Дисковые массивы и уровни RAID

Введение

В современной индустрии компьютерного аппаратного обеспечения жесткие диски считаются самыми используемыми накопителями, поскольку они обладают намного лучшими характеристиками среди соответствующего типа устройств.
Однако, производители испытывают некоторые проблемы, из-за особенностей структуры жестких дисков. В результате их производительность несколько отстает непосредственно от суммарной производительности процессора, а также иных подсистем компьютера.
Неспособность увеличивать производительность жестких дисков способствует найти иные методы увеличения производительности системы для хранения данных.
Одним из самых популярных таких методов является параллельная обработка информации. Но с увеличением числа дисков в совокупности его надежность значительно снижается. В результате возникает необходимость в возрастании отказоустойчивости.
В результате попыток решения поставленной проблемы началась разработка отказоустойчивых систем на основании RAID-дисков (сокращенно от, избыточный массив недорогих дисков) было описано, как объединить несколько жестких дисков в одно аппаратное устройство так, чтоб в результате общая скорость системы и ее пропускная способность увеличивалась, а отказ дисков не провоцировал отказ всей системы.
Актуальность темы реферата состоит в том, что для надежного хранения данных необходимо использовать так называемые RAID-массивы, которые очень часто используются в разных локальных и виртуальных программных средствах.
Объектом написания реферата аппаратное обеспечение ПК.
Предмет реферата – дисковые RAID-массивы.
Цель работы – рассмотрение принципов работы RAID-массивов, характеристика их уровней.
В соответствии с поставленной целью выделим задачи:
–выполнить анализ литературных источников по вопросах аппаратного обеспечения ПК;
–рассмотреть категории аппаратного обеспечения ПК;
–дать характеристику структуре жестких дисков;
–описать принципы построения дисковых массивов;
–рассмотреть уровни RAID-массивов.
Проблему аппаратных компонентов ПК длительное время изучали М.В. Королюк, У.В. Волынов, С.Гербер.

ОСНОВЫ АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПК

1.1. Аппаратное обеспечение ПК
Основой любого ПК является ячейка памяти, хранящая данные, команды. Для практически любой ячейки памяти базовым компонентом является триггер – это специальное устройство, которое по команде может выдать или принять один двоичный бит, а также сохранять его долгий период времени.
Триггер строится на основании базового набора разного рода логических схем. Он служит основой для создания регистров – специальные узлы, которые способны хранить бинарный код, осуществлять их синхронную передачу, а также выполнять обработку посредством специальных операций.
Количество триггеров, входящих в определенный регистр, определяет его разрядность. Разрядность регистра всегда кратна 8 битам: 32-, 64-разрядные регистры.
Стоит отметить, что в состав регистра также входят дополнительные схемы, которые управляют его работой, а также организуют такие операции с данными как сдвиг, подсчет поступающих сигналов и другие.
Обработка информации в ПК производится специальным оборудованием –арифметико-логическим устройством (сокращенно АЛУ), основной которого является устройство, которое реализует логические и арифметические операции, а также операцию сдвига.
Основное отличие современных вычислительных машин от таких устройств как арифмометр, калькулятор в том, что последовательность команд по вычислению предварительно записывается в ячейки памяти и выполняется автоматически.
Стоит отметить, что впервые этот принцип с автоматическим выполнением операций предложил ученый фон Нейман.
Состав ПК можно представить схемой (рисунок 1) [5]:

Рисунок 1 – Структура состава ПК
Комплектация современных ПК является различной, но все имеют в своем составе 3 обязательных устройства:[8]
–память – множество устройств, которые обеспечивают процесс хранения программ и данных;
–процессор – несколько устройств, обеспечивающих задаваемую программой последовательность обработки данных;
–устройства для ввода-вывода – совокупность устройств, обеспечивающих обмен данными между несколькими пользователем и машиной.
Все устройства, которые входят в состав ПК, друг к другу подсоединяются при использовании унифицированных и стандартизированных аппаратных средств.
При обозначении совокупности устройств, включающихся в состав ПК той или иной модели, средств их соединения применим термин аппаратное обеспечение (АО).
Центральная, основная часть практически любого компьютера в себе содержит практически все устройства (рисунок 2).

Рисунок 2 – Материнская плата
На системной плате (материнской схеме) располагаются следующие компоненты ПК:[4]
–процессор;
–микросхемы кеш-памяти;
–микропроцессорный комплект – набор микросхем, которые управляют работой всех внутренних устройств, определяющих основные возможности материнской платы (к примеру, по обработке 3х-мерной графики);
–шины являются наборами проводников, по которым выполняется обмен сигналами для внутренних устройств компьютера;
–разъемы для схем оперативной памяти;
–разъемы для использования дополнительных устройств (слоты).
Процессор – микросхема, которая производит операции ПК, осуществляет управление элементами и системами компьютера (рисунок 2)

.

