Параметры ядра операционной системы. Инсталляция операционной системы

Инсталляция (установка) ОС, как и любая инсталляция ИС или ее подсистемы, очень ответственный для АС процесс. Он включает в себя подготовку площадки и оборудования, инсталляцию файл-сервера и инсталляцию программного обеспечения рабочих станций, планирование структур каталогов (директорий), планирование пользователей и групп пользователей, планирование защиты, планирование процедур регистрации, настройку параметров [13]. При некорректной первоначальной инсталляции ОС и неправильно заданных параметрах дальнейшая эксплуатация ИС может быть неэффективной, а в некоторых случаях — невозможной. Процессу инсталляции должен предшествовать ряд подготовительных действий [13, 53].

Прежде всего администратор системы должен проверить условия эксплуатации и выполнение требований по электропитанию оборудования. В «Руководстве по эксплуатации ОС» или в документации с аналогичным названием определены конкретные требования по следующим вопросам:

— температура/влажность;

— максимальная высота, глубина, ширина оборудования;

— требования электропитания — частота тока, потребляемая мощность, рассеиваемая мощность.

Далее все аппаратные средства (файл-серверы, принтеры, рабочие станции, сетевое оборудование) следует подключить к специализированным линиям питания, выделенным только для работы компьютерного оборудования. Все розетки должны быть трехпроводными заземленными, соединенными непосредственно с землей.

Ввиду того, что компьютерное оборудование чувствительно к перепадам электропитания, на всех линиях питания следует установить какие-либо устройства, регулирующие уровень тока. Файл-серверы, периферийное и коммуникационное оборудование требуется защитить от перепадов электропитания, подключив их к стабилизирующим блокам бесперебойного питания (UPS).

Необходимо обеспечить защиту от статического электричества. Для этого АС должен проследить, чтобы ковры были обработаны антистатическими веществами или на них были бы постелены антистатические пленки, соединенные с заземлением. Рядом с сетевым оборудованием нельзя использовать синтетические полимерные пленки, так как на них образуется большое количество статического электричества.

АС должен проследить, чтобы подчиненный ему персонал использовал при работе с оборудованием заземленные браслеты, а оборудование должно быть подключено к заземлению, чтобы предотвратить статические разряды с проводящих поверхностей.

Далее администратору системы необходимо создать рабочие копии дистрибутива (поставляемой производителем ОС копии продукта). Оригинальный дистрибутив должен храниться в сейфе. При инсталляции АС должен использовать рабочие копии.

АС должен решить, делает ли он обновление существующей версии ОС (upgrade) или первичную инсталляцию. Следует внимательно просмотреть инструкции по ОС для каждой из этих операций, так как действия при их осуществлении обычно различны, зависят от конкретной ОС и может существовать не один метод обновления.

Для инсталляции файл-сервера необходимо подготовить рабочую таблицу файл-сервера, которая должна заполняться в процессе инсталляции, а также рабочие копии любых дисковых и сетевых драйверов. Далее АС должен вычислить размер памяти для каждого тома, общую память, память необходимую для работы самой ОС. Обычно в документации по ОС есть рекомендации по требуемым вычислениям. Необходимо знать до инсталляции максимальные ограничения по поддерживаемой ОС оперативной и дисковой памяти.

АС должен записать в рабочую таблицу (worksheet) информацию по устанавливаемому серверу. Таблица содержит следующую информацию:

— имя, марку, модель файл-сервера;

— размер памяти;

— несетевые платы — тип и настройка;

— сетевые платы — соответствующие драйверы, адрес сети, номер сети, адрес памяти, прерывание;

— плата процессора — модель, скорость работы;

— дисковые подсистемы — тип контроллера, драйверы, емкость, модель, производитель, число каналов ввода- вывода.

АС должен при необходимости инсталлировать жесткие диски и проверить переключатели, переходники на них и их терминацию.

АС должен подготовить для работы ОС подсистемы ввода- вывода на жесткие диски. Этот вопрос будет рассмотрен подробнее ниже.

После всех предварительных мероприятий осуществляется непосредственно процесс инсталляции с помощью утилит, предлагаемых производителем ОС (например, командой Install или Setup). Обычный порядок инсталляции излагается ниже.

