak boleh sedang dibuka.

Jenis Berkas

Tipe berkas diidentifikasi dari ekstensi berkas (misal .txt, .exe, .zip). Ekstensi ini membantu sistem operasi mengetahui program aplikasi yang kompatibel.

• Archive: arc, zip, tar, rar (berkas terkompresi, dikelompokkan).
• Batch: bat, sh (serangkaian perintah).
• Backup file: bak, bkf (salinan data untuk pemulihan).
• Executable: exe, com, bin (menjalankan program).
• Library: lib, a, so, dll (pustaka rutin program).
• Image: bmp, jpeg, gif, jfif, dib (gambar).
• Multimedia: mpeg, mp3, mppa (suara dan/atau gambar bergerak).
• Object: obj, o (bahasa pemrograman terkompilasi).
• System file: inf, ini, drv (informasi sistem).
• Text: txt, doc (data tekstual).
• Word processor: wp, txt, doc, rrf (format pengolah kata).

Struktur Berkas

Mengacu pada bagaimana berkas disimpan secara internal:

1. Byte Sequence: Rangkaian byte 8-bit tanpa struktur tetap. Fleksibel, sistem operasi UNIX menggunakannya.
2. Record Sequence: Rangkaian record dengan panjang tetap. Operasi baca/tulis mengembalikan/menambah record. Sistem operasi CP/M menggunakannya.
3. Tree Structure: Pohon blok disk, setiap blok memegang nomor record bervariasi panjangnya. Digunakan pada mainframe (ISAM).

Semua operasi I/O dilakukan di bawah aturan blok (physical records) untuk efisiensi. Ruang yang terbuang pada blok terakhir disebut fragmentasi internal.

Akses Berkas

Informasi dapat diakses dengan dua cara:

1. Sequential Access: Mengakses informasi secara berurutan, satu record setelah yang lain. Mudah diimplementasikan, cocok untuk compiler atau media streaming.
2. Direct Access (Random Access): Mengakses data langsung berdasarkan nomor indeks blok. Efisien untuk data besar dan database. Membutuhkan nomor blok relatif.

Tipe Akses

Membatasi hak akses untuk melindungi berkas:

• Read: Membaca berkas.
• Write: Menulis atau menulis ulang berkas.
• Execute: Menjalankan program.
• Append: Menambah informasi di akhir berkas.
• Copy: Menyalin berkas.
• Rename: Mengganti nama.
• Edit: Menambah dan menghapus informasi.
• Delete: Menghapus berkas.

Akses Kontrol Berkas

Dua pendekatan untuk melindungi berkas:

1. Kata Sandi (Password): Melindungi setiap berkas atau subdirektori. Kekurangan: sulit diingat jika terlalu banyak, tidak aman jika satu kata sandi diketahui.

2. Akses Kontrol List (ACL): Izin akses berdasarkan identitas pengguna. Efektif, tetapi manajemennya rumit untuk banyak pengguna.

   Untuk mengatasi kekurangan ACL, digunakan kategori pengguna:

   • Owner: Pemilik berkas, memiliki akses penuh.
   • Group: Sekumpulan pengguna yang membutuhkan akses sama.
   • Universe: Semua pengguna di sistem.

Direktori

Direktori adalah berkas datar yang menyimpan informasi tentang berkas dan subdirektori untuk manajemen data.

• Single-Level Directory: Struktur paling sederhana, satu direktori untuk semua berkas (root directory). Kekurangan: tidak boleh ada nama berkas yang sama.
• Two-Level Directory: Setiap pengguna memiliki direktori terpisah (User File Directory - UFD). Penamaan berkas unik hanya dalam UFD. Kekurangan: pengguna tidak dapat mengakses berkas pengguna lain tanpa izin.
• Hierarchical Directory (Tree-Structured Directory): Mengizinkan subdirektori di bawah direktori. Memiliki root directory sebagai level tertinggi. Setiap berkas memiliki path unik.

Nama Path

• Nama tetap path (absolute path name): Dimulai dari root dan diikuti path lengkap.
• Nama relatif path (relative path name): Mendefinisikan path dari direktori yang sedang aktif.

Operasi pada Direktori

1. Membuat berkas: Menambahkan entri direktori baru.
2. Mencari berkas: Mencari entri di dalam direktori.
3. Daftar direktori: Menampilkan semua berkas dan isinya.
4. Mengganti nama berkas: Mengubah entri di direktori.
5. Menghapus berkas: Menghapus berkas dari direktori.
6. Melintasi sistem berkas: Mengakses setiap direktori dan berkas.

