Проект информационно-вычислительной сети Мелитопольского межрайонного онкологического диспансера

Кабельная система SCSI-I - это линейная шина с возможностью

подключения до восьми устройств, включая главный адаптер шины (host bus

adapter, HBA). Такой дизайн шины называется SCSI c несимметричным выходным

сигналом (single-ended SCSI), при этом длина шлейфа может достигать девяти

метров. SCSI-2 (практически вытеснивший SCSI-I) поддерживает и SCSI c

несимметричным выходным сигналом, и дифференциальный SCSI. Дифференциальный

SCSI использует иной, нежели SCSI c несимметричным выходом, метод

сигнализации и поддерживает до 16 устройств на шлейфе длиной до 25 метров.

Он обеспечивает лучшее подавление шума, что во многих случаях означает

лучшую производительность.

Одна из проблем с дифференциальным SCSI заключается в совместимости

устройств. Например, сегодня количество разновидностей совместимых с

дифференциальным SCSI накопителей на магнитной ленте и приводов CD-ROM

ограничено. Дифференциальные устройства и HBA обычно немного дороже

устройств с несимметричным выходным сигналом, но их преимущество в том, что

они поддерживают большее число устройств на канал, имеют более длинный

шлейф и, в некоторых случаях, обладают лучшей производительностью.

Выбирая устройства SCSI, должна учитываться и проблема совместимости.

SCSI c несимметричным выходным сигналом и дифференциальный SCSI могут

использовать одну и ту же проводку, но сочетать устройства с несимметричным

выходным сигналом и дифференциальные устройства нельзя. Wide SCSI применяет

отличную от Narrow SCSI кабельную систему, так что использовать на одном и

том же канале устройства Wide SCSI и Narrow SCSI невозможно.

6.4.2 Работа SCSI.

В SCSI контроллер устройства (например контроллер диска) и интерфейс с

компьютером - устройства разные. Интерфейс с компьютером, HBA, добавляет к

компьютеру дополнительную интерфейсную шину для подсоединения нескольких

контроллеров устройств: до семи контроллеров устройств на канале SCSI c

несимметричным выходным сигналом и до 15 на дифференциальном канале.

Технически каждый контроллер может поддерживать до четырех устройств.

Однако при высоких скоростях обмена сегодняшних высокоемких дисков

контроллер устройства обычно встраивается в диск с целью уменьшения помех и

электрических наводок. Это значит, что можно иметь до семи дисков на канале

SCSI с несимметричным выходным сигналом и до 15 на дифференциальном канале

SCSI.

Одно из преимуществ SCSI - обработка нескольких, накладывающихся друг

на друга команд. Эта поддержка перекрывающегося ввода/вывода дает дискам

SCSI возможность полностью сочетать свои операции чтения и записи с другими

дисками системы, благодаря чему разные диски могут обрабатывать команды

параллельно, а не по очереди.

Поскольку вся интеллектуальность дискового интерфейса SCSI заключается

в HBA, HBA контролирует доступ ОС к дискам. Как результат, HBA, а не

компьютер, разрешает конфликты трансляции и доступа к устройствам. В целом

это значит, что при условии использования правильно написанных и

установленных драйверов компьютер и ОС не видят никакой разницы между

устройствами.

Вдобавок, поскольку HBA контролирует доступ между внутренней шиной

расширения компьютера и шиной SCSI, он может разрешать конфликты доступа к

ним обеим с предоставлением таких расширенных возможностей, как сервис

обрыва/восстановления связи. Обрыв/восстановление позволяют ОС послать

конкретному устройству команду на поиск, чтение или запись, после чего диск

предоставляется самому себе для выполнения команды, благодаря чему другой

диск на том же канале может тем временем получить команду. Этот процесс

способствует значительному повышению пропускной способности дисковых

каналов с более чем двумя дисками, особенно когда данные разнесены или

разбросаны по дискам. Другая расширенная функция - синхронный обмен

данными, вследствие чего общая пропускная способность дискового канала и

целостность данных увеличиваются.

