Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Posts and Telecommunications Institute of Technology
KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
Chương VII: Ổ đĩa và RAID
Giảng viên: TS. Nguyễn Quý Sỹ
Email:
[email protected]
Hà nội, 17 December 2009
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. Giới thiệu
•
Hơn 50 năm trước!
–
–
13th September 1956
The IBM RAMAC 350
Hà nội, 17 December 2009
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. Giới thiệu (t)
•
Dữ liệu trên đĩa 1” 8GB trên tay phải gấp 80.000 lần đĩa
trên tay trái có kích thước 24” của máy RAMAC…
Hà nội, 17 December 2009
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. Giới thiệu (t)
•
Ổ đĩa trông như thế nào?
Hà nội, 17 December 2009
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. Giới thiệu (t)
•
Các tham số
–
–
–
–
–
2-30 đầu từ (số đĩa * 2)
Đường kính 14’’ to 2.5’’
700-20480 rãnh/bề mặt
16-1600 sector/rãnh
sector size:
•
•
•
–
64-8k bytes
512 đối với hầu hết PC
Chú ý: có các khoảng trống giữa các sector
Dung lượng: 20M-500G
Hà nội, 17 December 2009
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. Giới thiệu (t)
•
Để đọc đĩa, phải xác định
–
–
cylinder #, surface #, sector #, kích thước chuyển giao, địa chỉ bộ
nhớ
Thời gian chuyển giao bao gồm:
•
•
•
Thời gian tìm kiếm: tìm được rãnh
Khoảng thời gian trống: nhận được sector và
Thời gian chuyển giao: lấy được bit khỏi đĩa Track
Sector
Seek Time
Hà nội, 17 December 2009
Rotation
Delay
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. Giới thiệu (t)
•
So sánh ổ đĩa và bộ nhớ RAM
Ổ đĩa
Kích thước nhỏ nhất
Ghi
Truy cập ngẫu nhiên
Truy cập liên tục
Giá thành
Va chạm
Hà nội, 17 December 2009
sector
sector
5ms
not on a good curve
200MB/s
$.002MB
Không vấn đề
Bộ nhớ RAM
Thông thường: byte
byte, word
50 ns
faster all the time
200-1000MB/s
$.10/MB
Mất nội dung
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. Giới thiệu (t)
•
Cấu trúc đĩa
–
Các ổ đĩa đánh địa chỉ như là các mảng 1 chiều của các khôia
logic
•
–
Mảng này được ánh xạ liên tục trên các sector của đĩa
•
•
–
Khối logic là khối nhỏ nhất của chuyển giao
Địa chỉ 0 là sector đầu tiên của rãnh đầu tiên nằm ngoài cùng
(cylinder ngoài cùng)
Các địa chỉ tăng lên trong rãnh, sau đó trong các rãnh của
cylinder, sau đó ngang qua các cylinder từ trong ra ngoài
Chuyển đổi về lý thuyết là có thể nhưng thường khó khắn
•
•
Một số sector có thể bị khiếm khuyết
Số lượng sector trên một thay đổi
Hà nội, 17 December 2009
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. Giới thiệu (t)
•
Disk Partitioning-Phân mảnh đĩa
–
–
Mỗi mảnh giống như một đĩa riêng biệt
Sector 0 là MBR
•
•
–
Tạo dạng mức cao (formatting)
•
•
–
Chứa mã khởi động + bảng phân mảnh
Bảng phân mảnh có sector bắt đầu và kích thước mỗi mảnh
Thực hiện cho từng mảnh
Xác định khối khởi động, danh sách chỗ trống, cấu trúc thư mục
và hệ thống file rỗng
Khi khởi động, xảy ra như thế nào?
•
•
BIOS nạp MBR, chương tình khởi động kiểm tra để xem mảnh
tích cực
Đọc sector khởi động từ mảnh này, sau đó nạp Kernel OS...
Hà nội, 17 December 2009
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. RAID
•
Động lực của RAID
–
Các đĩa đang được cải thiện, nhưng vẫn không nhanh bằng CPU
•
•
•
–
–
–
Chúng ta có thể sử dụng nhiều đĩa để nâng cao hoạt động
Bằng cách tháo dỡ các file trên nhiều đĩa (đặt các phần của mỗi
file trên các đĩa khác), I/O song song có thể nâng cao thời gian
truy cập
Tháo dỡ làm giảm độ tin cậy
•
–
–
1970 thời gian tím kiếm: 50-100 ms.