Системные файлы помещаются на диск в специальную область. Загружаются дисковые, сетевые драйверы и драйверы периферийных устройств. Задаются параметры их работы. Это может выполняться либо администратором системы, например отдельной командой Load, либо автоматически самой ОС.

После этого администратор системы загружает ядро ОС с помощью вызова команды, предлагаемой производителем, например, Server.exe, и задает основные параметры работы ядра. К этим параметрам относятся:

— имя сервера;

— имя администратора и его пароль;

— список сетевых протоколов и их настройки (например, TCP/IP);

— параметр блокирования консоли сервера;

— опция шифрования паролей в системе;

— номера очередей печати;

— команды трассировки действий ядра (например, Track On) и т. д.

Конкретный список таких параметров приводится в документации по конкретной операционной системе. В некоторых простых ОС (например, Windows ХР) определенные этапы могут быть частично не видны АС, так как выполняются за него автоматически программой инсталляции.

Затем администратору системы следует установить ОС на рабочих станциях ИС. Для этого сначала выполняются подготовительные действия, аналогичные установке ОС на сервере, т. е., проверяются требования к аппаратуре и памяти, выполняются рабочие копии дистрибуции, создается рабочий листок для информации о станции.

Далее АС должен сконфигурировать (иногда и установить) сетевые платы. Для этого сначала необходимо убедиться, что сетевые платы соответствуют выбранной технологии и кабельной топологии. Для всех сетевых плат одного типа надо выбрать одинаковую версию конфигурации.

Далее АС должен загрузить драйвер сетевого адаптера с указанием параметров адреса памяти и прерывания, по которым он работает и специальную оболочку (Shell), определяющую, является обращение прикладной программы обращением к локальной ОС или к сетевой. Обычно такая конфигурация осуществляется администратором системы с помощью специальных средств ОС для рабочих станций или в простых случаях выполняется ОС рабочей станции автоматически. Некоторые ОС в совокупности с определенными сетевыми адаптерами и драйверами позволяют осуществить удаленную конфигурацию рабочих станций с общего сетевого диска, что облегчает работу администратора системы.

При инсталляции ОС создаются оглавления томов и обычно по умолчанию директории для записи файлов. Например, в ОС Novell Netware организуются директории:

— LOGIN (хранение программ для регистрации в сети);

— SYSTEM (хранение файлов ОС и утилит ОС для администратора системы);

— PUBLIC (общедоступный каталог хранения программ и утилит для обычных пользователей);

— MAIL (используется программами электронной почты, совместимыми с ОС);

— поддиректории пользователей (процедуры регистрации и конфигурации задания на печать).

После инсталляции администратор системы должен спланировать дополнительные директории, например прикладные директории для программ приложений ИС или директории общего пользования для промежуточного копирования файлов. Кроме того, АС должен спланировать группы пользователей с их правами доступа (возможно выделение для группы своей директории или тома) и создать пользователей в системе, приписав их к определенным группам. Для пользователей и групп необходимо спланировать права доступа. Для директорий и файлов АС должен спланировать атрибутную защиту.

Атрибутная защита в ОС означает присвоение определенных свойств отдельным файлам и директориям. Каждый атрибут представляется обычно по первой букве его английского названия. Например, обычно D означает, что файл или директорию нельзя удалить, С — нельзя копировать. В различных ОС системы атрибутной защиты несколько различаются.

Далее АС должен спланировать процедуру регистрации пользователя на файл-сервере. Фактически выполняются всегда две процедуры — сначала системная (для настройки рабочей среды всех пользователей), а затем пользовательская (для настройки среды конкретного пользователя). В системную процедуру могут входить общие приветствия всех пользователей, назначения имен (буквы английского алфавита) сетевым дискам (тар), подключение групп пользователей к различным серверам (attach). В процедурах пользовательской регистрации инициализируются параметры среды каждого пользователя, например доступ к данному серверу только данного пользователя. В целях защиты администратору системы следует всегда создавать пользовательские процедуры регистрации. Конкретные возможности процедур регистрации зависят от реализации ОС [13, 33, 53].

