Конфигурирование АТА-устройств

Каждый канал АТА-интерфейса поддерживает подключение двух устройств - Master и Slave. Причем оба эти устройства абсолютно равноправны друг перед другом и ни одно из них не имеет никаких преимуществ. Конфигурация обычно задается перемычкой, размещенной на задней стенке устройства. Кроме этих двух позиций там обычно присутствует и третья - Cable Select. Для работы устройств в режиме Cable Select требуется специальный Y-образный шлейф, центральный разъем которого подключается к системной плате, а крайние разъемы - к устройствам; одно из них автоматически становится Master, а другое - Slave.

Не следует подключать два активно используемых устройства (например, два жестких диска) к одному IDE-каналу, потому что каждый канал в каждый момент времени может обрабатывать только один запрос к одному устройству. А это, учитывая, что и винчестеры, и CD-ROM являются медленными электромеханическими устройствами, существенно замедляет их одновременную работу, даже если пропускная способность интерфейса соответствует суммарной скорости считывания данных с диска. Каждое АТА-устройство по возможности следует подключать к отдельному каналу.

Не следует подключать к одному каналу жесткий диск и ATAPI-устройство (например, CD-ROM) - протокол ATAPI использует систему команд, немного отличающуюся от системы команд АТА.

Хотя практически все современные чипсеты поддерживают возможность использования различных режимов передачи данных для устройств, подключенных к одному каналу, устройства, существенно различающиеся по скорости, лучше разнести по разным каналам, если имеется такая возможность.

Технология RAID

Сам термин RAID - Redundant Array of Independent (или Inexpensive) Disks (избыточный массив независимых (или недорогих) дисководов) появился в 1987 году. В основу RAID положена идея объединения в массив несколько относительно небольших, а значит, и недорогих винчестеров, в результате чего можно получить систему, превосходящую по объему, скорости работы и надежности хранения информации самые скоростные и дорогие дисководы. В стандартных компьютерах каждый диск виден пользователю как независимый, обозначенный своей, уникальной буквой, тогда как в RAID-системах несколько физических дисков объединяются в виртуальный массив, который пользователь видит как один независимый физический диск.

Изначально было определено пять типов дисковых массивов, обозначаемых соответственно RAID-1, RAID-2 - RAID-5. Каждый из этих типов, за счет определенной избыточности записываемой информации, обеспечивал повышенную отказоустойчивость по сравнению с одиночным дисководом. Наряду с этими типами широкую популярность приобрели также дисковые массивы типа RAID-0, не обладающие избыточностью, но позволяющие увеличить производительность дисковой подсистемы, а также комбинированные массивы типов RAID-0+1/1+0. К числу основных методов обработки информации, способствующих увеличению производительности дисков и обеспечивающих защищенность информации в RAID массивах, являются:

· Дублирование и зеркалирование данных (Mirroring) - один из самых простых и надежных методов резервирования информации, при котором все операции ввода/вывода выполняются параллельно как на основной диск, так и на его дублера, содержащего резервную копию всей информации. Операция зеркалирования подразумевает использование общей шины данных для каждой пары дисков, а при дублировании каждый из них имеет свой отдельный канал. Недостаток метода - его относительная дороговизна, ведь ровно половина всего имеющегося дискового пространства исключена из активного использования.

· Вторым методом, называемым "Striping" (полосатый), осуществляется распределение порций данных между различными накопителями и дополнение их кодами контрольных сумм, получаемыми путем суммирования по модулю 2 содержимого информационных блоков массива. В этом случае обеспечивается возможность, в случае выхода из строя какого-либо диска из состава массива, по содержимому сохранившихся блоков информации и контрольной суммы восстановить на новом диске всю утраченную информацию.

Уровни RAID-массивов

RAID-0

В массиве RAID-0 используется как минимум два жестких диска, осуществляя чтение и запись информации одновременно с обоих дисков, благодаря чему возрастает общая производительность дисковой подсистемы. При этом все они видны системе как один виртуальный диск. RAID-0 не обладает ни избыточной емкостью, ни контролем четности, поэтому авария одного дисковода может привести к выходу из строя всего массива. С другой стороны, RAID-0 обеспечивает максимальную скорость обмена и эффективность использования объема дисководов. Поскольку для организации RAID-0 не требуются сложные математические или логические вычисления, затраты на его реализацию минимальны. Наиболее оправданная область применения массивов RAID-0: аудио- или видеоприложения, требующие высокой скорости непрерывного потока передачи данных, которую не может обеспечить одиночный дисковод. Например, в дисковых системах для станций нелинейного видеомонтажа.

Распределение данных осуществляется следующим образом. Совокупное дисковое пространство разбивается на блоки одинаковой длины. Обозначим эти блоки цифрами 1-4. Блок 1 располагается на первом физическом диске, блок 2 - на втором, в том же самом месте, что и 1 на первом, блок 3 - опять на первом диске, вслед за блоком 1, четвертый - на втором вслед за блоком 2 и т. д. до тех пор, пока все они не будут расположены.