2000s thời gian tìm kiếm: <5 ms.
Sau 3 thập kỷ cải thiện được 20 lần
100 đĩa có thời gian trung bình 1/100 giữa các lỗi của 1 đĩa
Vì vậy chúng ta cần tháo dỡ để hoạt động, nhưng chúng ta cùng
cần một số thứ để trợ giúp độ tin cậy/tính hiệu dụng
Để tăng cường độ tin cậy, chúng ta có thể bổ sung dữ liệu dự
phòng cho các đĩa ngoài tháo dỡ
Hà nội, 17 December 2009
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. RAID
•
Động lực của RAID
–
Các đĩa đang được cải thiện, nhưng vẫn không nhanh bằng CPU
•
•
•
–
–
–
Chúng ta có thể sử dụng nhiều đĩa để nâng cao hoạt động
Bằng cách tháo dỡ các file trên nhiều đĩa (đặt các phần của mỗi
file trên các đĩa khác), I/O song song có thể nâng cao thời gian
truy cập
Tháo dỡ làm giảm độ tin cậy
•
–
–
1970 thời gian tím kiếm: 50-100 ms.
2000s thời gian tìm kiếm: <5 ms.
Sau 3 thập kỷ cải thiện được 20 lần
100 đĩa có thời gian trung bình 1/100 giữa các lỗi của 1 đĩa
Vì vậy chúng ta cần tháo dỡ để hoạt động, nhưng chúng ta cùng
cần một số thứ để trợ giúp độ tin cậy/tính hiệu dụng
Để tăng cường độ tin cậy, chúng ta có thể bổ sung dữ liệu dự
phòng cho các đĩa ngoài tháo dỡ
Hà nội, 17 December 2009
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. RAID (t)-What?
•
RAID là Redundant Array of Inexpensive Disks
–
–
•
•
•
•
Trong công nghiệp, “I” là “Independent”
Thay thế cho SLED-Single Large Expensive Disk
Các đĩa nhỏ và rẻ, vì vậy dễ dàng đặt nhiều đĩa (10 tới
100) trong một hộp để tăng dung lượng, hoạt động và tính
khả dụng
Hộp RAID có một bộ điều khiển RAID giống như SLED
trong máy tính
Dữ liệu cộng với một số thông tin dự phòng được tháo dỡ
trên các đĩa theo một số cách
Tháo dỡ thế nào quyết định tới hoạt động và độ tin cậy.
Hà nội, 17 December 2009
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. RAID (t)
•
Một số vấn đề của RAID
–
Tính chất hạt
•
•
–
Hạt nhỏ mịn: Tháo rời từng file lên tất cả các đĩa. Điều này mang
lại thông lượng cao đối với file, nhưng giới hạn chuyển giao cả file
cung lúc
Hạt to thô: Tháo rời từng file trên chỉ một ít đĩa. Giới hạn thông
lượng cho 1 file nhưng cho phép truy cập file song song nhiều hơn
Dự phòng
•
•
Phân phát đồng nhất thông tin dự phòng trên các đĩa: tránh các
vấn đề cân bằng tải
Tập trung thông tin dự phòng trên một số lượng nhỏ các đĩa:
phân mảnh thành các đĩa dữ liệu và đĩa dự phòng
Hà nội, 17 December 2009
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. RAID (t)-RAID mức 0
•
•
•
•
•
•
Mức 0 là mảng đĩa không dự phòng
Các file được tháo dỡ trên các đĩa, không có thông tin dự phòng
Thông lượng đọc cao
Thông lượng ghi tốt nhất (không có thông tin dự phòng để ghi)
Lỗi đĩa bất kỳ gây ra mất dữ liệu
Độ tin cậy kém hơn SLED
Stripe 0
Stripe 1
Stripe 2
Stripe 3
Stripe 4
Stripe 5
Stripe 6
Stripe 7
Stripe 8
Stripe 9
Stripe 10
Stripe 11
data disks
Hà nội, 17 December 2009
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. RAID (t)-RAID mức 1
•
•
•
•
•
•
Các đĩa “soi gương”
Dữ liệu được ghi vào 2 nơi
Khi lỗi, chỉ cần sử dụng đĩa còn lại
Khi đọc, chọn đĩa nhanh nhất để đọc
Hoạt động ghi tương tự như một đĩa duy nhất, hoạt động đọc nhanh
hơn 2 lần
Đắt
Stripe 0
Stripe 1
Stripe 4
Stripe 5
Stripe 8
Stripe 9
Stripe 2
Stripe 3
Stripe 0
Stripe 1
Stripe 6
Stripe 7
Stripe 4
Stripe 5
Stripe 6
Stripe 7
Stripe 10
Stripe 11
Stripe 8
Stripe 9
Stripe 10
Stripe 11
data disks
Hà nội, 17 December 2009
Stripe 2
mirror copies
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Stripe 3
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. RAID (t)-Parity và mã Hamming
•
Bạn cần làm gì để phát hiện và chuẩn hoá một lỗi bit?