Implementasi Direktori

1. Linear List: Metode sederhana, daftar linear nama berkas dengan penunjuk blok data. Kelemahan: pencarian linear yang lambat. Dapat diatasi dengan cache atau daftar terurut.
2. Hash Table: Menggunakan hash table dengan linear list untuk entri direktori. Lebih cepat untuk pencarian, penambahan, penghapusan. Kelemahan: ukuran hash table tetap, masalah collision.

Struktur Sistem Berkas

Disk sebagai tempat penyimpanan dikelola oleh sistem berkas. Blok digunakan untuk transfer data.

• Disk dapat ditulis ulang.
• Disk dapat mengakses langsung setiap blok.

Organisasi Sistem Berkas

Sistem berkas terdiri dari beberapa tingkatan:

1. I/O Control: Driver perangkat dan interrupt handler sebagai perantara OS dan perangkat keras.
2. Basic file system: Mengeluarkan perintah ke device driver untuk membaca/menulis blok.
3. File-organization module: Informasi alamat logis dan fisik berkas, mengatur ruang disk kosong.
4. Logical file system: Informasi nama berkas simbolis, struktur direktori, proteksi.

Metode Alokasi Sistem Berkas

Mengalokasikan berkas ke disk secara efektif dan cepat:

1. Contiguous Allocation (Alokasi Berdekatan): Setiap berkas menempati blok yang berdekatan. Efisien untuk sequential access dan direct access. Masalah: fragmentasi eksternal, sulit menentukan ukuran berkas di awal.
2. Linked Allocation (Alokasi Terikat): Setiap berkas adalah linked list blok disk. Direktori berisi penunjuk awal dan akhir. Setiap blok berisi penunjuk ke blok selanjutnya. Tidak ada fragmentasi eksternal. Efektif untuk sequential access, tidak efisien untuk direct access. Masalah: ruang untuk penunjuk, reliabilitas (kerusakan penunjuk). Varian: File-Allocation Table (FAT).
3. Indexed Allocation (Alokasi Indeks): Mengatasi kelemahan linked allocation dengan membawa semua penunjuk ke satu lokasi (index block). Mendukung direct access efisien. Masalah: ruang terbuang untuk index block. Mekanisme untuk efisiensi: linked scheme, multilevel index, combined scheme.

Kinerja Alokasi Sistem Berkas

Efisiensi dan waktu akses data berbeda tiap metode. Pilihan metode tergantung pada jenis akses yang dominan (sequential atau random). Sistem dapat menggabungkan metode, misalnya contiguous untuk berkas kecil dan indexed untuk berkas besar.

Manajemen Ruang Kosong (Free Space)

Mengelola blok disk yang tidak dialokasikan:

1. Bit Vector: Setiap blok direpresentasikan dengan 1 bit (1=kosong, 0=dialokasikan). Mudah, efisien untuk mencari blok kosong pertama. Tidak efisien untuk disk besar jika tidak di memori utama.
2. Linked List: Menghubungkan semua blok kosong. Tidak efisien karena perlu membaca setiap blok untuk melintasi daftar.
3. Grouping: Menyimpan alamat n blok kosong pada blok kosong pertama.
4. Counting: Menyimpan alamat blok pertama yang kosong dan jumlah (count) blok berdekatan yang kosong.

Efisiensi Sistem Berkas

Bergantung pada alokasi disk dan algoritma direktori. Cache dapat meningkatkan efisiensi dengan menyimpan informasi direktori yang sering digunakan.

Kinerja Sistem Berkas

Peningkatan kinerja melalui:

• Cache: Memori lokal pada pengendali disk untuk menyimpan blok yang sering diakses.
• Algoritma penggantian (replacement algorithms): Seperti free-behind (memindahkan blok dari penyangga segera setelah tidak digunakan) dan read-ahead (membaca blok yang diminta dan beberapa blok berikutnya).
• Disk Virtual / RAM disk: Seksi memori yang berfungsi sebagai disk sementara.

Pemulihan Sistem Berkas (Recovery)

Mencegah kehilangan data akibta kegagalan sistem:

1. Pengecekan Rutin: Memindai seluruh berkas untuk konsistensi. Penyimpanan hasil pemindaian dapat mempercepat.
2. Backup dan Restore: Menyalin data ke media penyimpanan lain (full backup, incremental backup). Memulihkan data yang hilang dari backup.