Рисунок 2 – Процессор
На процессорном кристалле размещены:[10]
–собственно процессор – это главное вычислительное устройство, которое состоит из миллиона транзисторов;
–сопроцессор – блок для операций на основании плавающей запятой;
Кэш-память применяется для ускорения операций при использовании памяти компьютера. В нее записывается та часть данных оперативной памяти, которая в данный момент изменяется. Процессор прогнозирует дальнейшие шаги реализации программы и записывает заранее информацию, которая потребуется для них в кэш-память.
Для того чтобы центральный процессор мог обрабатывать данные и выдавать результаты по обработке, а также, чтоб записывать результат непосредственно в память ПК, процессор должен иметь каналы связи с остальными устройствами ПК. Эти линии объединены в общую шину.
Шина – система вспомогательных элементов и проводников для связи процессора и другими элементами ПК.
Общая шина разделена на 3 отдельные шины:[5]
–шина данных;
–шина адреса;
–шина управления.
Одним из самых важных функциональных устройств ПК является память. Важнейшей характеристикой ее является объем.
Основными видами памяти для работы компьютера являются такие:
–постоянная память;
–оперативная память;
–внешняя память.
К примеру, оперативная память – это устройство ПК, которое предназначено для хранения выполняющихся программ в текущий момент времени, а также данных, необходимых для непосредственного их выполнения (рисунок 3).

Рисунок 3 – Оперативная память

1.2.Структура и принцип действия жестких дисков
Винчестер содержит множество пластин, которые представляют чаще всего металлические пластины, покрытые магнитным материалом и между собой соединенные при помощи специального шпинделя.[9]
Сами диски имеют толщину примерно 2 мм, а также изготавливаются из латуни, алюминия, керамики или стекла.
Внешний вид жесткого диска показан на рисунке 4:

Рисунок 4 – Внешний вид жесткого диска
Для записи применяются обе поверхности дисков. При записи или считывания данных вал вращается с высокой скоростью (до 7200 оборотов за минуту).[6]
Радикальное перемещение головок и вращение дисков осуществляется с использованием 2-х электродвигателей.
Информация записывается или считывается с применением головок записи/чтения, которые используются по одной на каждую поверхность.
Запись информации ведется на диск по строго определенным местоположениям – концентрическим дорожкам (или трекам). Дорожки можно разделить на сектора.
Обмен информацией между НМД и ОЗУ осуществляется последовательно.
Специальный двигатель при использовании кронштейна позиционирует головку для записи/чтения над заданной дорожкой.[3]
При повороте диска читающая головка располагается под нужным сектором.
Внутренний вид винчестера показан на рисунке 5:

Рисунок 5 – Внутренний вид винчестера
Стоит отметить, что все головки для считывания перемещаются одновременно, при этом считывают информацию с аналогичных дорожек разных дисков.
Дорожки жесткого диска с одинаковым номером на разных дисках винчестера называют цилиндром.
Головки чтения записи могут перемещаться вдоль поверхности платтера.
Стоит отметить, что принцип работы жесткого диска ПК состоит в том, что данные записываются в строго определенные места, называемые секторами, которые располагаются на концентрических треках.
В свою очередь все секторы делятся на несколько кластеров, представляющие собой последовательности секторов, которые находятся рядом. Особенности принципа работы винчестера в этом отношении в том, что обработка информации производится с помощью целых кластеров (целым числом секторов).
В первом разделе реферата описаны главные составные части аппаратного обеспечения ПК, приведены их примеры, рассмотрены принципы работы жестких дисков.


2. ПРИМЕНЕНИЕ ДИСКОВЫХ RAID-МАССИВОВ

2.1. Дисковые массивы
Одним из инструментов повышения производительности процесса ввода/вывода информации является применение параллелизма посредством объединения нескольких дисков в матрицу (множество) с организацией их функционирования аналогично одному диску.
К сожалению, уровень надежности матрицы для любых устройств значительно падает при увеличении количества устройств. Полагая интенсивность выполнения отказов постоянной, то есть с точки зрения экспоненциального закона распределения суммарные наработки на отказ среднее время безотказного функционирования матрицы дисков равняться [2]:
MTTF одного диска / Количество дисков в массиве
Для достижения более высокого уровня отказоустойчивости надо жертвовать пропускной способностью процедуры ввода/вывода или же емкостью памяти. [7]
Внешний вид дискового массива показан на рисунке 6:

Рисунок 6 – Внешний вид дискового массива
Необходимо применять дополнительные диски, которые содержат избыточную информацию, которая позволяет восстановить начальные данные при итоговом отказе диска