5. Подсистема хранения

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 диско вой подсистемы.

Современная дисковая подсистема ввода-вывода состоит из адаптеров на материнской плате HBA (Host BusAdapter), шины (интерфейс), дискового контроллера и непосредственно жест ких 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 HBA 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 за висит 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 — Enhanсed (расширенный) IDE: добавляет специальную систему адресации для дисков системы адресации AT Attachment (ATA) [55]. Система адресации ATA — 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 (HBA) 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 (HBA 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 OSI). Уровень соединения определяет физический способ реализации соединения (способ кодиро вания, 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 производите лей 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 ATA — высокоскоростной последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации (как правило, с жесткими дисками) [55]. SATA является развитием интерфейса ATA, который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA). 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 ка белей внутри корпуса компьютера. Администратору системы надо учесть, что при этом сохраняется совместимость с контроллерами ATA по регистрам и командам. Соответственно, драйверы ST-506/IDE/EIDE могут поддерживать контроллеры SATA. Но в них возможны изменения, т. е. в общем случае не обходим upgrade от производителя ОС.

Принцип подключения двух устройств к компьютеру с по мощью контроллера SATA иллюстрируется на рис. 5.2. Адаптер HBA 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.