6.4.3 IDE

IDE - фактический стандарт, широко используемый в ПК на базе

процессоров х86. Это лишь общая рекомендация для производителей, поэтому

каждый мог свободно разрабатывать специфический интерфейс IDE для своих

устройств и адаптеров. В итоге продукты от разных производителей, и даже

разные модели одного и того же производителя, оказывались несовместимы друг

с другом. Когда спецификация устоялась, данная проблема практически

исчезла, но несовместимость все же возможна.

В отличие от SCSI, IDE, возлагает выполнение интеллектуальных функций

на диск, а не HBA. HBA для IDE практически не обладает интеллектуальностью

и просто напрямую выводит шину компьютера к дискам. Без промежуточного

интерфейса число устройств на одном канале IDE ограничивается двумя, а

длина кабеля тремя метрами.

Поскольку весь интеллект устройств IDE находится на самих устройствах,

одно из устройств на канале назначается главным (channel master), а

встроенный контроллер на втором отключается, и оно становится подчиненным

(chanell slave). Главное устройство контролирует доступ через канал IDE к

обоим устройствам и выполняет для них все операции ввода/вывода. Это одна

из возможностей конфликта между устройствами из-за различных реализаций

производителями интерфейса IDE. Например, один диск может быть рассчитан на

работу с конкретной схемой контроллера, а главное устройство, к которому он

подключен, может использовать другой тип контроллера. Вдобавок диски более

нового расширенного cтандарта Enhanced IDE (EIDE) применяют расширенный

набор команд и трансляционных таблиц в целях поддержки дисков большей

емкости и большей производительности. Если они подсоединены к старому

стандартному, главному диску IDE, они не только теряют свои расширенные

функции, но и могут не предоставить всю свою доступную емкость. Хуже того,

они могут сообщать ОС о своей полной емкости, будучи не в состоянии ее

использовать, что чревато повреждением информации на диске.

Возможность повреждения данных обусловлена тем, что каждая ОС по-

своему воспринимает информацию о конфигурации диска. Например, DOS и

системный BIOS допускают максимальную емкость диска только 528 Мбайт.

NetWare и другие 32-х разрядные системы не имеют этих ограничений и

способны читать весь диск IDE напрямую через его электронику. Когда

создается на одном диске несколько разделов различных ОС, каждая из них

видит емкость и конфигурацию по-своему, а это может привести к перекрытию

таблиц разделов, что, в свою очередь, существенно повышает риск потери

данных на диске.

Оригинальная архитектура IDE не позволяет распознавать диски больше

528 Мбайт и может поддерживать только два устройства на канал при

максимальной скорости передачи 3 Мбит/с. Для преодоления некоторых

ограничений IDE в 1994 году была представлена архитектура EIDE. EIDE

поддерживает большую емкость и производительность, однако ее скорости

передачи от 9 до 16 Мбит/с по-прежнему медленнее скорости передачи SCSI.

Кроме того, в отличие от 15 устройств на канал для SCSI, она может

поддерживать максимум четыре на канал. Отметим также, что ни IDE, ни EIDE

не реализуют функций многозадачности. И следовательно, не могут обеспечить

в типичном серверном окружении тот же уровень производительности, что и

интерфейсы SCSI.

Хотя стандарт IDE разрабатывался исходно для дисков, сейчас он

поддерживает ленточные устройства и CD-ROM. Однако разделение канала с CD-

ROM или ленточным устройством может отрицательно сказаться на

производительности диска. В целом преимущества SCSI в производительности и

расширяемости делают его в сравнении с IDE или EIDE более предпочтительным

для большинства серверных приложений старшего класса, где требуется высокая

производительность. Однако для приложений начального уровня, где

производительность или расширяемость не играют большой роли, хватит IDE или

EIDE. В то же время, если требуется избыточность дисков, то IDE из-за

потенциальных проблем, связанных с подходом master-slave, не лучший

вариант. Кроме того, следует опасаться возможного перекрытия таблиц

разделов и проблем несовместимости устройств master-slave.

Тем не менее есть несколько случаев, когда интерфейсы IDE и EIDE могут

быть использованы в серверах старшего класса. Обычной практикой является,

например, использование небольшого диска IDE для раздела DOS на серверах

NetWare. Широко практикуется также применение приводов CD-ROM с интерфейсом

IDE для загрузки ПО.

