RAID-массивы

Министерство образования Российской Федерации

Костромской Государственный Технологический Университет

 

 

 

 

Контрольная работа

 по курсу "Вычислительные машины, системы и сети"

 

Вариант №11

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Скорняков П.П. 
шифр 08-3Ак-359 
Проверил: Олоничев В.В.

 

 

Кострома 2014

 

1. RAID-массивы

 

У любого физического устройства хранения данных есть пределы возможностей, обусловленные современными ему технологическими достижениями и приемлемой ценой. В ряде случаев требуются устройства хранения данных с «запредельными» параметрами:

• емкостью хранилища, превышающей емкость физического устройства хранения;
• длительной скоростью передачи данных, превышающей внутреннюю скорость передачи устройства;
• надежностью, превышающей надежность физического устройства.

Такое выдающееся устройство можно получить за счет избыточности – параллельного использования множества обычных устройств. Применительно к дисковым устройствам применяют термин RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks – избыточный массив недорогих дисков). Идея заключается в подключении группы обычных, как правило, однотипных, дисков к RAID-контроллеру – устройству, которое для хост-компьютера этот массив представляет как один виртуальный диск с улучшенными свойствами. Улучшения касаются вышеперечисленных параметров в различных сочетаниях, хотя какими-то параметрами иногда приходится жертвовать. Аналогичные массивы применяются и для ленточных устройств хранения, но называются они RAIT (Redundant Array of Inexpensive Tapes – избыточный массив недорогих ленточных устройств хранения).

В зависимости от алгоритма представления диска различают следующие схемы (типы, уровни) RAID:

RAID 0 – дисковый массив без избыточности и отказоустойчивости, простейшее средство повышения производительности и увеличения объема. Виртуальный диск разбивается на зоны, или полосы (strips), которые равномерно распределяются по всем дискам массива. Размер зон кратен размеру сектора диска. При обращениях хоста к большому блоку данных, занимающему несколько зон, RAID-контроллер посылает запросы одновременно к нескольким дискам – обращение реально распараллеливаются, что повышает производительность как по чтению, так и по записи. Для коротких запросов выигрыша в скорости нет. Пространство всех дисков используется полностью (избыточности нет). Отказ любого диска приводит к отказу всего массива, надежность виртуального диска ниже, чем у одного большого устройства, поскольку вероятность отказа хотя бы одного из дисков выше, чем вероятность отказа каждого из них в отдельности.

RAID 1 – зеркальное отражение (mirroring). Два (или более) диска дублируют друг друга. Запись информации выполняется одновременно на все диски, чтение – с любого свободного, в результате чего производительность чтения повышается. Отказ одного диска приводит только к снижению скорости чтения. Отказавший диск может быть заменен, и для ввода его в действие требуется просто копирование данных с оставшегося диска. Эффективность использования пространства дисков низкая (при двух дисках эффективный объем составляет лишь половину их суммарного, при большем числе – и того меньше). Надежность виртуального диска тем выше, чем больше дисков в массиве, и она превышает надежность одиночного диска.

RAID 2 – избыточный массив, в котором биты данных распределяются по нескольким дискам и еще несколько дисков несут проверочные коды Хэм-минга (ЕСС). Проверочные коды позволяют исправлять битовые ошибки, возникающие при отказе одного из дисков. Отказ физического устройства не приводит к отказу виртуального диска. Для получения высокой производительности диски в массиве должны быть синхронизированы по позиционированию головок и по вращению шпинделей, поскольку данные записываются параллельно сразу на все диски. Надежность ниже, чем у RAID 1, но и избыточность меньше. Эффективность кода Хэмминга (избыточность, обеспечивающая исправление) зависит от числа информационных битов: выгоднее более длинные слова, то есть массивы с большим числом дисков.

RAID 3 – избыточный массив, отличающийся от RAID 2 тем, что вместо кодов Хэмминга (несколько дополнительных битов и, соответственно, дисков) используется лишь бит четности (1 диск). Поскольку отказ (ошибка чтения) каждого диска определяется его встроенным контроллером, RAID-контроллер «видит» ошибочный диск и его бит вычисляет через бит четности. Это и позволяет отказаться от кода Хэмминга, с помощью которого вычисляются и позиция ошибочного бита, и его значение. Производительность, отказоустойчивость и эффективность использования пространства довольно высокие, но для достижения высокой скорости требуется синхронизация устройств.

RAID 4 – избыточный массив, в нем данные разбиты на зоны, размер которых кратен размеру сектора (как у RAID 0), и дополнительно выделен диск для размещения зоны четности для всех зон данных. В случае отказа любого из дисков его данные восстанавливаются с помощью зон четности и соответствующих зон данных на «живых» дисках. Программная реализация довольно сложная. Короткие запросы записи обслуживаются медленно: изменение одного сектора (зоны) требует чтения соответствующего сектора (зоны) на всех дисках данных с тем, чтобы вычислить и записать новое значение зоны четности. Возможна оптимизация записи, при которой вычисляется изменение значения четности на основе старых и новых данных изменяемого сектора данных.