5.2. Подсистема ввода-вывода (дисковая подсистема) и способы организации дискового пространства

Поддержка дисковой подсистемы — одна из основных задач ОС, а сама дисковая подсистема является источником проблем для администратора системы. АС может воспользоваться рядом процедур и программных продуктов для повышения производительности и восстановления в случае сбоев дисковой подсистемы.

Современная дисковая подсистема ввода-вывода состоит из адаптеров на материнской плате НВА (Host Bus Adapter), шины (интерфейс), дискового контроллера и непосредственно жестких дисков (рис 5.1) [54]. Совокупность этих устройств называют каналом ввода-вывода.

 

ОС может одновременно поддерживать несколько каналов ввода-вывода, и эта опция может быть различной для разных версий ОС. Например, в ОС Novell Netware v.5 их может быть 5. Скорость обработки файлов в основном определяется числом каналов ввода-вывода.

С помощью НВА команды ОС переводятся в команды соответствующего дискового контроллера и по шине поступают к контроллеру на диске. Дисковый контроллер непосредственно осуществляет запись или чтение данных. Данные, поступающие на диски, кодируются в целях получения более плотной записи, увеличения скорости передачи и контроля ошибок записи.

Способ кодирования, способ передачи данных по шине, ширина шины существенно влияют на скорость записи на диск.

Так как обычно операционная система может поддерживать более одного канала ввода-вывода, АС должен изучить особенности работы конкретной ОС. С увеличением числа каналов ввода-вывода обычно резко растет производительность системы.

Кроме того, производительность дисковой подсистемы зависит от типа интерфейса, например ST-506, IDE, SCSI, SATA. И хотя часть этих интерфейсов устарела, администратору системы приходится сталкиваться с ними в повседневной работе. Кратко рассмотрим наиболее распространенные типы интерфейсов [54].

ST-506 —первый интерфейс, разработанный компанией Seagate для дисков емкостью не более 5 Мбайт. Контроллер диска располагался не на диске, а на материнской плате. Для дисков больших объемов применялись специальные системы кодирования записи информации на диск MFM (Modified Frequency Modulation) и RLL (Run Length Limited) [54]. Система RLL более «плотно» записывает информацию на диск. 

IDE: контроллер располагается непосредственно на диске, благодаря чему скорость возрастает до 12 Мбит/с. Используется RLL- кодирование и сняты ограничения на объем дисковой памяти.

EIDE — Enhanced (расширенный) IDE: добавляет специальную систему адресации для дисков системы адресации АТ Attachment (АТА) [55]. Система адресации АТА — это промышленный стандарт, который описывает способ адресации диска емкостью свыше 528 Мбайт с помощью BIOS компьютера. Скорость интерфейса составляет до 13,3 Мбит/с, а адаптеры на материнской плате компьютера для подключения контроллеров дисков Host Bus Adapters (НВА) позволяют подключать до 4 дисков и различные периферийные устройства.

ESDI — расширенный интерфейс ST-506, редко используется, так как был вытеснен более новыми интерфейсами SCSI и SATA.

SCSI (Small Computer Systems Interface) — это высокоскоростной параллельный интерфейс, стандартизированный ANSI [56, 57]. Он позволяет подключать к одной шине множество устройств, вытягивая их в цепочку. Интерфейс дает возможность объединять на одной шине различные по своему назначению устройства, такие как жесткие диски, накопители на магнитооптических дисках, приводы CD, DVD, стриммеры, сканеры, принтеры и т. д. К каждому дисковому контроллеру SCSI можно присоединить до семи устройств. В настоящее время SCSI широко применяется на серверах, высокопроизводительных рабочих станциях. Скорость записи на диск достигает 600 Мбит/с.

В реализации SCSI III с последовательной шиной IEEE 1394 и волоконно-оптическим кольцом FC-AL (Fiber Channel Arbitrated Loop) возможно подключение до 127 устройств. Скорость записи достигает 800 Мбит/с. Оба конца шины SCSI должны быть терминированы (НВА и HD termination), т. е. должны быть установлены специальные адаптеры согласно документации производителя. Их неправильная установка является основной проблемой администратора системы при поддержке дисковых подсистем данного типа.