6.4.4 Избыточные дисковые системы.

Еще один важный для обсуждения вопрос при определении спецификации

сервера - избыточность. Есть несколько методов повышения надежности

дисковой системы из нескольких дисков. Большинство этих схем избыточности -

вариации RAID (расшифровывается как избыточный массив недорогих или

независимых дисков). Оригинальная спецификация RAID была разработана для

замены больших и дорогих дисков мэйнфреймов и мини-компьютеров массивами

небольших и дешевых дисков, предназначенных для мини-компьютеров, - отсюда

слово недорогие. К сожалению, в системах RAID редко встречается что-нибудь

недорогое.

RAID - это серия реализаций избыточных дисковых массивов для

обеспечения различных уровней защиты и скорости передачи данных. Поскольку

RAID предполагает использование дисковых массивов, лучшим интерфейсом для

применения будет SCSI, поскольку он может поддерживать до 15 устройств.

Уровней RAID существует 6: от нулевого до пятого. Хотя некоторые

производители рекламируют свои собственные схемы избыточности, которые они

называют RAID-6, RAID-7 или выше. (RAID-2 и RAID-4 нет в сетевых серверах,

поэтому мы о них говорить не будем.)

Из всех уровней RAID нулевой имеет наибольшую производительность и

наименьшую защищенность. Он предполагает наличие как минимум двух устройств

и синхронизированную запись данных на оба диска, при этом диски выглядят

как одно физическое устройство. Процесс записи данных на несколько дисков

называется заполнением дисков (drive spanning), а собственно метод записи

этих данных - их чередованием (data striping). При чередовании данные

пишутся на всех дисках поблочно; этот процесс именуется расслоением блоков

(block interleaving). Размер блока определяется операционной системой, но

обычно он варьируется в пределах от 2 Кбайт до 64 Кбайт. В зависимости от

конструкции дискового контроллера и HBA, эти последовательные операции

записи могут перекрываться, в результате чего производительность

возрастает. Так, сам по себе RAID-0 может повысить производительность, но

не обеспечить защиты от сбоев. Если случается сбой диска, то вся подсистема

выходит из строя, что, как правило, приводит к полной потере данных.

Вариантом чередования данных является распределение данных (data

scattering). Как и при чередовании, данные записываются последовательно на

несколько заполняемых дисков. Однако в отличие от чередования запись не

обязательно производится на все диски; если диск занят или полон, данные

могут быть записаны на следующем доступном диске - это позволяет добавлять

диски к существующему тому. Как и стандарт RAID-0, комбинация заполнения

дисков с распределением данных повышает производительность и увеличивает

объем тома, но не обеспечивает защиты от сбоев.

RAID-1, известный как зеркалирование диска (disk mirroring),

предполагает установку пар одинаковых дисков, причем каждый диск в паре

является зеркальным отображением другого. В RAID-1 данные пишутся на две

идентичных или почти идентичных пары дисков: когда, например, один диск

портится, система продолжает работать с зеркальным диском. Если зеркальные

диски имеют общий HBA, то производительность данной конфигурации, по

сравнению с однодисковой, будет меньше, поскольку данные должны

записываться последовательно на каждый диск.

Novell сузила определение зеркалирования и добавила понятие

дублирования (duplexing). Согласно терминологии Novell, зеркалирование

относится к парам дисков, когда они подсоединены к серверу или компьютеру

через один HBA, в то время как дублирование подразумевает, что зеркальные

пары дисков подсоединены через раздельные HBA. Дублирование обеспечивает

избыточность всего дискового канала, включая HBA, кабели и диски, и

позволяет несколько повысить производительность.