–
•
•
Giả sử, bạn có một số nhị phân được biểu diễn bởi tập hợp các
bit:
, ví dụ 0110
Phát hiện dễ dàng
Parity:
–
–
–
–
–
–
–
Đếm số lượng bit 1 xem nó chẵn hay nó lẻ
Parity chẵn bằng 0 nếu số lượng bit 1 chẵn
Parity() = P0 = b0 ⊗ b1 ⊗ b2 ⊗ b3
Parity() = 0 if all bits are intact
Parity(0110) = 0, Parity(01100) = 0
Parity(11100) = 1 => ERROR!
Parity có thể phát hiện một lỗi đơn nhưng không thể xác định
được bit nào bị lỗi
Hà nội, 17 December 2009
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. RAID (t)-Parity và mã Hamming (t)
•
•
•
Phát hiện và chuẩn hoá yêu cầu nhiều việc hơn
Các mã Hamming có thể phát hiện lỗi 2 bit, phát hiện và
chuân rhoá c lỗi 1 bit
7/4 Hamming Code
–
–
–
–
–
–
–
–
–
h0 = b0 ⊗ b1 ⊗ b3
h1 = b0 ⊗ b2 ⊗ b3
h2 = b1 ⊗ b2 ⊗ b3
H0(<1101>) = 0
H1(<1101>) = 1
H2(<1101>) = 0
Hamming(<1101>) = = <1100110>
Nếu 1 bit bị lỗi, ví dụ <1110110>
Hamming(<1111>) = = <111> so với <010>, <101>
là bị lỗi. lỗi ở bit thứ 5.
Hà nội, 17 December 2009
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. RAID (t)-RAID mức 2
•
•
•
•
•
Tháo rời mức bit với các mã Hamming (ECC) để chuẩn hoá lỗi
Tất cả 7 cần (đầu từ) được đồng bộ và dịch chuyển cùng nhau
Bộ điều khiển phức tạp
Truy cập cùng một lúc
Chỉ chịu được 1 lỗi, nhưng không suy giảm hoạt động
Bit 0
Bit 1
Bit 2
data disks
Hà nội, 17 December 2009
Bit 3
Bit 4
Bit 5
ECC disks
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Bit 6
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. RAID (t)-RAID mức 3
•
Sử dụng 1 đĩa parity
–
•
•
•
Mỗi bit của đĩa parity là một hàm parity của các bit tương ứng
trên tất cả các đĩa khác
Đọc truy cập tất cả các đĩa dữ liệu
Ghi truy cập tất cả các đĩa cộng với đĩa parity
Khi lỗi đĩa, đọc các đĩa còn lại cộng với đĩa parity để tính
toán dữ liệu bị mất
Bit 0
Bit 1
Bit 2
Bit 3
Parity
Parity disk
data disks
Hà nội, 17 December 2009
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
1. RAID (t)-RAID mức 4
•
•
•
•
Kết hợp mức 0 và 3 – parity ở mức khối cùng với tháo rời
Đọc truy cập tất cả các đĩa dữ liệu
Ghi truy cập tới tất cả các đĩa dữ liệu cộng với đĩa parity
Tải nặng trên đĩa parity
Stripe 0
Stripe 1
Stripe 2
Stripe 3
P0-3
Stripe 4
Stripe 5
Stripe 6
Stripe 7
P4-7
Stripe 8
Stripe 9
Stripe 10
Stripe 11
P8-11
Parity disk
data disks
Hà nội, 17 December 2009
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông