Технологии хранения данных на магнитных ВЗУ, организация избыточного массива независимых дисков

Введение

 
Внешняя память предназначена для  долговременного хранения программ и

 данных. Устройства внешней памяти (накопители) являются энергонезависимыми, выключение питания не приводит к потере данных. Они могут быть встроены в системный блок или выполнены в виде самостоятельных блоков, связанных с системой через его порты. Одной из определяющих характеристикой внешней памяти является ее объем. Объем внешней памяти можно увеличивать, добавляя новые накопители, использовать RAID-массивы (Redundant Arrays of Independent Discs – Избыточный массив независимых дисковых накопителей). Не менее важными характеристиками внешней памяти являются время доступа к информации, надежность хранения и скорость обмена информацией.

  Актуальность  темы исследования обоснована эволюционным переходом к информационному обществу, в котором информация играет  важную роль. На данный момент  рынок информации находится на стадии формирования, но  вопрос о том, где проще надежнее и дешевле  хранить ее в больших объемах уже решен – это электронно-механические устройства для долговременного хранения информации.

  Объектом  данного исследования являются магнитные ВЗУ (Внешние Запоминающие Устройства), предназначенные для долговременного хранения информации.

  Предмет исследования – технология хранения данных на магнитных ВЗУ

  Цель  курсовой работы – рассмотреть технологии хранения данных на  магнитных ВЗУ, сделать предложение об использовании RAID-массива в Рубцовском институте (филиале) Алтайского государственного университета.

  Для достижения данной цели требуется решить следующие задачи:

  – изучить основные виды магнитных  ВЗУ;

  – рассмотреть основные уровни RAID-массивов;

– сделать предложение об использовании RAID-массива в Рубцовском институте, (филиале) Алтайского Государственного Университета. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава1. Внешние магнитные носители

 
1.1 Накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД - дисковод)

   
    Это устройство использовали в качестве носителя информации гибкие магнитные диски – дискеты, которые могут быть 5-ти или 3-х дюймовыми. Дискета – это магнитный диск вроде пластинки, помещенный в картонный конверт. В зависимости от размера дискеты изменяется ее емкость в байтах. Если на стандартную дискету размером 5,25 дюйма помещается до 720 Кбайт информации, то на дискету 3,5 дюйма уже 1,44 Мбайта (Мб). Дискеты универсальны, подходят на любой компьютер того же класса оснащенный дисководом, могут служить для хранения, накопления, распространения и обработки информации [1]. Дисковод – устройство параллельного доступа, поэтому все файлы одинаково легко доступны. Ранее дискеты применялись в основном для резервирования небольших объемов данных и для распространения информации. В настоящее время не используются. Дискеты морально устарели. Наибольшим распространением из накопителей на гибких магнитных дисках пользовалась дискета 3,5 дюйма или флоппи-диски (floppy disk).

  Диск  покрывался сверху специальным магнитным  слоем, который обеспечивал хранение данных. Информация записывалась с  двух сторон диска по дорожкам, которые  представляли собой концентрические окружности. Каждая дорожка разделялась на секторы. Плотность записи данных зависит от плотности нанесения дорожек на поверхность, т.е. числа дорожек на поверхности диска, а также от плотности записи информации вдоль дорожки.

  Если  при покупке на поверхность диска не нанесены дорожки и секторы, то его нужно было подготовить для записи данных, отформатировать. Для этого в состав системного программного обеспечения включена специальная программа, которая производит форматирование диска.

  К недостаткам относятся маленькая  емкость, что делает практически  невозможным долгосрочное хранение больших объемов информации, и  не очень высокая надежность самих дискет.

 
1.2 Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД - винчестер)  

История развития накопителей на жестком магнитном диске.

В 1956 – продажа первого коммерческого жёсткого диска, IBM 350 RAMAC, 5 Мб. Он весил около тонны, занимал два ящика – каждый размером с большой холодильник [2].

– 1980 год – первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart-506, 5Мб;

– 1986 год – cтандарт SCSI;

– 1991 год – максимальная емкость 100 Мб;

– 1995 год – максимальная емкость 2 Гб;

– 1997 год – максимальная емкость 10 Гб;

– 1998 год – стандарты UDMA/33 и ATAPI;

– 1999 год – IBM выпускает Microdrive емкостью 170 и 340 Мб;

– 2002 год – взят барьер адресного пространства выше 137 Гб (проблема 44-bit LBA);

– 2003 год – появление SATA;

– 2005 год – максимальная емкость 500 Гб;

– 2005 год – стандарт Serial ATA 3G;

– 2005 год – появление SAS (Serial Attached SCSI);

– 2006 год – применение перпендикулярного метода записи в

            коммерческих накопителях;

– 2006 год – появление «гибридных» жестких дисков, содержащих

  дополнительный блок флэш-памяти;

– 2007 год – Hitachi представляет накопитель емкостью 1 Тб;

– 2008 год – WD VelociRaptor 300 Гб: самый быстрый HDD с интерфейсом SATA;

– 2009 год – Hitachi создал HDD объемом 4 Тб. 