Функциональная модель SCSI состоит из трех уровней:

— команд;

— протокола;

— соединения.

Уровень команд определяет формат и семантику команды (в модели OSI называется прикладным уровнем). Уровень протокола определяет способ передачи команды и ответа (канальный уровень модели OS1). Уровень соединения определяет физический способ реализации соединения (способ кодирования, тип разъемов, допустимое напряжение — физический уровень модели OSI).

Существуют различные стандарты SCSI: Wide SCSI, SAS, SCSI III, Ultra-SCSI. Администратор системы должен следить за тем, чтобы все оборудование канала ввода-вывода поддерживало один и тот же стандарт.

Команды SCSI поддерживают чтение и запись данных (по четыре варианта каждого действия) и ряд команд, не относящихся к данным, например test-unit-ready (проверка готовности устройства), inquiry (получение основной информации о целевом устройстве), read-capacity (получение емкости целевого устройства) и т.д. Набор команд, поддерживаемых целевым устройством, зависит от типа устройства. Перечислим наиболее распространенные команды SCSI [56, 57]:

Test unit ready — запрос о готовности устройства к передаче данных;

Inquiry — Запрос основной информации об устройстве;

Request sense — запрос информации по ошибке выполнения предыдущей команды;

Read capacity — запрос информации по емкости устройства хранения;

Read — чтение данных с устройства;

Write — запись данных на устройство;

Mode sense — запрос страниц конфигурации (параметров устройства);

Mode select — настройка параметров устройства на странице конфигурации.

В интерфейсе SCSI реализовано около шестидесяти команд ' для широкого спектра устройств, включая устройства с произвольным доступом (диски) и устройства с последовательным доступом (лента). В SCSI также реализованы особые команды для доступа к сервисам enclosure services (например, запрос текущих параметров). Так как SCSI определяет стандартный интерфейс взаимодействия с устройствами и не налагает ограничений на внутреннюю реализацию тех или иных команд, он позволяет присоединять устройства различных производителей в одном канале ввода-вывода. Именно поэтому интерфейс получил широкое распространение в гетерогенных ИС и стал фактически промышленным стандартом на подсистему ввода- вывода для корпоративных ИС. На базе технологии SCSI строятся RAID-системы ввода-вывода (точнее, SCSI-RAID — для больших систем и SATA-RAID — для малых систем), которые будут рассмотрены далее.

SATA — Serial АТА — высокоскоростной последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации (как правило, с жесткими дисками) [55]. SATA является развитием интерфейса АТА, который после появления SATA был переименован в РАТА (Parallel АТА). Обеспечивает скорость до 600 Мбит/с. SATA предполагает отказ от плоских параллельных кабелей с разъемами для двух дисков и переход к последовательной передаче данных по витой паре. Но к каждому контроллеру подключается только один диск одним кабелем. При этом переход к последовательной шине значительно упростил разводку проводников на материнской плате и разводку кабелей внутри корпуса компьютера. Администратору системы надо учесть, что при этом сохраняется совместимость с контроллерами АТА по регистрам и командам. Соответственно, драйверы ST-506/IDE/EIDE могут поддерживать контроллеры SATA. Но в них возможны изменения, т. е. в общем случае необходим upgrade от производителя ОС. Адаптер НВА преобразует инструкции ОС в инструкции SATA. Каждое устройство в данном случае подключается к контроллеру отдельным кабелем.

Функциональная модель работы интерфейса SATA состоит из четырех уровней: приложения, транспорта, связи и физический. Уровень приложения обеспечивает выполнение всех команд SATA. Транспортный уровень отвечает за обмен данными между ОС и контроллером. Уровень связи занимается обработкой кадров, кодированием и декодированием байт и вставкой управляющих символов. Физический уровень отвечает за передачу и прием информации по шине.

Уровень приложения содержит множество команд, предназначенных для управления устройствами.

