Tutorial HD - RAID - mass storage, Notas de estudo de Informática

Baixe Tutorial HD - RAID - mass storage e outras Notas de estudo em PDF para Informática, somente na Docsity! Armazenamento 2 Armazenamento Murilo Rodrigues Moreira Sistemas de Informação – Universidade de Cuiabá (UNIC) Cuiabá – MT – Brasil murilo_sistemas@hotmail.com, sistemas_murilo@yahoo.com.br Abstract. This tutorial will detail the different types of storage devices in order to show the operation of each one of them, the importance on the context in which you entered and their evolution to the present day. Resumo. Este tutorial irá detalhar os diferentes tipos de dispositivos de armazenamento, com o intuito de mostrar o funcionamento de cada um deles, a importância referente ao contexto em que tiver inserido e suas respectivas evoluções até os dias atuais. 5 1. Características e funcionamento dos HDs 1.1 - Surgimento O disco rígido não é um dispositivo novo, mas sim uma tecnologia que evoluiu com o passar do tempo. Um dos primeiros HDs que se tem notícia é o IBM 305 RAMAC. Disponibilizado no ano de 1956, era capaz de armazenar até 5 MB de dados (um avanço para a época) e possuía dimensões enormes: 14 x 8 polegadas. Seu preço também não era nada convidativo: o 305 RAMAC custava cerca de 30 mil dólares. Com o passar dos anos, os HDs foram aumentando sua capacidade de armazenamento, ao mesmo tempo em que se tornaram menores, mais baratos e mais confiáveis. Apenas para ilustrar o quão "gigante" eram os primeiros modelos, a foto abaixo mostra um disco rígido de 5MB de 1956. Em Setembro de 1956 a IBM lançou o 305 RAMAC, o primeiro computador com Hard Disk(HDD). O HDD pesava perto de 1 tonelada e tinha a capacidade de 5Mb. Figura 1 - Hard Disk (Disco Rígido) 6 1.2 - Componentes de um HD Para que possamos compreender o funcionamento básico dos discos rígidos, precisamos conhecer seus principais componentes. Os tão mencionados discos, na verdade, ficam guardados dentro de uma espécie de "caixa de metal". Essas caixas são seladas para evitar a entrada de material externo, pois até uma partícula de poeira pode danificar os discos, já que estes são bastante sensíveis. Isso significa que se você abrir seu disco rígido em um ambiente despreparado e sem o uso dos equipamentos e das técnicas apropriadas, as chances de você perdê-lo são extremamente grandes. Figura 2 - Componentes internos de um HD A figura acima mostra os componentes que formam um HD. Note que a parte inferior contém uma placa com chips. Trata-se da placa lógica, um item muito importante para o funcionamento do HD. A placa lógica contém chips responsáveis por diversas tarefas. O mais comum é conhecido como controladora, pois gerencia uma série de itens do HD, como a movimentação dos discos e das cabeças de leitura/gravação (mostradas adiante), o envio e recebimento de dados entre os discos e o computador, e até rotinas de segurança. 7 Outro dispositivo comum à placa lógica é um pequeno chip de memória conhecido como buffer. Cabe a ele a tarefa de armazenar pequenas quantidades de dados durante a comunicação com o computador. Como esse chip consegue lidar com os dados de maneira mais rápida que os discos rígidos, ele agiliza o processo de transferência de informações. A parte interna dos HDs (isto é, o interior da "caixinha") é mais interessante. A foto abaixo mostra um HD aberto. Note que há indicativos que descrevem os componentes mais importantes. Estes são esclarecidos logo abaixo da imagem: Figura 3 - Unidades do Disco Rígido 1.2.1 Pratos e motor Esse é o componente que mais chama a atenção. Os pratos são os discos onde os dados são armazenados. Eles são feitos de alumínio (ou de um tipo de cristal) recoberto por um material magnético e por uma camada de material protetor. Quanto mais trabalhado for o material magnético (ou seja, quanto mais denso), maior é a capacidade de armazenamento do disco. Note que os HDs com grande capacidade contam com mais de um prato, um sobre o outro. Eles ficam posicionados sob um motor responsável por fazê-los girar. Para o mercado de PCs, é comum encontrar HDs que giram a 7.200 rpm (rotações por minuto), mas também há modelos que alcançam a taxa de 10 mil rotações, tudo depende da evolução da tecnologia. Até pouco tempo atrás, o padrão do mercado era composto por discos rígidos que giram a 5.400 rpm. Claro que, quanto mais rápido, melhor; 1.2.2 Cabeça e braço Os HDs contam com um dispositivo muito pequeno chamado cabeça (ou cabeçote) de leitura e gravação. Trata-se de um item de tamanho reduzido que contém uma bobina que utiliza impulsos magnéticos para manipular as moléculas da superfície 10 armazenamento, você poderá conectar duas ou mais unidades no sistema de forma que elas ajam como uma única unidade grande e rápida ou configurá-las para que uma unidade