            Накопитель на жёстких магнитных дисках, жёсткий диск, хард, харддиск, HDD, HMDD или винчестер, (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD)  – энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах.

            В отличие от гибкого диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В некоторых НЖМД используется одна пластина, в других – несколько на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5–10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

            Ёмкость современных  устройств достигает 1000Гб. В отличие  от принятой в информатике (случайно) системе приставок, обозначающих кратную 1024 величину, производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются кратные 1000 величины. Так, например, настоящая ёмкость жёсткого диска, маркированного как 200 Гб, составляет 186,2 Гб. Кроме того, часть производителей указывают неформатированную ёмкость (вместе со служебной информацией), что делает ещё большим зазор между заявленными 200 Гб и реальными 160 Гб.

            Физический размер (форм-фактор) – почти все современные накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Последние чаще применяются в ноутбуках. Получили распространение форматы — 1,8 дюйма, 1,3 дюйма и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в формфакторе 5,25 дюймов. Время произвольного доступа — от 3 до 15 мс, как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 – 3,7 мс), самым большим из актуальных – диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 – 12,5).

            Надёжность определяется как среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures, MTBF). Технология SMART (англ. Self Monitoring Analysing and Reporting Technology) — технология оценки состояния жёсткого диска встроенной аппаратурой самодиагностики, а также механизм предсказания времени выхода его из строя.)

    Количество операций ввода-вывода в секунду – у современных дисков это около 50 оп./сек (операций в секунду) при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

  Уровень шума – шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования. 
    Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) – сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии. 
Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate):

– Внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;

– Внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.  

   Жёсткий диск состоит из следующих основных узлов (рис.1.1.): корпус из прочного сплава, собственно жесткие диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя и блок электроники.

Рис.1.1. Вид накопителя на жестких дисках со снятой верхней крышкой 

  Вопреки расхожему мнению, жесткие диски  не герметичны, внутренняя полость  жесткого диска сообщается с атмосферой через фильтр, способный задерживать очень мелкие (несколько мкм) частицы. Это необходимо для поддержания постоянного давления внутри диска при колебаниях температуры корпуса.

  Пылинки, оказавшиеся при сборке в жёстком  диске и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр – пылеуловитель. 
    В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управление шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала. 
    Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жесткого диска с остальной системой.

  Блок  ПЗУ хранит управляющие программы  для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера. 
    Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти позволяет увеличить скорость работы накопителя. 
    Интерфейс – набор, состоящий из линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил обмена. В последние годы наблюдается переход от параллельного интерфеса АТА (Attachment, он же IDE – Integrated Drive Electronic, он же Parallel ATA), SCSI (Small Computer System Interface – Интерфейс малых компьютерных систем) к последовательному: Serial ATA, SAS, FireWire, USB, SDIO и Fibre Channel.

  Несмотря  на то, что последовательный способ обмена принципиально медленнее параллельного, в данном случае это компенсируется возможностью работы на более высоких частотах за счёт большей помехоустойчивости кабеля. Это достигается меньшим числом проводников и объединением информационных проводников в две витые пары, экранированные заземлёнными проводниками [1]. Например, пропускная способность SATA Revision 1.x (150Мб/с)  выше пропускной способности параллельной  шины Ultra ATA (UDMA/133).

  Существует 3 поколения последовательного интерфейса SATA:

  SATA Revision 1.x (с частотой до 1,5 Гбит/с и пропускной способностью 150 Мб/с), SATA Revision 2.x ( с частотой до 3 Гбит/с и пропускной способностью 300 Мб/с), SATA Revision 3.x (с частотой до 6 Гбит/с и пропускной способностью 600 Мб/с).

  В 2005 году появился  Serial Attached SCSI (SAS) — компьютерный интерфейс, разработанный для обмена данными с такими устройствами, как жёсткие диски, накопители на оптическом диске и т.д.. SAS использует последовательный интерфейс для работы с непосредственно подключаемыми накопителями (англ. Direct Attached Storage (DAS) devices). SAS разработан для замены параллельного интерфейса SCSI и позволяет достичь более высокой пропускной способности, чем SCSI; в то же время SAS совместим с интерфейсом SATA. Хотя SAS использует последовательный интерфейс в отличие от параллельного интерфейса, используемого традиционным SCSI, для управления SAS-устройствами по-прежнему используются команды SCSI. Протокол SAS разработан и поддерживается комитетом T10. SAS поддерживает передачу информации со скоростью до 3 Гбит/с; ожидается, что к 2010 году скорость передачи достигнет 10 Гбит/с.