Armazenamento Secundário

Enderson Ferreira - enderson@agestado.com.br

Periféricos deEntrada/Saída UC UAL

Registradores

Memória

Memória Principal/PrimáriaRAM/DRAM/SDRAM

Memória SecundáriaDiscos magnéticos / ópticos

Memória TerciáriaFitas/cartuchos magnéticos

Modelo de Von Neumann

Hierarquiade

memória

- não voláteis- normalmente magnéticas- muito lentas (em relação à mem. principal – solução: caché)

Abordagem nessa aula:- Discos Magnéticos- Interfaces- R.A.I.D.

caché

UCP Memória

Adaptador de barramento

Controlador de barramento

universalControlador

de discoControlador

de vídeoControlador de teclado

Interface Serial

Interface Paralela

cache L1cache L2

memory bus (barramento de memória)

I/O bus (barramento de E/S)

Discos Magnéticos e Interfaces

Trilha

Pratos

Trilhas

Setores

Parâmetros de desempenho:

- tempo médio de busca- atraso rotacional ou latência de rotação- tempo de transferência

Parâmetros de confiabilidade:

- MTBF = MTTF- taxa de erros de leitura de bit recuperáveis

- taxa de erros de leitura de bit irrecuperáveis

- sobretaxa de transferência- atraso em fila

Especificações técnicas de confiabilidade de discos magnéticos.(Seagate, 2002)

Mecanismos de Detecção e Predicção de Erros:

- CRC (Cyclic Redundancy Check)

- S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis andReporting Technologies)

Interfaces:- IDE/ATA vs SCSI

- Alternativas:- USB- Firewire IEEE-1394- Canais de fibra (fiber channel)- Serial ATA

canal 1

canal 0

barramento PCI

Controladora de E/S

Controladora SCSI

ID0 ID1 ID2 ID16

Topologia das Interfaces (SCSI)

Padrão SCSI Qtde de discos

suportados

Tamanho máximo de

Velocidade do

barramento

Largura de barramento

Taxa detransf.

SCSI-1 8 6 m 5 MHz 8 5MB/s

Fast SCSI 8 3 m 10 MHz 8 10 MB/s

SCSI-2 8 3 m 5 MHz 8 5 MB/s

Fast/Wide Scsi-2

16 3 m 10 MHz 16 20 MB/s

Ultra SCSI 8 1,5 m 20 MHz 8 20 MB/s

Ultra/Wide SCSI

16 1,5 m 20 MHz 16 40 MB/s

Ultra2 SCSI (LVD)

16 12 m 40 MHz 16 80 MB/s

Ultra3/160 SCSI

16 12 m 40 MHz 16 160 MB/s

Tabela de versões da interface SCSI (DOMINGUEZ; COLLIGAN, 1999)

Topologia das Interfaces (ATA / SATA)

Controlador ATA

Canal ATA Secundário

Mestre Escravo

Canal ATA Primário

Mestre Escravo

Controlador Serial ATA

SATA Port

SATA Drive

SATA Port

SATA Drive

- 16 linhas de dados (paralela)- até 133MB/s (DMA modo 6)- 2 devices por canal/cabo- 40 pinos cabo de dados- 4 pinos cabo de alimentação

- 4 linhas de dados (serial Tx e Rx)- 1,5Gb/s diferential NRZ serial stream - 1 device por SATA port- 7 pinos conector de dados-15 pinos conector de alimentação

Especificação em : http://www.serialata.org

Modo de Transferência de Dados

Taxa máxima de Transferência de Dados

Pinos por Conector

Quantidade de Condutores

Versão ATA

PIO Modo 0 3,33 MB/s 40 40 ATA-1

PIO Modo 3 11,1 MB/s 40 40 Fast ATA

DMA Modo 1 11,1 MB/s 40 40 Fast ATA

DMA Modo 1 (Multiword) 13,3 MB/s 40 40 ATA-2

DMA Modo 2 (Multiword) 16,6MB/s 40 40 ATA-3

Ultra ATA DMA Modo 2 33,3 MB/s 40 40 ATA-4

Ultra ATA 100 DMA Modo 5 99,9 MB/s 40 80 ATA-5

Tabela de versões da interface ATA(DOMINGUEZ; COLLIGAN, 1999)