do sistema seja usada para duplicar (ou espelhar) automática e instantaneamente seus dados para backup em tempo real. 2.1 RAID nível 0 Neste nível o disco virtual RAID é distribuído por faixas (ou strips) de k setores, num modo round-robin, como mostra a figura abaixo para um array de 4 discos: Figura 6 - RAID nível 0 Assim se uma aplicação pedir ao controlador RAID para ler um conjunto de dados, em por exemplo 4 faixas consecutivas, o controlador RAID, separe esse pedido em 4 e envia-os para o disco correspondente. Tem-se assim E/S em paralelo embora transparente para a aplicação. Este nível atinge maior desempenho para pedidos de transferência de grande quantidade de informação, e o pior desempenho será para aplicações que pretendam ler muitos setores isolados. 2.2 RAID nível 1 Neste nível a informação é duplicada noutro conjunto de discos, como mostra a figura seguinte. Na escrita a informação de um faixa é escrita em dois discos diferentes, no entanto em paralelo sem perda de tempo significativa. Na leitura a mesma faixa pode ser lida de dois discos diferentes, podendo ser metade lida de uma e outra metade de outro, aumentando o desempenho, no melhor caso, para o dobro. Figura 7 - RAID nível 1 11 2.2 RAID nível 2 Neste nível a informação é distribuída por palavras ou mesmo por bits. Uma arquitetura possível consiste em dividir cada byte do disco virtual em 2 nybbles (4 bits) e juntar mais 3 bits de paridade para correção de erros, de acordo com o código de Hamming. Cada um destes nybbles mais correção de erros poderia ser guardado num array de 7 discos como mostra a figura: Figura 8 - RAID nível 2 Se por algum motivo um dos discos falhar a informação pode ser reconstruída a partir do restantes 6 bits, de acordo com o código de Hamming. Outros esquemas são possíveis. O Thinking Machines CM-2 usa um esquema de palavras de 32 bits mais 6 bits de paridade para formar o código de Hamming, mais um bit para a paridade da palavra, por tanto um total de 7 bits para correção de erros em palavras de 32 bits, reduzindo o espaço perdido para correção de erros para cerca de 22%. Além disso, como são usadas 32 drives em paralelo (mais 7 para correção de erros) o desempenho aumenta por um fator próximo de 32. Assim este nível tem um maior desempenho quando maior o número de discos. É, no entanto necessário que todas as unidades de disco estejam sincronizadas em termos rotacionais, pois uma palavra é distribuída por todas elas. 2.3 RAID nível 3 Este nível é uma versão simplificada do nível 2. Figura 9 - RAID nível 3 Os drives têm de estar todas sincronizadas, mas a informação para detecção de erros é menor, apenas um bit de paridade para cada palavra, deixando mais espaço útil 12 para a informação. Embora um bit de paridade indique apenas que ocorreu um erro mas não qual o bit errado, no caso de falha de um disco sabe-se qual o bit que falhou para todas as palavras, de modo que é possível detectar se os bits desse disco deverão ser um 0 ou um 1 para que o bit de paridade seja correto, e assim reconstruir a informação no disco que falhou. 2.4 RAID nível 4 Este nível é semelhante ao nível 0, adicionando mais um disco para a paridade das faixas. Assim, por camadas, as faixas ao longo de todos os discos são submetidas a uma operação XOR bit a bit, de modo a obter uma faixa de paridade. Isto é o mesmo que somar todos os bits na mesma posição, das faixas na mesma camada, tomando o bit da faixa de paridade o valor 0 se a soma for par ou 1 se impar. Figura 10 - RAID nível 4 Deste modo, se um disco falhar, é possível reconstruir a informação a partir das faixas restantes e das faixas de paridade. No entanto para gravar um só sector, é necessário escrever o sector no disco correto, ler o mesmo sector de todos os outros discos, incluindo o de paridade, calcular a paridade e voltar a escrever a paridade. É assim possível a escrita de sectores em paralelo em todos os discos, mas a paridade é escrita sempre no disco de paridade tornando pesado o acesso a esse disco. 2.5 RAID nível 5 Este nível diminui o peso no acesso ao disco de paridade, de acordo com o nível 4, distribuindo as faixas de paridade uniformemente por todos os discos segundo um esquema round-robin. No entanto a reconstrução de toda uma unidade que falhe constituiu um processo mais complexo. Deste modo, se um disco falhar, é possível reconstruir a informação a partir das faixas restantes e das faixas de paridade. No entanto para gravar um só setor, é necessário escrever o setor no disco correto, ler o mesmo setor de todos os outros discos, incluindo o de paridade, calcular a paridade e voltar a escrever a paridade. É assim possível a escrita de setores em paralelo em todos os discos, mas a paridade é escrita sempre no disco de paridade tornando pesado o acesso a esse disco.