Особенностью стандарта SATA по сравнению с РАТА является использование встроенной очереди команд NCQ (Native Command Queuing). NCQ позволяет устройству накапливать запросы и оптимизировать порядок их выполнения с учетом внутренней архитектуры устройства (минимизация количества перемещений головок, простоя в ожидании нужного сектора на треке). NCQ повышает производительность решения задач, связанных с произвольным чтением, обработкой данных от двух и более источников, одновременную работу нескольких программ. Также благодаря NCQ стандарт SATA предусматривает горячую замену устройств. |

Администратору системы следует учесть, что жесткие диски SATA дешевле, чем диски SCSI. Но для высокопроизводительных серверов по-прежнему используются жесткие диски с технологией SCSI. Это связано с тем, что SCSI разрешает связывать множество устройств по одной шине и предлагает методы оптимизации команд ввода-вывода, благодаря которым RAID-системы [54] на базе SCSI более производительны, чем системы на базе SATA. 

Еще одна интересная перспектива для администратора си-стемы — это конвергенция конкурирующих стандартов SATA и SCSI с помощью стандарта SAS (Serially Attached SCSI). Заметим, что диски SAS могут подключаться к интерфейсу SATA (но не наоборот).

Администратор системы должен изучить конкретную техническую документацию производителя по дисковой подсистеме для правильной инициализации дисковых адаптеров и контроллеров, выставления нужных адресов и прерываний, установки переключателей на платах, подсоединению шин и установке параметров CMOS компьютера.

 

Подготовка дисковой подсистемы для ее использования ОС

Любая дисковая подсистема требует подготовки для работы с ней конкретной ОС. Часто часть этой подготовки производится на заводах-производителях или компаниями- поставщиками оборудования. Но АС должен хорошо представлять суть подготовки дисковой подсистемы и в некоторых случаях выполнять ее самостоятельно. Подготовка дисковой подсистемы содержит три этапа: форматирование низкого уровня, организация разделов (партиций), форматирование высокого уровня. Рассмотрим их подробнее.

Форматирование низкого уровня (Low level format) — это форматирование, необходимое контроллеру диска, чтобы читать его по секторам. Обычно оно выполняется на заводе- производителе дисков, и соответствующая утилита прилагается к дисковой подсистеме для случая проведения этой процедуры администратором системы. При форматировании низкого уровня обычно выполняются следующие действия [54]:

— проводится анализ дискового пространства на наличие ошибок;

— сектора диска разбиваются на треки (дорожки) и присваиваются идентификаторы секторов;

— помечаются испорченные сектора (bad-сектора);

— устанавливается чередование секторов (interleave), когда номера секторов не совпадают с их физической последовательностью.

Чередование секторов необходимо, чтобы синхронизировать работу процессора (обработку данных) и контроллера (считывание с диска). От этого зависит скорость работы подсистемы ввода-вывода. Параметр interleave определяется ОС и дисковой подсистемой (например, на стандартном ПК с Windows он равен 4).

Администратор системы должен проводить форматирование низкого уровня в случаях, когда:

— ставятся новые дисковые подсистемы (если это не сделано производителем);

— обнаружено большое число дисковых ошибок (если средства ОС не помогают их устранить);

— необходимо поменять параметр interleave (но это опасная операция, при которой следует очень хорошо понимать, как именно обрабатываются данные контроллером и ОС и зачем нужно что-то менять);

— возникает необходимость переразметить bad-сектора.

При этом АС должен помнить, что современные дисковые контроллеры предоставляют логику опережающего считывания и отложенной записи, которые снижают потребность в оптимизации производительности методом изменения interleave. АС должен знать, что при низкоуровневом форматировании теряется вся информация. Не рекомендуется проводить низкоуровневое форматирование для IDE дисков, если только это не требует производитель [54].

Организация разделов — это процесс разбиения жесткого диска на логические части — партиции (partitions). Необходимость организации разделов обусловлена тем, что с данным дисковым пространством на одном компьютере может работать несколько ОС. Для каждой из них нужно свое дополнительное форматирование. Обычно при загрузке компьютера одна ОС загружается первой. Ее партиция называется первичной (primary partition). Например, часть диска выделяется для работы под управлением ОС DOS, соответственно необходима одна партиция для загрузки DOS. Остальная часть диска может быть использована для работы других ОС. Утилита для разбиения на партиции в DOS — FDISK.

