Особенности реализации RAID-систем

Массивы RAID могут быть реализованы программно, аппаратно или как комби­нация программных и аппаратных средств.

При программной реализации используются обычные дисковые контроллеры и стандартные команды ввода/вывода. Работа дисковых ЗУ в соответствии с алго­ритмами различных уровней RAID обеспечивается программами операционной системы ВМ. Программный режим RAID предусмотрен, например, в Windows NT. Это дает возможность программного изменения уровня RAID, в зависимости от особенностей решаемой задачи. Хотя программный способ является наиболее де­шевым, он не позволяет добиться высокого уровня производительности, харак­терного для аппаратурной реализации RAID.

Аппаратурная реализация RAID предполагает возложение всех или большей части функций по управлению массивом дисковых ЗУ на соответствующее обору­дование, при этом возможны два подхода. Первый из них заключается в замене стандартных контроллеров дисковых ЗУ на специализированные, устанавливае­мые на место стандартных. Базовая ВМ общается с контроллерами на уровне обыч­ных команд ввода/вывода, а режим RAID обеспечивают контроллеры. Как и обычные, специализированные контроллеры/адаптеры ориентированы на определенный вид шины. Поскольку наиболее распространенной шиной для подключения дисковых ЗУ в настоящее время является шина SCSI, большинство производителей RAID-сис­тем ориентируют свои изделия на протокол SCSI, определяемый стандартами ANSI Х3.131 и ISO/IEC. При втором способе аппаратной реализации RAID-система выполняется как автономное устройство, объединяющее в одном корпусе массив дисков и контроллер. Контроллер содержит микропроцессор и работает под уп­равлением собственной операционной системы, полиостью реализующей различ­ные RAID-режимы. Такая подсистема подключается к шине базовой ВМ или к ее каналу ввода/вывода как обычное дисковое ЗУ. При аппаратной реализации RAID-систем обычно предусматривается возмож­ность замены неисправных дисков без потери информации и без остановки работы. Кроме того, многие из таких систем позволяют разбивать отдельные диски на раз­делы, причем разные разделы дисков могут объединяться в соответствии с различ­ными уровнями RAID.

Магнитные ленты

ЗУ на базе магнитных лент используются в основном для архивирования инфор­мации. Носителем служит тонкая полистироловая лента шириной от 0,38-2,54 см и толщиной около 0,025 мм, покрытая магнитным слоем. Лента наматывается на бобины различного диаметра. Данные записываются последовательно, байт за бай­том, от начала ленты до ее конца. Время доступа к информации на магнитной лен­те значительно больше, чем у ранее рассмотренных видов внешней памяти.

Обычно вдоль ленты располагается 9 дорожек, что позволяет записывать попе­рек ленты байт данных и бит паритета. Информация на ленте группируется в бло­ки — записи. Каждая запись отделяется от соседней межблочным промежутком, дающим возможность позиционирования головки считывания/записи на начало любого блока. Идентификация записи производится по полю заголовка, содержа­щемуся в каждой записи. Для указания начала и конца ленты используются физи­ческие маркеры в виде металлизированных полосок, наклеиваемых на магнитную ленту, или прозрачных участков на самой ленте. Известны также варианты маркиро­вания начала и конца ленты путем записи на нее специальных кодов-индикаторов.

В универсальных ВМ обычно применяются бобинные устройства с вакуумными системами стабилизации скорости перемещения ленты. В них скорость перемеще­ния ленты составляет около 300 см/с, плотность записи — 4 Кбайт/см, а скорость передачи информации — 320 Кбайт/с. Типовая бобина содержит 730 м магнитной ленты.

В ЗУ на базе картриджей используются кассеты с двумя катушками, аналогич­ные стандартным аудиокассетам. Типовая ширина ленты — 8 мм. Наиболее рас­пространенной формой таких ЗУ является DAT (Digital Audio Tape). Данные на ленту заносятся по диагонали, как это принято в видеокассетах. По размеру такой картридж примерно вдвое меньше, чем обычная компакт-кассета, и имеет толщи­ну 3,81 мм. Каждый картридж позволяет хранить несколько гигабайтов данных. Время доступа к данным невелико (среднее между временами доступа к дискетам и к жестким дискам). Скорость передачи информации выше, чем у дискет, но ниже, чем у жестких дисков.

