Kiến trúc máy tính - Chương VII: Ổ đĩa và Raid

Hà nội, 17 December 2009 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: synq@ptit.edu.vn Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Hơn 50 năm trước! – 13th September 1956 – The IBM RAMAC 350 1. Giới thiệu Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Dữ liệu trên đĩa 1” 8GB trên tay phải gấp 80.000 lần đĩa trên tay trái có kích thước 24” của máy RAMAC 1. Giới thiệu (t) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Ổ đĩa trông như thế nào? 1. Giới thiệu (t) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • 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 1. Giới thiệu (t) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • 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 1. Giới thiệu (t) Track Sector Seek Time Rotation Delay Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1. Giới thiệu (t) • So sánh ổ đĩa và bộ nhớ RAM Thông thường: byte byte, word 50 ns faster all the time 200-1000MB/s $.10/MB Mất nội dung sector sector 5ms not on a good curve 200MB/s $.002MB Không vấn đề Kích thước nhỏ nhất Ghi Truy cập ngẫu nhiên Truy cập liên tục Giá thành Va chạm Bộ nhớ RAMỔ đĩa Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Cấu trúc đĩa – Các ổ đĩa đánh địa chỉ như là các mảng 1 chiều của các khôia logic • Khối logic là khối nhỏ nhất của chuyển giao – Mảng này được ánh xạ liên tục trên các sector của đĩa • 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 1. Giới thiệu (t) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Disk Partitioning-Phân mảnh đĩa – Mỗi mảnh giống như một đĩa riêng biệt – Sector 0 là MBR • Chứa mã khởi động + bảng phân mảnh • Bảng phân mảnh có sector bắt đầu và kích thước mỗi mảnh – Tạo dạng mức cao (formatting) • 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... 1. Giới thiệu (t) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Động lực của RAID – Các đĩa đang được cải thiện, nhưng vẫn không nhanh bằng CPU • 1970 thời gian tím kiếm: 50-100 ms. • 2000s thời gian tìm kiếm: <5 ms. • Sau 3 thập kỷ cải thiện được 20 lần – 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 • 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 1. RAID Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Động lực của RAID – Các đĩa đang được cải thiện, nhưng vẫn không nhanh bằng CPU • 1970 thời gian tím kiếm: 50-100 ms. • 2000s thời gian tìm kiếm: <5 ms. • Sau 3 thập kỷ cải thiện được 20 lần – 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 • 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 1. RAID Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • 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. 1. RAID (t)-What? Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • 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 1. RAID (t) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • 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 1. RAID (t)-RAID mức 0 Stripe 0 Stripe 4 Stripe 3Stripe 1 Stripe 2 Stripe 8 Stripe 10 Stripe 11 Stripe 7Stripe 6Stripe 5 Stripe 9 data disks Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • 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 1. RAID (t)-RAID mức 1 data disks mirror copies Stripe 0 Stripe 4 Stripe 3Stripe 1 Stripe 2 Stripe 8 Stripe 10 Stripe 11 Stripe 7Stripe 6Stripe 5 Stripe 9 Stripe 0 Stripe 4 Stripe 3Stripe 1 Stripe 2 Stripe 8 Stripe 10 Stripe 11 Stripe 7Stripe 6Stripe 5 Stripe 9 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • 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 Ä b1 Ä b2 Ä 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 1. RAID (t)-Parity và mã Hamming Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • 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 Ä b1 Ä b3 – h1 = b0 Ä b2 Ä b3 – h2 = b1 Ä b2 Ä b3 – H0() = 0 – H1() = 1 – H2() = 0 – Hamming() = = – Nếu 1 bit bị lỗi, ví dụ – Hamming() = = so với , là bị lỗi. lỗi ở bit thứ 5. 1. RAID (t)-Parity và mã Hamming (t) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • 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 1. RAID (t)-RAID mức 2 data disks Bit 0 Bit 3Bit 1 Bit 2 Bit 4 Bit 5 Bit 6 ECC disks Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • 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 1. RAID (t)-RAID mức 3 data disks Parity disk Bit 0 Bit 3Bit 1 Bit 2 Parity Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • 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 1. RAID (t)-RAID mức 4 data disks Parity disk Stripe 0 Stripe 3Stripe 1 Stripe 2 P0-3 Stripe 4 Stripe 8 Stripe 10 Stripe 11 Stripe 7Stripe 6Stripe 5 Stripe 9 P4-7 P8-11 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Parity phân bố đan xen giữa các khối • Giống như phương thức parity, nhưng phân bố thông tin parity trên tất cả các đĩa (cũng như dữ lệu trên tất cả các đĩa) • Hoạt động đọc tốt hơn, hoạt động ghi rộng • Đọc có thể tốt hơn SLEDs và RAID-0 1. RAID (t)-RAID mức 5 data and parity disks Stripe 0 Stripe 3Stripe 1 Stripe 2 P0-3 Stripe 4 Stripe 8 P8-11 Stripe 10 P4-7Stripe 6Stripe 5 Stripe 9 Stripe 7 Stripe 11 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Level 5 với một bit parity mở rộng • Có thể chịu được 2 lỗi – Các số lẻ của 2 lỗi đồng thời là gì? • Có thể thực hiện tốt hơn mức 5 khi đọc, chậm hơn khi ghi 1. RAID (t)-RAID mức 6 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1. RAID (t)-RAID mức 0+1 và 1+0 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Kết thúc bài 7 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only.