В начале каждого диска на нулевом треке располагается специальная таблица (partition table). В ней находится информация о том, как будет использоваться дисковое пространство согласно различным партициям. Ее потеря означает для администратора системы потерю всей информации в системе.

Форматирование высокого уровня (High level format) осуществляется средствами той ОС, которая работает в этой партиции. Во время этого форматирования создается оглавление диска и его подготовка для конкретной ОС. В различных ОС при этом выполняются различные функции. Например, для DOS командой FORMAT сканируется диск на наличие bad- секторов, создается DOS Boot-сектор, DOS FAT (File Allocation Table), пустая корневая директория, проводится копирование системных файлов.

Администратор системы должен выполнять форматирование высокого уровня, если требуется установить новый диск под управлением ОС либо есть необходимость полностью стереть информацию на диске. АС должен помнить, что высокоуровневое форматирование нужно делать при определенной температуре (указана производителем диска), предварительно сделав копию диска.

АС следует помнить, что информацию после низкоуровневого форматирования восстановить нельзя! После высокоуровневого форматирования информацию восстановить можно при условии, что после его завершения не велась запись на диск.

Обычно операционная система регламентирует число партиций на физическом диске и выделяет специальную партицию для переноса в нее информации из bad-секторов. Область такой переадресации, например, в Novell Netware называется hot-fix [54]. Иногда физическая партиция разбивается в ОС на логические. А иногда логическая партиция может располагаться в нескольких физических.

Разбиение на тома осуществляет администратор системы средствами ОС, работающей в данной партиции, чтобы выделить логически единые части информации. Например, том данных — том DATA. Том может быть частью партиции, состоять из одной целой партиции или из нескольких партиций. АС должен учесть, что последнее крайне опасно, так как при потере какого- либо диска теряется весь том и вся информация на нем.

В начале каждого тома хранится специальная таблица VDT (Volume Definition Table). Обычно она дублируется, располагаясь в нескольких местах (например, в Netware — 4 копии VDT). В VDT находится информация о том, какие треки ис-пользуются для этого тома в партиции.

Обычно АС на самой быстрой и надежной дисковой подси-стеме располагает том System с системными файлами. Этот том не нужно часто копировать (сохранять), потому что системные файлы редко меняются. Отдельные тома (DATA1, DATA2) выделяются для данных. Здесь требуется частое их сохранение. Такая технология позволяет администратору системы копиро-вать данные в целях их восстановления в режиме «том в том» или «диск в диск» быстродействующими средствами ОС (а не медленными утилитами СУБД).

Зеркалирование. Обычно в операционных системах существует поддерживаемый ими режим дублирования дисков или каналов ввода-вывода. Рассмотрим их подробнее.

В режиме дублирования дисков (Disk Mirroring) на материнской плате устанавливается один адаптер НВА (рис. 5.3) с подсоединенным контроллером и двумя дисками (primary и secondary). Диски полностью «зеркалируются», т. е. драйверами ОС ведется параллельная запись информации на оба диска с полным ее дублированием. Если один диск отказывает, система работает со вторым.

 

Рис. 5.3. Зеркалирование дисков

 

Средства организации зеркалирования могут быть как программными (драйверы ОС), так и аппаратными (специальные контроллеры, которые могут писать одновременно на два диска, что всегда быстрее). Обычно ОС поддерживает программный либо аппаратный вариант, но не оба вместе.

 

 

Кроме того, лучше, чтобы партиции на mirror-дисках имели одинаковые размеры.

В режиме дублирования каналов ввода-вывода (Disk duplexing) дублируется весь дисковый канал ввода-вывода (рис. 5.4), т. е. устанавливаются два адаптера НВА, два диска (для каждого свой контроллер и шина). Это увеличивает надежность в случае отказа одного из каналов ввода-вывода.

 

Технология RAID

Термин RAID (Redundant Array of Independent/Inexpensive Disks) определяет любую дисковую подсистему, которая объ-единяет два или более стандартных физических диска в единый логический диск (дисковый массив) [54]. Такие дисковые массивы служат для повышения надежности хранения данных и для повышения скорости чтения/записи информации. Они также упрощают сопровождение дисковой подсистемы, так как АС вместо нескольких дисков обслуживает как бы один. Обычно объединение в логический диск осуществляется программно средствами ОС на базе подсистемы ввода-вывода SCSI (для небольших систем на базе SATA). Различают шесть типов (уровней) технологии RAID в зависимости от метода записи на диски [54]: RAID О, RAID 1 и т. д.

