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 операционных системах на основе ядра 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, полностью 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.

Оптическая память

 

В 1983 году была представлена первая цифровая аудиосистема на базе компакт-дисков (CD — compact disk). Компакт-диск — это односторонний диск, способный хранить более чем 60-минутную аудиоинформацию. Громадный коммерческий успех CD способствовал развитию технологии дешевых оптических запоминаю­щих устройств для ВМ. За последующие годы были созданы различные системы памяти на оптических дисках, три из которых в прогрессирующей степени прижи­ваются в вычислительных машинах: CD-ROM, WARM и стираемые оптические диски.

Для аудио компакт-дисков и CD-ROM используется идентичная технология. Основное отличие состоит в том, что проигрыватели CD-ROM более прочные и со­держат устройства для исправления ошибок, обеспечивающие корректность пере­дачи данных с диска в ВМ. Диск изготавливается из пластмассы, например поли­карбоната, и покрыт окрашенным слоем с высокой отражающей способностью, обычно алюминием. Цифровая информация заносится в виде микроскопических углублений в отражающей поверхности. Запись информации производится с по­мощью сильно сфокусированного луча лазера высокой интенсивности. Так создается так называемый, мастер-диск, с которого затем печатаются копии. Углубле­ния на копии защищаются от пыли и повреждений путем покрытия поверхности диска прозрачным лаком.

Информация с диска считывается маломощным лазером, расположенным в про­игрывателе. Лазер освещает поверхность вращающегося диска сквозь прозрачное покрытие. Интенсивность отраженного луча лазера меняется, когда он попадает в углубление на диске. Эти изменения фиксируются фотодетектором и преобра­зуются в цифровой сигнал.

Углубления, расположенные ближе к центру диска, перемещаются относительно луча лазера медленнее, чем более удаленные. Из-за этого необходимы меры для компенсации различий в скорости так, чтобы лазер мог считывать информацию с постоянной скоростью.

Одно из возможных решений аналогично применяемому в магнитных дисках — увеличение расстояния между битами информации, в зависимости от ее располо­жения на диске. В этом случае диск может вращаться с неизменной скоростью и, соответственно, такие дисковые ЗУ известны как устройства с постоянной угловой скоростью (CAV, Constant Angular Velocity). Ввиду нерационального использо­вания внешней части диска метод постоянной угловой скорости в CD-ROM не поддерживается. Вместо этого информация по диску размещается в секторах оди­накового размера, которые сканируются с постоянной скоростью за счет того, что диск вращается с переменной скоростью. В результате углубления считываются лазером с постоянной линейной скоростью (CLV, Constant Linear Velocity). При доступе к информации у внешнего края диска скорость вращения меньше и возра­стает при приближении к оси. Емкость дорожки и задержки вращения возрастают по мере смещения от центра к внешнему краю диска.

Выпускаются CD различной емкости. В типовом варианте расстояние между дорожками составляет 1,6 мк, что, с учетом промежутков между дорожками, по­зволяет обеспечить 20 344 дорожки. Фактически же, вместо множества концент­рических дорожек, имеется одна дорожка в виде спирали, длина которой равна 5,27 км. Постоянная линейная скорость CD-ROM — 1,2 м/с, то есть для «прохож­дения» спирали требуется 4391 с или 73,2 мин. Именно эта величина составляет стандартное максимальное время проигрывания аудиодиска. Так как данные счи­тываются с диска со скоростью 176,4 Кбайт/с, емкость CD равна 774,57 Мбайт.

Данные на CD-ROM организованы как последовательность блоков. Типичный формат блока показан на рис. 84. Блок включает в себя следующие поля:

· Синхронизация. Это поле идентифицирует начало блока и состоит из нулевого байта, десяти байтов, содержащих только единичные разряды, и вновь байта из всех нулей.

· Идентификатор. Заголовок, содержащий адрес блока и байт режима. Режим 0 определяет пустое поле данных; режим 1 отвечает за использование кода, кор­ректирующего ошибки, и наличие 2048 байт данных; режим 2 определяет нали­чие 2336 байт данных и отсутствие корректирующего кода.

· Данные. Данные пользователя.

· Корректирующий код (КК). Поле предназначено для хранения дополнитель­ных данных пользователя в режиме 2, а в режиме 1 содержит 288 байт кода с исправлением ошибок.

 

Рис. 84. Формат блока CD-ROM.

 

Рисунок 85 иллюстрирует организацию информации на CD-ROM. Как уже отмечалось, данные расположены последовательно по спиралевидной дорожке. Для варианта с постоянной линейной скоростью произвольный доступ к информации становится более сложным.

Рис. 85. Организация диска с постоянной линейной скоростью.

 

В последнее время наметился переход к новому типу оптических дисков, так называемым DVD-дискам (Digital Video Data). DVD-диски состоят из двух слоев толщиной 0,6 мм, то есть имеют две рабочих поверхности, и обеспечивают хране­ние по 4,7 Гбайт на каждой. В DVD-технологии используется лазер с меньшей дли­ной волны (650 нм против 780 нм для стандартных CD-ROM), а также более изощ­ренная схема коррекции. Все это позволяет увеличить число дорожек и повысить плотность записи. Кроме того, при записи применяется метод сжатия информа­ции, известный как MPEG2.

Контрольные вопросы

 

1. Перечислите основные компоненты HDD.

2. Какие две цели достигаются с помощью организации HDD в RAID?

3. Оцените утилизацию дискового пространства для RAID 1 и 5.

4. Какие преимущества имеются у составных RAID-массивов?

5. За счёт чего достигается повышенная отказоустойчивость RAID?

6. От чего зависит количество секторов на дорожке?

7. Каким способом можно увеличить плотность записи на пластину HDD?

8. На чём основан принцип считывания информации с CD?

9. Почему в CD используется только метод считывания с постоянной линейной скоростью?

10. За счёт чего увеличена ёмкость DVD по сравнению с CD?