RAID-3 требует как минимум трех одинаковых дисков. Часто это

называется технологией n минус 1 (n-1), поскольку максимальная емкость

системы задается, как все количество дисков в массиве (n) минус один диск

для контроля четности. RAID-3 использует метод записи, именуемый

расслоением битов (bit interleaving), когда данные пишутся на все диски

побитово. Для каждого записанного на n-дисках байта на диск четности

пишется бит четности. Это исключительно медленный процесс, поскольку перед

тем, как информация о четности сможет быть сгенерирована и записана на диск

четности, данные должны быть записаны на каждый из n-дисков массива. Есть

возможность увеличить производительность RAID-3 путем синхронизации

механизмов вращения дисков, так чтобы они работали строго в ногу. Однако из-

за ограничений по производительности использование RAID-3 резко снизилось,

и сегодня продается очень немного продуктов для серверов, основанных на

RAID-3.

RAID-5 - самая популярная на рынке сетевых серверов реализация RAID.

Как и RAID-3, она требует, как минимум, трех одинаковых дисков. Однако, в

отличие от RAID-3, RAID-5 производит чередование блоков данных без

применения выделенного диска для четности. И данные, и контрольная сумма

записываются по всему массиву. Этот метод допускает независимое чтение и

запись на диск, а также позволяет операционной системе или контроллеру RAID

проводить несколько параллельных операций ввода/вывода.

В конфигурациях RAID-5 обращение к диску происходит только тогда,

когда с него считывается/записывается информация о четности или данные. Как

следствие, RAID-5 имеет более высокую, чем RAID-3, производительность. На

практике производительность RAID-5 может иногда достигать или даже

превосходить производительность однодисковых систем. Такое повышение

производительности, разумеется, зависит от многих факторов, в том числе и

от того, как реализован массив RAID и какие собственные возможности есть у

операционной системы сервера. RAID-5 обеспечивает также высочайший среди

всех стандартных реализаций RAID уровень целостности данных, поскольку и

данные, и информация о четности записаны с чередованием. Поскольку RAID-5

использует расслоение блоков, а не битов, синхронизация вращения не дает

никаких преимуществ в производительности.

Некоторые производители добавили расширения к своим системам RAID-5.

Одно из таких расширений - наличие встроенного в массив диска горячего

резерва (hot-spare). Если случается сбой диска, то диск из горячего резерва

немедленно заменяет аварийный диск и копирует на себя данные путем их

восстановления по четности в фоновом режиме. Однако помните то, что

восстановление диска RAID-5 оборачивается серьезным падением

производительности сервера.

Системы RAID могут быть организованы как при помощи загруженного на

сервере и использующего для работы его процессор ПО, так и при помощи

специализированного контроллера RAID.

Программно-реализованные системы RAID отнимают значительную часть

ресурсов системного процессора, равно как и системной памяти, что сильно

понижает производительность сервера. Программные системы RAID иногда

включаются в виде функции операционной системы (как это сделано в Microsoft

Windows NT Server) или дополнения от третьих поставщиков (как это сделано в

NetWare и операционной системе Macintosh).

Аппаратно-реализованные системы RAID используют выделенный контроллер

массива RAID; обычно он имеет свой собственный процессор, кэш-память и ПО в

ПЗУ - для выполнения дисковых функций ввода-вывода и проверки четности.

Наличие выделенного контроллера для выполнения этих операций освобождает

процессор сервера для выполнения других функций. Кроме того, поскольку

процессор и ПО адаптера специально отлажены для выполнения функций RAID,

они обеспечивают большую производительность дисковых операций ввода/вывода

и лучшую целостность данных, чем программно-реализованные системы RAID. К

сожалению, аппаратно-реализованные контроллеры массивов RAID, как правило,

дороже своих программно-реализованных конкурентов.

RAID уровня 0

В RAID 0 используется разбиение

данніх - деление файлов на блоки,

распределяемые между накопителями.

Здесь не предусмотрена избыточность,

но обеспечивается очень хорошая

производительность.

Файл-сервер

Контроллер

дисковой матрицы

|Блок 1| |Блок | |Блок |

| | |2 | |3 |

|Блок 4| |Блок | |Блок |

| | |5 | |6 |

|Блок 7| |Блок | |Блок |

| | |8 | |9 |

Накопитель 1 Накопитель 2 Накопитель 3

Диаграмма 1: RAID уровня 0.

RAID уровня 3

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7