Sistem Berkas pada Windows

Menggunakan drive letter (C:, D:) untuk partisi. Mendukung FAT16, FAT32, dan NTFS.

• FAT16: Digunakan pada DOS dan Windows 3.1.
• FAT32: Digunakan pada keluarga Windows 9x.
• NTFS (New Technology File System): Berbasis journaling, fasilitas recovery.

Sistem Berkas pada UNIX

Dimulai dari direktori root (/). Menggunakan case sensitive dan tidak menggunakan drive letter. Semua partisi di-mount di subdirektori di bawah root.

• / (root): Level teratas, berisi banyak direktori.
• /bin: Program-program penting (binary).
• /dev: Berkas alat untuk I/O (monitor, printer).
• /etc: Konfigurasi berkas pengguna dan sistem.
• /lib: Pustaka-pustaka (libraries) bersama.
• /sbin: Binary-binary untuk fungsi administrasi sistem.
• /usr: Berkas yang dapat diakses pengguna biasa.
• /var: Data yang sering berubah.

Perbandingan Sistem Berkas Windows dan UNIX

• Penamaan: Windows tidak case sensitive, UNIX case sensitive.
• Struktur Partisi: Windows menggunakan drive letter, UNIX menggunakan mount point di bawah root directory.

Struktur Media Penyimpanan

Media penyimpanan disk adalah komponen vital. Kegiatan belajar ini fokus pada struktur fisik, algoritma optimisasi performa, manajemen, dan reliabilitas media penyimpanan.

Struktur Disk: Disk Magnetik

• Media penyimpanan sekunder yang umum.
• Data tersimpan sebagai titik magnetik di piringan memori.
• Platter: Cakram metal/kaca berlapis magnet, tempat data disimpan. Bisa double-sided atau single-sided.
• Track: Lingkaran konsentris tempat data disimpan di permukaan platter.
• Sektor: Bagian terkecil dari track, unit dasar untuk simpan/kirim data (umumnya 512 bytes).
• Read/Write Head: Perangkat untuk menyimpan dan membaca data di permukaan platter.
• Disk Arm: Lengan yang menopang head, bergerak bersamaan.
• Spindle: Poros tempat platter tersusun.
• Cylinder: Kumpulan track yang tersusun vertikal pada diameter yang sama. Kecepatan akses data di cylinder lebih cepat.

Struktur Disk: Akses Data Disk

• Disk Controller: Antarmuka antara penyimpanan disk dan sistem. Mengelola transfer data, error-correcting code (ECC), dan remapping bad sector.
• Interface: SCSI, ATA, SATA.

Tahapan Akses Data:

1. Seek: Disk head memposisikan ke track yang diinginkan. Waktu yang dibutuhkan disebut seek time (6-15 ms).
2. Rotasi: Head menunggu sektor/cluster yang sesuai. Waktu tunggu disebut rotational delay time atau latency time (4.2-6.7 ms).
3. Data Transfer: Read/write head memindahkan data ke/dari RAM. Kecepatan (data transfer rate) tergantung kecepatan rotasi.

Access time atau waktu akses data adalah kombinasi seek time, latency time, dan data transfer time.

Reliabilitas disk diukur dengan Mean Time To Failure (MTTF), durasi sistem dapat bekerja non-stop tanpa kegagalan.

Manajemen Disk

Tugas sistem operasi untuk mengelola disk:

1. Disk Formatting (Low-level formatting oleh produsen, High-level formatting oleh OS).
   • Low-level formatting: Membagi platter menjadi sektor, menulis preamble, data portion (512 bytes umumnya), dan ECC (error-correcting code).
   • High-level formatting: Sistem operasi menyimpan file-system awal dan boot block.
2. Boot Block: Menyimpan bootstrap program yang mengenali kernel OS dan memuatnya ke RAM saat komputer dinyalakan. Program bootstrap utama tersimpan di boot blocks pada disk, bukan di ROM secara keseluruhan.
3. Manajemen Bad Sector: Menangani sektor yang rusak (malfungsi penulisan/pembacaan data).
   • Sector Sparing (forwarding): Mengganti bad sector dengan spare sector (sektor cadangan). Secara logis, permintaan ke bad sector dialihkan ke spare sector.
   • Sector Slipping: Menggeser semua bad sector dan memindahkan data ke sektor kosong, mengosongkan sektor yang rusak.