Ultra ATA 133 DMA Modo 6 133 MB/s 40 80 ATA-5

Comutador

Servidores Matrizes de Disco

Comutação de Malha

Ponto a Ponto

Servidor

Discos

Loop Arbitrário

Servidor

Topologia das Interfaces (Fiber Channel)

A Importância do ArmazenamentoSecundário

processor-centric data-centric

(COURTRIGHT, 1997)

Fragmentação de Dados

64KBytes

16KBytes16KBytes

16KBytes

9GB9GB

Matriz de 7x9GB de discos físicos

1 Disco lógico de 63 GB

- alto desempenho

- paralelismo de instruções de E/S independentes

- instruções de E/S abrangendo dados fragmentados emmúltiplos discos

- baixa confiabilidade

- Kim e Salem, 1984

cosDisNúmero

MTTFdiscoMTTFmatriz

R. A. I. D.

- acrônimo de “Redundant Array of Inexpensive Disks”

- David Patterson, 1988 - Universidade Berkeley - Califórnia

de Discos de Baixo Custo

Matrizes

Redundantes

RAIDs Originais

- RAID nível 1 - Espelhamento

- RAID nível 2 - Código de Hamming

- RAID nível 3 - Paridade N+1 - Entrelaçamento nível de byte

- RAID nível 4 - Paridade N+1 - Entrelaçamento nível de bloco

- RAID nível 5 - Paridade N+1 Distribuída - Entrelaçamento nível de bloco

RAID nível 1 - Espelhamento

Bit Dados 1Bit Dados 2Bit Dados 3Bit Dados 4

DISCO 0

Bit Verificação 1Bit Verificação 2Bit Verificação 3Bit Verificação 4

DISCO 1

DADOSESPELHADOS

RAID nível 1 - Espelhamento

- Palavra código: 2 bits – 1 dado e 1 verificação

- alto custo - Sobretaxa = 100%

- alto desempenho leitura

- acesso simultâneo em ambos discos

- política de escolha do disco a ser acessado pela estimativa do tempo de busca para cada instrução de leitura

- alta confiabilidade – simplicidade na implementação

RAID nível 2 – Código de Hamming

A0 A1 A2 A3 ECC Ax ECC Ay ECC Az

B0 B1 B2 B3 ECC Bx ECC By ECC Bz

C0 C1 C2 C3 ECC Cx ECC Cy ECC Cz

D0 D1 D2 D3 ECC Dx ECC Dy ECC Dz

A-D0-3 = Bits de dadosECC A-Dx, ECC A-Dy, ECC A-Dz = paridades dos subconjuntos de A-D0-3

Palavra Código0 1 1 0 0 1 1

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7b1, b2 e b4 = verificaçãob3, b5, b6 e b7 = dados (1011)

Código de Hamming

Leitura errada do bit 50 1 1 0 1 1 1

b1 e b4 não conferem.Soma-se os índices para

detectar o bit errado b5

Detecção e Correção de Erro

Código de Hamming

RAID nível 2 – Código de Hammingrrm 2)1(

Tamanho msg em bits (m)

Núm. de bits de redundância (r)

Tam. da palavra código em bits (n)

Percentual de sobretaxa

4 3 7 75

8 4 12 50

16 5 21 31

32 6 38 19

64 7 71 11

128 8 136 6

256 9 265 4

512 10 522 2

1024 11 1035 1

RAID nível 3 - Paridade N+1 Entrelaçamento nível de byte

B1B4B7

B10...

DISCO 0

B2B5B8

B11...

DISCO 1

B3B6B9

B12 ...