RAID 5 – распределение и чередование данных и четности по дискам, но для битов четности не выделяется специальный диск (биты четности распределяются по всем дискам по кругу). Обеспечивает более высокую скорость записи, чем RAID 4. В случае отказа одного диска потерянные данные восстановимы, но не так быстро и просто, как в RAID 4.

RAID 6 – более сложная схема, устойчивая даже к двойным отказам (но за счет более низкой производительности).

Возможны и более сложные массивы, в которых используются двухступенчатые комбинации данных уровней:

RAID 10 – массив RAID 0, собранный из пар зеркальных дисков (RAID 1).

Обеспечивает высокую скорость и надежность, но ценой большой избыточности.

RAID 30 – массив RAID 0, собранный из блоков RAID 3.

RAID 50 – массив RAID 0, собранный из блоков RAID 5. Обеспечивает отказоустойчивость и высокую производительность.

Для организации эффективных схем массивов RAID требуется значительное количество дисков. Так, например, RAID 10 требует не менее 4 дисков, что для настольных компьютеров не всегда приемлемо. Фирма Intel в своих «настольных» чипсетах 1925Х/915 применяет технологию Matrix Storage, позволяющую всего на паре дисков SATA организовывать пару независимых массивов RAID: RAID 0 (striping) для повышения скорости и RAID I (mirroring) для повышения надежности. При этом диски, фактически, используются по частям (что характерно и для «больших» RAID-контроллеров на SCSI-дисках),

В качестве интерфейса подключения физических устройств чаще всего фигурирует интерфейс SCSI, который обеспечивает подключение большого числа устройств и высокую эффективность использования шины. Еще лучшие результаты дает применение последовательного интерфейса SCSI (SAS), поскольку он обеспечивает возможность физически одновременных обменов с несколькими устройствами. Есть и RAID-контроллеры с интерфейсом АТА, но они менее эффективны. Последовательный интерфейс SATA эффективнее своего параллельного предшественника, однако он уступает SAS по суммарной производительности массива. Применение мультиплексоров SATA позволяет увеличить число физических устройств, используемых в массиве, но не повысить пропускную способность.

Массивы RAID могут быть реализованы для хост-компьютера как аппаратно, так и программно. Аппаратный RAID-контроллер представляет собой интеллектуальное устройство со своим мощным микропроцессором, имеющее интерфейсы для подключения дисков, а также интерфейс подключения к хост-компьютеру. Внешний массив RAID представляет собой отдельное устройство (блок, шасси, стойку) со своим блоком питания, отсеками для установки дисков и, естественно, RAID-контроллером. В качестве интерфейса с хост-компьютером для внешних массивов используют интерфейсы SCSI (параллельный или последовательный), Fibre Channel, Fire Wire, SATA. Внутренний RAID-контроллер подключается к шине PCI, PCI-X или PCI Express (раньше задействовали EISA и даже ISA, встречалась и VLB). Конструктивно это либо карта расширения, устанавливаемая в соответствующий слот, либо интегрированный компонент, расположенный на системной плате. К внутреннему контроллеру могут подключаться как внутренние, так и внешние физические устройства хранения (в зависимости от интерфейса).

Функции RAID могут быть реализованы и программно, средствами ОС компьютера (например, эти функции поддерживаются в Windows NT/XP/2000). При этом в качестве интерфейсов дисков применяют интерфейсы существующих контроллеров (предпочтительно SCSI, но используют и АТА). Программный массив RAID вполне справляется с увеличением объема и повышением надежности, но для повышения скорости требуется большая вычислительная мощность процессора.

Массив RAID для операционной системы хоста выглядит как одно логическое устройство хранения. Однако в отличие от обычного устройства, готового к использованию сразу после подключения, массив RAID требует предварительного конфигурирования и обслуживания с помощью специальных утилит. В случае внешних RAID-контроллеров конфигурирование и обслуживание могут выполняться и с автономного пульта управления массивом. Заметим, что архитектура SCSI позволяет использовать также иерархическую адресацию и через одно SCSI-устройство, подключенное к хосту, обращаться к подчиненным ему логическому устройству.

Отказоустойчивые схемы RAID позволяют продолжать работу хранилища даже при отказе одного физического устройства. В таких системах, как правило, реализована «горячая замена» устройств. Для вновь установленного устройства должна быть выполнена синхронизация данных. Для зеркального диска это просто копирование данных с его зеркальной копии, для более сложных схем – вычисления, выполняемые в соответствии с установленной схемой избыточности. Синхронизация, обычно занимающая довольно много времени, как правило, может выполняться на фоне обращений к «живой» части массива.

 

 

 

asm{

mov edi,k

mov esi,[k*20+i]*2

mov edi,i

mov ax,u[di*2]

mov bx,d

add ax,bx

mov bx,pu

mov bx,[bx]

imul ax,ebx

mov bx, s11[4+1*24]

mov cx,a

div ax,cx

sub ax,bx

mov u,ax

}