Драйверы для использования RAID-массивов входят в состав любой современной ОС. Так, Windows ХР поддерживает массивы RAID 0 и RAID 1, a Windows Server 2003 — 0, 1 и 5. В состав ОС «МСВС Linux 13 изм.» входит расширенный драйвер дисковых устройств, позволяющий работать с массивами RAID 0, RAID 1, RAID 4 и RAID 5. Непосредственное управление RAID-массивами происходит на уровне драйвера с помощь вызова системных функций. В зависимости от типа интерфейса, к которому подключены жесткие диски, для управления контроллером драйвер использует соответственно команды SATA или SCSI.

Существуют и аппаратные контроллеры RAID, имеющие в дополнение к контроллерам SCSI собственные процессор и память. При аппаратной реализации технологии RAID команды драйвера исполняет процессор ввода-вывода (ЮР, Input/ Output Processor). ЮР является центром системы RAID. ЮР не только исполняет команды драйвера, но и управляет виртуализацией дисков, обработкой кэша и конфигурированием логических томов. ЮР освобождает главный процессор от постоянной обработки прерываний, генерируемых при обращении к дискам, входящим в RAID-массив. В большинстве случаев он осуществляет прерывание главного процессора только один раз за операцию ввода-вывода независимо от числа дисков, входящих в массив.

Обычно ЮР — это единственный компонент подсистемы RAID, о котором знает ОС. Работа всех остальных компонентов скрыта от нее и управление ими осуществляет ЮР. Это возможно благодаря тому, что ЮР, как правило, содержит встроенный мост — устройство, которое позволяет подключить к ЮР собственную шину. Встроенный мост эффективно скрывает операции чтения/изменения/записи от шины сервера. Непосредственно дисковый контроллер ввода-вывода (ЮС, Input/Output Controller) обменивается данными напрямую с дисками через интерфейс SCSI/SATA. Когда ЮР требуются данные, он выдает команду ЮС на получение данных с физического диска и возвращение их либо ЮР, либо файл- серверу, в зависимости от требований приложения. ЮС, как правило, подключается к шине, предоставляемой встроенным мостом ЮР.

Кэш-память контролируется и используется исключительно ЮР и недоступна для ЮС или ОС сервера за исключением тех случаев, когда ЮР специально дает задание ЮС или

ОС сервера использовать кэш-память. ЮР пользуется кэш-памятью для взаимодействия с ОС сервера, выполнения алгоритмов RAID и для временного хранения данных во время передачи их между сервером и дисками.

В зависимости от того, какую политику использования кэш-памяти применяет АС, ее применение может давать существенное увеличение производительности. В дополнение к этому программное обеспечение RAID выполняется в кэшпамяти. В результате этого код защищен от драйверов и приложений, выполняемых в памяти сервера. Для аппаратной реализации используется и энергонезависимая память — флэш-память (в целях хранения программного обеспечения RAID). При загрузке системы ЮР загружает код из флэш-памяти в значительно более быструю кэш-память, и в дальнейшем код выполняется в кэш-памяти. Обычно в состав аппаратного RAID-контроллера входит резервная батарея для того, чтобы данные, хранящиеся в кэш-памяти, сохранились при потере электропитания.

Администратор системы, при возможности выбирать, должен использовать аппаратные решения для RAID-массивов.

Рассмотрим особенности различных уровней RAID- массивов и укажем их недостатки и достоинства [54].

RAID 0 — разделение данных между дисками и чередование блоков. Система пишет блоки данных на каждый диск массива подряд (простой стриппинг).

Преимущества: улучшенная производительность и увеличение объема логических томов; разделение данных между дисками позволяет предотвратить ситуации, в которых происходит постоянное обращение к одному диску, в то время как другие диски простаивают.