Manajemen Ruang SWAP

• Swapping: Proses pemindahan data dari memori utama ke disk sebagai perluasan memori (virtual memory) saat RAM penuh.
• Ruang Swap: Bagian disk yang digunakan sebagai virtual memory. Bisa diletakkan di file system normal atau partisi terpisah. Partisi terpisah lebih efisien.
• Penting untuk mengalokasikan ruang swap yang cukup untuk menghindari crash sistem.

Kehandalan Disk

Penyebab hilangnya data: ketidaksengajaan menghapus, hilangnya tenaga listrik, blok rusak, disk rusak total, system corrupt.

• RAID (Redundant Array of Independent Disks): Menggunakan beberapa disk sebagai satu unit penyimpanan untuk meningkatkan kinerja dan reliabilitas.
  • Mirroring/Shadowing: Membuat duplikasi data ke lebih dari satu disk untuk redundansi.
  • Striping: Memecah data ke beberapa hard disk untuk peningkatan kinerja I/O paralel.
  • Koreksi Kesalahan/Fault Tolerance: Redundansi data disimpan (misal paritas) untuk mendeteksi dan mengoreksi kesalahan.

RAID: Konsep RAID

• Mirroring: Menduplikasi data, meningkatkan proses pembacaan tetapi penulisan lebih lambat.
• Striping: Memecah data ke beberapa disk, meningkatkan kecepatan transfer data. Risiko data inkonsisten jika satu disk gagal.
• Fault Tolerance: Teknik pengecekan kesalahan, menurunkan kinerja tetapi meningkatkan keandalan.

RAID mengombinasikan mirroring, striping, dan fault tolerance untuk mencapai keandalan dan kinerja yang diinginkan.

RAID: Peningkatan Performa dan Kinerja Disk

1. Redundansi: Menyimpan informasi tambahan (duplikasi, paritas) untuk membentuk kembali data yang hilang.
2. Paralelisme: Mengakses banyak disk secara paralel untuk meningkatkan kinerja.

RAID: Level RAID

• RAID Level 0 (Striping Tanpa Redundansi): Striping data blok ke beberapa disk tanpa redundansi. Cepat, tetapi tidak handal.
• RAID Level 1 (Mirroring Disk): Duplikasi setiap disk. Reliabilitas tinggi, tetapi biaya dua kali lipat.
• RAID Level 2 (Memory-Style ECC): Menggunakan error-correcting-code seperti memori. Data dapat dibentuk kembali jika ada kegagalan.
• RAID Level 3 (Paritas Bit Interleaved): Striping data dan menggunakan satu disk redundan untuk paritas bit.
• RAID Level 4 (Paritas Blok Interleaved): Striping data blok dan menyimpan paritas blok di disk terpisah.
• RAID Level 5 (Distribusi Paritas Blok Interleaved): Data dan paritas tersebar di semua disk. Menghindari hotspot pada disk paritas.
• RAID Level 6 (P+Q Redundansi): Seperti RAID 5, tetapi menyimpan dua paritas blok berbeda untuk mengantisipasi kegagalan beberapa disk. Reliabilitas data sangat tinggi.
• RAID Level 0+1 dan 1+0 (Kombinasi): Gabungan RAID 0 (kinerja) dan RAID 1 (keandalan). RAID 1+0 lebih baik karena kegagalan satu disk tidak membuat seluruh strip tidak dapat diakses.

Disk Attachment

1. Penyimpanan Host-Attached: Disk terhubung langsung ke komputer via port I/O (IDE/ATA, SCSI, Fiber Channel). Contoh: Server-Attached Storage.
2. Penyimpanan Network-attached (NAS): Penyimpanan bersama di jaringan menggunakan protokol seperti NFS, CIFS. Network-centric, melayani banyak klien dengan cepat.
3. Storage-Area Network (SAN): Jaringan khusus untuk transfer data. Data-centric, terpisah dari jaringan standar TCP/IP, menggunakan fibre channel untuk kinerja tinggi. Lebih cocok untuk memindahkan storage block.

Implementasi Stable-Storage

• Media penyimpanan dengan durabilitas sangat tinggi.
• Membutuhkan replikasi informasi (misal, dua salinan data fisik untuk satu blok logis).
• Prosedur recovery memastikan setiap penulisan baik sukses sempurna atau tidak ada perubahan sama sekali.