Вторым видом ЗУ на базе картриджей является устройство стандарта DDS (Digital Data Storage). Этот стандарт был разработан в 1989 году для удовлетворе­ния требований к резервному копированию информации с жестких дисков в мощ­ных серверах и многопользовательских системах. В сущности, это вариант DAT, обеспечивающий хранение 2 Гбайт данных при длине ленты 90 м. В более позднем варианте стандарта DDS-DC (Digital Data Storage — Data Compression) за счет применения методов сжатия информации емкость ленты увеличена до 8 Гбайт. Наконец, третий вид ЗУ на базе картриджей также предназначен для резервного копирования содержимого жестких дисков, но при меньших объемах такой ин­формации. Этот тип ЗУ отвечает стандарту QIC (Quarter Inch Cartridge tape) и бо­лее известен под названием стример. Известны стримеры, обеспечивающие хра­нение от 15 до 525 Мбайт информации. В зависимости от информационной емкости и фирмы-изготовителя изменяются и характеристики таких картриджей. Так, число. дорожек может варьироваться в диапазоне от 4 до 28, длина ленты — от 36 до 300 м и т. д.

5. СИСтемы ввода/вывода

Помимо центрального процессора (ЦП) и памяти, третьим ключевым элементом архитектуры ВМ является система ввода/вывода (СВВ). Система ввода/вывода призвана обеспечить обмен информацией между ядром ВМ и разнообразными внешними устройствами (ВУ). Технические и программные средства СВВ несут ответственность за физическое и логическое сопряжение ядра вычислительной машины и ВУ.

В процессе эволюции вычислительных машин системам ввода/вывода по срав­нению с прочими элементами архитектуры уделялось несколько меньшее внима­ние. Косвенным подтверждением этого можно считать, например, то, что многие программы контроля производительности (бенчмарки) вообще не учитывают вли­яние операций ввода/вывода (В/ВЫВ) на эффективность ВМ. Следствием по­добного отношения стал существенный разрыв в производительности процессора и памяти, с одной стороны, и скоростью ввода/вывода — с другой.

Технически система ввода/вывода в рамках ВМ реализуется комплексом мо­дулей ввода/вывода (МВВ). Модуль ввода/вывода выполняет сопряжение ВУ с ядром ВМ и различные коммуникационные операции между ними. Две основ­ные функции МВВ:

 обеспечение интерфейса с ЦП и памятью («большой» интерфейс);

 обеспечение интерфейса с одним или несколькими периферийными устрой­ствами («малый» интерфейс).

Анализируя архитектуру известных ВМ, можно выделить три основных спосо­ба подключения СВВ к ядру процессора (рис. 8.1).

В варианте с раздельными шинами памяти и ввода/вывода (см. рис. 8.1, а) об­мен информацией между ЦП и памятью физически отделен от ввода/вывода, по­скольку обеспечивается полностью независимыми шинами. Это дает возможность осуществлять обращение к памяти одновременно с выполнением ввода/вывода. Кроме того, данный архитектурный вариант ВМ позволяет специализировать каж­дую из шин, учесть формат пересылаемых данных, особенности синхронизации обмена и т. п. В частности, шина ввода/вывода, с учетом характеристик реальных ВУ, может иметь меньшую пропускную способность, что позволяет снизить затра­ты на ее реализацию. Недостатком решения можно считать большое количество точек подключения к ЦП.

Рис. 8.1. Место системы ввода/вывода в архитектуре вычислительной машины:

а — раздельными шинами памяти и ввода/вывода;

б — с совместно используемыми линиями данных и адреса;

в — подключение на общих правах с процессором и памятью

Второй вариант — с совместно используемыми линиями данных и адреса (а рис. 8.1, б). Память и СВВ имеют общие для них линии адреса и линии данных разделяя их во времени. В то же время управление памятью и СВВ, а также синхронизация их взаимодействия с процессором осуществляются независимо по р дельным линиям управления. Это позволяет учесть особенности процедур обращения к памяти и к модулям ввода/вывода и добиться наибольшей эффективно доступа к ячейкам памяти и внешним устройствам.

Последний тип архитектуры ВМ предполагает подключение СВВ к системной шине на общих правах с процессором и памятью (см. рис. 8.1, в}. Преимуществ недостатки такого подхода обсуждались при рассмотрении вопросов организации и (глава 4). Потенциально возможен также вариант подключения внешних устрой к системной шипе напрямую, без использования МВБ, но против него можно вынуть сразу несколько аргументов. Во-первых, в этом случае ЦП пришлось бы оснащать универсальными схемами для управления любым ВУ. При большом разнообразии внешних устройств, имеющих к тому же различные принципы действия, таз схемы оказываются чересчур сложными и избыточными. Во-вторых, пересылка данных при вводе и выводе происходит значительно медленнее, чем при обмене между ЦП и памятью, и было бы невыгодно задействовать для обмена информацией с ВУ высокоскоростную системную шину. И, наконец, в ВУ часто используются иные форматы данных и длина слова, чем в ВМ, к которым они подключены.