Геометрия этого диска (б)

Чтобы не усложнять жизнь операционной системы излишними подробностя­ми, современные жесткие диски скрывают истинную геометрию и предоставляют в качестве интерфейса виртуальную геометрию с одинаковым числом секторов на всех цилиндрах. Встроенный микроконтроллер диска преобразует обращение к виртуальным цилиндру, головке и сектору в физические соответствующие пара­метры. Возможная виртуальная геометрия диска, изображенного на рис. 5.14, а, показана на рис. 5.14, б. В обоих случаях диск имеет 192 сектора.

Для компьютеров с процессором Pentium максимальными значениями этих трех параметров часто являются значения 65 535, 16 и 63, что вызвано необходи­мостью обратной совместимости с ограничениями оригинальной машины IBM PC. На ней для хранения этих значений использовались 16-, 4- и 6-разрядные двоич­ные поля, причем номера цилиндров и секторов начинались с 1, а номера головок — с 0. При таких параметрах и 512 байтах на сектор максимальный размер поддер­живаемого диска равен 31,5 Гбайт. Чтобы преодолеть это ограничение, многими дисками теперь поддерживается режим LBA (Logical Block Addressing — логичес­кая адресация блоков), при котором секторы диска просто нумеруются последо­вательно начиная с 0, независимо от геометрии диска.

RAID

С числом секторов, увеличивающимся примерно на 4 % в каждой следующей зоне при движении от центра диска к краю.

Производительность центральных процессоров за последнее десятилетие увели­чивалась экспоненциально, удваиваясь примерно каждые 18 месяцев. С произво­дительностью дисков дело обстояло совсем не так. В 70-е годы среднее время по­иска на дисках, используемых в мини-компьютерах, составляло от 50 до 100 мс. Сегодня время поиска немного ниже 10 мс. В большинстве отраслей промыш­ленности (например, в автомобильной или авиационной) увеличение производи­тельности в 5 или 10 раз за два десятилетия считалось бы феноменальным, но в компьютерной промышленности такой низкий рост является препятствием. За эти годы разрыв между производительностью центрального процессора и производи­тельностью диска только еще более увеличился, причем весьма существенно.

Как мы видели, для увеличения производительности центрального процессора все больше используются параллельные вычисления. На протяжении десятилетий идея распараллелить операции ввода-вывода также приходила в головы многих людей. В 1988 году в своей статье Паттерсон и его коллеги предложили шесть раз­личных способов организации дисков для улучшения производительности или надежности дисковых операций, либо и того и другого [261]. Эти идеи были быстро приняты промышленностью, в результате чего был разработан новый класс устройств ввода-вывода, названный RAID. Паттерсон с соавторами определили RAID как Redundant Array of Inexpensive Disks — массив недорогих дисков с избыточностью, но промышленники переопределили букву I как «Independent» (независимые). Воз­можно, это должно было им позволить продавать диски по высоким ценам. По­скольку в этой пьесе также требовался кто-нибудь на роль злодея (как и в случае противостояния RISC и CISC, также благодаря Паттерсону), «негодяя» назвали SLED (Single Large Expensive Disk — одиночный большой и дорогой дисковый накопитель).

Идея, лежащая в основе системы RAID, состоит в том, что на компьютер (обыч­но большой сервер) устанавливается коробка, полная дисков. Вместо обычного дис­кового контролера устанавливается специальный RAID-контроллер, а весь набор дисков выглядит с точки зрения операционной системы как один большой (и доро­гой) дисковый накопитель, то есть SLED, но обладает более высокой производи­тельностью и большей надежностью. Поскольку SCSI-диски отличаются высокой производительностью, низкой ценой и способны работать до 7 штук на одном кон­троллере (до 15 для так называемого «широкого» SCSI), неудивительно, что боль­шинство RAID-систем состоят из RAID-контроллера SCSI и коробки SCSI-дисков. Операционная система воспринимает их как один большой диск. Таким образом, для использования системы RAID не требуется никаких изменений программно­го обеспечения, что является большим плюсом с точки зрения системных админи­страторов.

Еще одно свойство всех RAID-систем состоит в том, что данные распределя­ются по дискам, а это позволяет распараллеливать операции. Паттерсоном и его коллегами было предложено несколько различных схем использования системы RAID, получивших известность как уровни от нулевого до пятого. Помимо них существует еще несколько второстепенных уровней, которые мы не станем здесь обсуждать. Употребление термина «уровень» не совсем правильно в этом случае, так как данные схемы использования системы RAID не образуют иерархии. Есть просто шесть различных вариантов организации совместной работы дисков.