Cloud Storage

• Media penyimpanan berbasis software (online) yang memanfaatkan teknologi cloud computing (internet).
• Menggunakan data server yang terhubung internet.
• Redundansi sistem (menyimpan data yang sama di beberapa server) memastikan ketersediaan data.

Cloud Storage: Pengertian dan Sejarah

• Cloud: Teknologi berbasis internet sebagai server/pusat kendali.
• Storage: Media penyimpanan data digital.
• Cloud Storage: Media penyimpanan data memanfaatkan teknologi cloud (internet).
• Bervolusi dari cloud computing, diperkenalkan oleh John McCarthy (1960-an), dikembangkan Amazon (2000), Google Drive, dll.

Cloud Storage: Cara Kerja

• Menggunakan internet sebagai server. Data aman walau server down.
• Akses data melalui interface website atau aplikasi.
• Menggunakan redundancy sistem untuk menjaga ketersediaan data.

Cloud Storage: Keunggulan

1. Skalabilitas: Kapasitas penyimpanan dapat disesuaikan.
2. Aksesibilitas: Mudah mengunduh, membuka, mengedit data kapan saja, di mana saja dengan koneksi internet.
3. Keamanan:
   • Enkripsi: Perlindungan data dengan algoritma kompleks.
   • Autentikasi: Memvalidasi otoritas pengaksesan data (username & password).
   • Otorisasi: Izin akses data diatur oleh pemilik/admin.
   • Durabilitas: Data disimpan dengan skema redundansi.

Cloud Storage: Jenis

1. Personal Cloud Storage (Mobile Cloud Storage): Untuk data perseorangan, menyediakan akses dan sinkronisasi lintas perangkat.
2. Public Cloud Storage: Untuk data berskala besar, digunakan individu/perusahaan.
3. Private Cloud Storage: Infrastruktur cloud terintegrasi dalam pusat data perusahaan, untuk keamanan dan kecepatan.
4. Hybrid Cloud Storage: Kombinasi public dan private cloud.

Cloud Storage: Ancaman

1. Exploit: Peretas menyisipkan kode memanfaatkan kerentanan sistem.
2. Deny: Pengguna tidak dapat mengakses data untuk sementara.
3. Destroy: Penghapusan atau perusakan data secara permanen.
4. Deceive: Penggantian data dengan data lain untuk menimbulkan galat.
5. Usurp: Penggunaan data oleh pihak tidak berwenang (pencurian data).

Cloud Storage: Contoh Penyedia Layanan

1. Google Drive: Kapasitas gratis 15GB, terintegrasi fitur Google. Kekurangan: Google dapat memblokir/menghapus konten, data diawasi Google.
2. Dropbox: Kapasitas gratis 2GB, fitur pemulihan data.
3. Box: Kapasitas gratis 10GB.
4. iCloud: Apple, kapasitas gratis 5GB, fitur lengkap untuk Apple, bisa di Windows.
5. OneDrive: Microsoft, kapasitas gratis 5GB, terintegrasi Windows 10, fitur backup.

Poin Penting

• Sistem berkas mengelola data pada perangkat penyimpanan, dengan berkas sebagai unit logika dan direktori sebagai struktur organisasinya.
• Atribut berkas (nama, ukuran, tipe, lokasi, proteksi) membantu manajemen.
• Operasi berkas dasar meliputi create, open, write, read, close, delete, rename.
• Struktur berkas (byte sequence, record sequence, tree structure) dan metode akses (sequential, direct) mempengaruhi efisiensi.
• Manajemen direktori (single-level, two-level, hierarchical) menentukan bagaimana berkas diorganisasi dan diakses.
• Metode alokasi ruang disk (contiguous, linked, indexed) memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing dalam hal fragmentasi dan kecepatan akses.
• RAID meningkatkan kinerja dan keandalan disk melalui redundansi (mirroring) dan paralelisme (striping), dengan berbagai level yang menawarkan kombinasi fitur berbeda.
• Cloud storage adalah penyimpanan data daring yang menawarkan skalabilitas, aksesibilitas, dan keamanan tinggi melalui enkripsi, autentikasi, dan redundansi.
• Stable storage memastikan data tidak hilang bahkan setelah kegagalan sistem melalui replikasi data.

Tes Formatif 1 — Kegiatan Belajar 1

Tes Formatif 2 — Kegiatan Belajar 2