DISCO 2

P(B1,B2,B3)P(B4,B5,B6)P(B7,B8,B9)

P(B10,B11,B12)...

DISCO 3

bn = bits de dadosP(bx,by,bz) = paridade de bx, by e bz

RAID nível 3 - Paridade N+1 Entrelaçamento nível de byte

- Palavra Código: N+1 bits – paridade par ou XOR dos N bits

- mínimo de 3 discos

- Confiabilidade: detecção simples de erro por paridade

- baixo custo – Sobretaxa = 1/N-1

- alto desempenho em pequenas leituras

- baixo desempenho em grandes leituras/escritas

- Stripe = 1 byte

54321050 DDDDDDP

RAID nível 4 - Paridade N+1 Entrelaçamento nível de bloco

B0B1B2...

B512B513B514

...B1023

B1024B1025B1026

P(B0,B512,B1024)P(B1,B513,B1025)P(B2,B514,B1026)

...P(B511,B1023,B1535

K0 K1 K2 P(K0,K1,K2)

K3 K4 K5 P(K3,K4,K5)

K6 K7 K8 P(K6,K7,K8)

DISCO 0 DISCO 1 DISCO 2 DISCO 3

Bn = byte de dadosP(Bx,By,Bz) = paridade de Bx, By e Bz

Kn = Blocos de dados de 512 BytesP(Kx,Ky,Kz) = bloco de paridade de Kx, Ky e Kz

RAID nível 4 - Paridade N+1 Entrelaçamento nível de bloco

- custo e confiabilidade idem RAID 3

- bom desempenho em grandes leituras

- baixo desempenho em escrita

- gargalo: disco de paridade - operações RMW

K6 K7 K8P(K6,K7,K8)

K9 K10 K11P(K9,K10,K11)

K0 K1 K2 P(K0,K1,K2)

K3 K4 K5P(K3,K4,K5)

RAID nível 5 - Paridade N+1 distribuída Entrelaçamento nível de bloco

Bn = byte de dadosP(Bx,By,Bz) = paridade de Bx, By e Bz

Kn = Blocos de dados de 512 BytesP(Kx,Ky,Kz) = bloco de paridade de Kx, Ky e Kz

RAID nível 5 - Paridade N+1 distribuída Entrelaçamento nível de bloco

- custo e confiabilidade idem RAIDs 3 e 4

- baixo desempenho em pequenas escritas

- desempenho aceitável para grandes escritas

- paridade distribuída

K8 K10 K11

K12 K13 K15

K0 K1 K2

K5 K6 K7K4

RAIDs Derivados - RAID 0 (Sem Redundância)

RAIDs Derivados - Matriz Bi-dimensional de Disco

INFORMAÇÃO

VERIFICAÇÃO

Discosde Dados (D)

Discos deParidade (P)

Total de discos (N)

Sobretaxa Sobretaxa Hamming / N

4 4 8 50% 75% / 7

6 5 11 45% 50% / 12

8 6 14 43%

9 6 15 40%

10 7 17 41%

12 7 19 37% 31% / 21

25 10 35 29% 19% / 32

100 20 120 17% 6% / 128

1000 110 1110 10% 1% / 1024

11|100..

NMSobretaxa

RAIDs Derivados - Matriz Bi-dimensional de Disco

Falhas de Sistemas

MTTFs CARACTERÍSTICOS DE ALGUNS COMPONENTES DE SISTEMA

AlimentaçãoAC - MTTF=4.900 horas

MTTF=123.000horas

Cabo alimentaçãoMTTF=10.000.000 horas

Discos

VentilaçãoMTTF=195.000 horas

Cabo Scsi MTTF=21.000.000 horas

Controladora SCSIMTTF=120.000 horas

Solução: Redundância nos Pontos Críticos de Falha

Solução para Tolerância a Falhas de Sistema

RAIDs Derivados - Ortogonal

Controladores de Barramento ou Cadeia

Opção 1

Opção 2

RAIDs Derivados - RM-2 (Redundant Matrix)