Однако в связи с таким распределением блоков следует учесть, что емкость полученного виртуального диска будет равна сумме емкостей физических только в том случае, когда все HDD, используемые в массиве, имеют одинаковую емкость, так как в качестве единицы форматирования массива используется объем самого маленького диска системы.

Из приведенного алгоритма видно, что скорость работы RAID-системы нулевого уровня увеличивается пропорционально количеству дисков в системе. Собственно, увеличение скорости достигается за счет того, что подавляющее большинство запросов на чтение/запись обращаются сразу к нескольким последовательным блокам, которые, как описано выше, располагаются на разных HDD и, следовательно, могут быть считаны/записаны параллельно, а не последовательно, как это осуществляется традиционно.

RAID-1

В массиве уровня RAID-1 также используется парное включение дисков, работающих по методу Mirroring (зеркалирование) и составляющих один логический диск. Запись производится на оба диска практически одновременно, что обеспечивает высокую надежность системы, потому что такой массив обладает 100% избыточностью и авария одного диска не приводит к аварии всего массива - контроллер просто переключает операции чтения/записи на оставшийся дисковод.

Кроме того, дисководы, входящие в пару, могут совершать одновременные операции чтения. Таким образом, "зеркалирование" может удваивать скорость чтения при неизменной скорости записи. RAID-1 обеспечивает наивысшую скорость работы среди всех типов избыточных массивов, особенно в многопользовательском окружении, но за это приходится расплачиваться наихудшим использованием располагаемого дискового пространства. Поскольку для RAID-1 не требуются сложные математические или логические вычисления, затраты на его реализацию минимальны. Минимальное количество дисководов в массиве RAID-1 - 2шт.

Для увеличения скорости записи и обеспечения надежности хранения данных несколько массивов RAID-0 можно, в свою очередь, объединить в один массив уровня RAID-1. Такая конфигурация называется "двухуровневый" RAID или RAID 0 + 1 и обеспечивает избыточность за счет зеркалирования. Обладая всеми достоинствами базовых уровней, такие массивы наследуют и все их недостатки. Минимальное количество дисководов в массиве RAID 0 + 1 - 4шт.

RAID-3

В дисковых массивах RAID-3 данные распределяются блоками небольшого размера по нескольким физическим дисководам, а один из дисководов массива отводится для хранения информации о четности, которая может использоваться для восстановления данных.

Распределение данных в массиве RAID-3 осуществляется следующим образом. Блок 1 физически расположен на первом диске, блок 2 - на втором в том же месте, блок 3 помещается на третьем, блок 4 - вслед за сегментом 1 на первом диске, блок 5 - на втором следом за 2 и так далее до тех пор, пока вся емкость виртуального HDD не будет заполнена. Первый блок четвертого диска Р1 содержит сумму по модулю 2 (XOR) информационных блоков 1, 2 и 3, расположенных на первых трех дисках. Следующий сегмент Р2 четвертого диска содержит XOR блоков 4, 5, 6 и так далее. При отказе любого диска данные на нем можно восстановить по информации, содержащейся в XOR и в соответствующих блоках оставшихся исправных дисков.

Массивы уровня RAID-3 в настоящее время применяются не очень часто, так как в них под избыточную информацию отводится целый диск, который в режиме чтения информации фактически простаивает. В массиве RAID-3 может быть задействовано минимум 3 дисковода - 2 информационных и 1 - с XOR-блоками.

Существуют еще и массивы RAID уровня 4, отличающиеся от RAID-3 в основном только значительно большим размером блока записываемых данных, чаще всего - кратным размеру сектора жесткого диска.

RAID-2

Еще меньше, чем массивы RAID-3, распространены массивы RAID-2, которые отличаются типом избыточного кодирования информации (используется код Хемминга) и, соответственно, большим количеством дисков для хранения этого кода (минимум два), которые нужны для определения положения неисправного разряда. Но сейчас, когда большинство RAID-контроллеров в состоянии самостоятельно определить место и время произошедшего сбоя, очень дорогие системы RAID уровня 2 не имеют никаких преимуществ по сравнению с другими типами массивов и, как следствие, никаких перспектив практического применения.

RAID-5

Массив типа RAID-5 иногда называется "массив с вращающейся четностью". В таком массиве, как и в RAID-4, используются блоки записываемых данных большого размера. Кроме того, в отличие от RAID-3, для хранения избыточной информации не выделяется отдельный диск, а блоки с контрольной информацией записываются на различные диски по очереди, что позволяет, за счет параллельной работы всех дисков массива, повысить производительность дискового массива в режиме чтения данных. Как и в случае RAID-3, для построения массива RAID-5 необходимо использовать минимум 3 диска.

Кроме вышеперечисленных уровней, практически все RAID-контроллеры могут работать в так называемом режиме JBOD - Just a Bunch Of Drives (массив независимых дисков). В этом режиме один или несколько дисков, подключенные к RAID контроллеру, не объединяются в RAID-массив, а функционируют независимо друг от друга, то есть RAID-контроллер выполняет функции обычного контроллера соответствующего дискового интерфейса.