Система RAID уровня 0 проиллюстрирована на рис. 5.15, а. Она рассматрива­ет единый виртуальный диск, эмулируемый контроллером RAID, как разбитый на полосы, состоящие из одинакового числа секторов (обычно по 64 Кбайт), пере­секающие наборы дисков так, что первый блок секторов записывается на пер­вый диск, второй блок — на второй диск и т. д. по кругу. На рис. 5.15, я показана система RAID уровня 0 для четырех дисков. Подобный способ хранения данных на нескольких дисках называется чередующимся набором. При этом, если про­грамма издает запрос чтения или записи целой полосы данных, RAID-контроллер разбивает этот запрос на отдельные запросы по числу дисков и адресует каждый запрос отдельному диску. Таким образом, все диски системы RAID работают па­раллельно, причем программное обеспечение об этом может даже не догадывать­ся. Восстановление вышедшего из строя диска в этом случае будет значительно сложнее, чем в системе RAID уровня 41.

Система RAID уровня 0 лучше всего работает с большими запросами, что есте­ственно, так как при этом работа более равномерно распределяется между диска­ми. В результате производительность такой системы оказывается достаточно вы­сокой при довольно простой реализации.

Хуже всего система RAID уровня 0 работает с операционными системами, име­ющими привычку запрашивать данные по одному сектору. Запрос будет выполнен верно, но параллельной загрузки дисков при этом не получится и, соответствен­но, не будет и выигрыша в производительности. Еще один недостаток системы RAID уровня 0 заключается в том, что надежность такой системы потенциально ниже, чем у одного диска (SLED). Так, если система RAID состоит из четырех дис­ков со средней наработкой на отказ для каждого диска, равной 20 ООО часов, то при совместном использовании этих дисков примерно раз в 5000 часов один из дисков будет отказывать, что приведет к отказу всей системы RAID. Причем в этом слу­чае могут быть потеряны все данные. Таким образом, получается, что SLED ока­зывается в четыре раза надежнее. Поскольку в системе RAID уровня 0 избыточ­ность не предусмотрена, она не считается настоящей RAID-системой.

Следующий вариант, RAID уровня 1, показанный на рис. 5.15, б, представляет собой настоящую систему RAID. В ней дублируются все диски, в результате име­ются четыре основных и четыре резервных диска. Такая система RAID называется также зеркальным набором. При записи каждая полоса записывается дважды. При чтении может использоваться любая копия. Таким образом, по сравнению с систе­мой RAID уровня 0 скорость записи не увеличивается, а чтение может быть уско­рено вдвое. Отказоустойчивость такой системы очень хороша, так как все данные дублируются полностью. Для восстановления системы при выходе из строя одного из дисков нужно всего лишь заменить диск и скопировать на него данные с диска - копии. Недостатком является снижение используемой общей емкости дисков вдвое.

В отличие от уровней 0 и 1, работающих с полосами и секторами, система RAID уровня 2 работает на уровне слов и даже байтов. Представьте разбиение каждого байта единого виртуального диска на пару 4-битовых полубайтов, затем добавле­ние к каждому из них кода Хэмминга с образованием 7-битового слова, в котором биты 1, 2 и 4 являются битами четности. Затем представьте, что семь дисков на рис. 5.15, в синхронизированы по скорости вращения и позиции головок. В этом случае будет возможно записать закодированное по Хэммингу 7-битовое слово на семь дисков, по биту на диск.

' Точнее, процесс восстановления абсолютно ничем не отличается от предыдущего случая. В обоих случаях нужно всего лишь сложить псе данные на оставшихся дисках по модулю 2, что обусловлива­ется природой этой арифметической операции, являющейся обратной для самой себя. Немного слож­нее для системы будет лишь процесс обычной записи на RAID уровня 5. — Примеч. перев.

Полоса 9

Полоса О Полоса 4 Полоса 8

RAID уровень О

RAID уровень 1

Полоса 9

^Полоса^ ^Полоса4^ Полоса 8

Бит 1

Бит 2

Бит 4

Бит 5

Бит 6

Бит 7

Бит 3