Недостатки: отсутствие избыточности; поскольку весь массив дисков представляет собой один логический том, то при выходе из строя любого диска из строя выходит весь массив.тся. Каждый байт записывается на два идентичных диска. Дублирование добавляет для каждого диска еще и НВА. Работа такой системы уже рассматривалась ранее.

Преимущества: если один диск выходит из строя, другой продолжает работать. Данную концепцию наиболее просто понять и применить.

На этом уровне при наличии оптимизированных драйвера и контроллера обычно повышается скорость чтения данных, поскольку можно начать поиск данных на одном диске, в то время как другой диск обрабатывает предыдущий запрос. Однако скорость записи в этом случае замедляется, поскольку данные необходимо записать сразу на два диска. Влияние этой стратегии на производительность зависит от соотношения операций чтения/записи в используемых приложениях.

Недостатки: дороговизна, поскольку для функционирования системы требуется в 2 раз больше дискового пространства, чем это действительно необходимо. Кроме того, необходимо дополнительное место в сервере и дополнительное электропитание.

RAID 2 — разделение данных между дисками с чередованием битов. Данные записываются побитно на все диски подряд. Отдельные диски используются для хранения контрольных сумм. Цель этой стратегии заключается в немедленном выявлении искаженных бит. Эта стратегия не используется в персональных компьютерах.

Преимущества: чтение данных происходит очень быстро благодаря параллельному использованию всех дисков; RAID 2 не требует такой избыточности как зеркалирование.

Недостатки: не выгодно использование в персональных компьютерах; очень медленные операции записи, так как при каждой записи работает каждый диск. Диск с контрольными суммами является избыточным, поскольку стандартные флаги контроля четности диска и контроллера уже обеспечивают определение ошибочных бит.

RAID 3 — разделение данных с чередованием бит и контролем четности. Обычно массив состоит из четырех или пяти дисков, из которых один диск выделен для хранения информации о контроле четности для обеспечения целостности данных. Информация записывается на все остальные диски.

Преимущества: большая надежность по сравнению со вторым уровнем. Очень высокая скорость передачи данных. Эффективно применять при малом числе длительных операций ввода-вывода.

Данные будут доступны в случае выхода из строя одного из дисков в массиве. В этом случае контроллер массива будет использовать диск контроля четности для восстановления содержимого неисправного диска. Запись данных будет происходить в прежнем режиме, и неисправный диск будет просто пропущен. На этом уровне информация может записываться и читаться параллельно с нескольких дисков, что позволяет получать высокую скорость записи и чтения.

Недостатки: производительность операции записи относительно низкая, поскольку каждый раз требуется запись на диск контроля четности; неисправность любых двух дисков приводит к отказу массива; диск контроля четности не может быть использован для хранения данных; если из строя выходит контроллер массива, то весь массив выходит из строя.

RAID 4 — разделение данных с чередованием блоков и контролем четности. Используется один диск для контроля четности, как и в RAID 3, и разделение блоков данных между дисками, как в RAID 0.

Преимущества: разделение по блокам данных более эффективно, чем побайтовое разделение; возможно одновременное осуществление нескольких операций чтения одновременно; диски работают независимо. Для чтения одного блока используется только один диск.

Недостатки: недостатки этой стратегии обусловлены самим методом записи данных. Если осуществляется запись не всей полосы (только на часть дисков, входящих в массив), требуется осуществить дополнительные операции чтения/изменения/ записи на диск с контролем четности. Сначала необходимо прочитать информацию о существующем блоке данных одновременно с контрольной информацией о четности для этого блока данных. Затем нужно рассчитать новую битовую последовательность контроля четности. Этот расчет использует информацию о старом значении четности, старые данные и новые данные. По сравнению с записью данных на диски без контроля четности скорость уменьшается в 2 раза. Диск контроля четности не может использоваться для хранения данных. Выход из строя двух любых дисков выводит из строя весь массив. Если из строя выходит контроллер массива, то весь массив выходит из строя.

RAID 5 — разделение данных с чередованием блоков и распределенным контролем четности; разделение блоков данных между всеми дисками. Данные для контроля целостности хранятся на всех дисках. Это хороший компромисс между стоимостью, избыточностью и скоростью.