- possibilita dupla falha simultânea de disco sem perda de dados

D0 D1 D2

P12 P23 P30

- utiliza dupla paridade

- sobretaxa com redundância = 1/M e N = 2M+1

RAIDs Derivados - Dados e Paridade não entrelaçados

C0C1C2

C512C513C514

P(A512,B512)P(A513,B513)P(A514,B514)

B0B1B2

B512B513B514

P(A0,C512)P(A1,C513)P(A2,C514)

A0A1A2

A512A513A514

P(B0,C0)P(B1,C1)P(B2,C2)

DISCO 0 DISCO 1 DISCO 2

- idealizado para sistemasde Banco de Dados(Gray et al. apud Gibson, 1991)

- melhor desempenhoem pequenas leituras

-mesmo custo de N+1,alternativa para mirror

- não fragmenta os dados:cada disco correspondea 1 sistema de arquivos

RAIDs Derivados - Código Não-Binário

?)2,1(

2mod)(21

Modulo 2 A B

Modulo 4

Binário Não-Binário

4mod)12(

4mod)212(

4mod)2(2

4mod)(1

RAIDs Derivados - RAID em CamadasRAID 0+1

RAID 1

D0’ D1’

D0 D1RAID 1

D2 D3RAID 1

D4 D5RAID 1

RAIDs Derivados - RAID em CamadasRAID 0+3

D0 D1 D2

RAID 0

D3 D4 D5

RAID 0

D6 D7 D8

RAID 0

ASHAR, Kanu G. Magnetic Disk Drive Technology: Heads, Media, Channel, Interfaces and Integration. New York, USA: IEEE Press, 1996.

CARDENAS, D. Glen; CATENA, Jose-Maria. SCSI vs. IDE. A Complete Assessment. Site ProRec.com, 2000. Disponível em <http://www.prorec.com/prorec/articles.nsf/articles/1A37C1C69674D6D786256950005D2C39>. Acesso em 13 dez. 2002.

COURTRIGHT, William V. A Transactional Approach to Redundant Disk Array Implementation. A Dissertation submitted to the Department of Electrical and Computer Engineering in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy. Pittsburgh: Carnegie Mellon University, 1997.

DOMINGUEZ, Ricardo; COLLIGAN, Tom. SCSI vs. ATA: Interface Comparison. Site da Dell Computer Corporation: Vectors Technology Information Center, 1999. Disponível em <http://www.dell.com/us/en/gen/topics/vectors_1999-atascsi.htm>. Acesso em 8 ago. 2002.

FERREIRA, Enderson; ALMEIDA JR, Jorge Rady de. Análise de Confiabilidade de Sistemas Redundantes de Armazenamento em Discos Magnéticos. São Paulo,2003. 145 p. (Mestrado) – EPUSP / PCS

GIBSON, Garth A. Redundant Disk Arrays - Reliable, Parallel Secondary Storage. The MIT Press, 1991.

GILBERT, H. IDE and SCSI Disks. Das Boot, PC Lube and Tune, 1995. Disponível em <http://www.yale.edu/pclt/BOOT/DISKDEV.HTM>. Acesso em 16 jan. 2003.

HWANG, Kai; JIN, Hai; HO, Roy S. C. Orthogonal Striping and Mirroring in Distributed RAID for I/O-Centric Cluster Computing .

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IBM. Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology. How S.M.A.R.T are your hard disk drives? Site da IBM: IBM Personal Systems Group, 1998. Disponível em <http://www.pc.ibm.com/us/infobrf/ibsmart.html>. Acesso em 12 dez. 2002.

PATTERSON, David A., CHEN, Peter, GIBSON, Garth, KATZ, Randy H. Introduction to Redundant Arrays of Inexpensive Disks. Berkeley: University of California, 1989.

SEAGATE. Especificações Técnicas HDs. Site da Seagate Technology LLC, 2002. Disponível em <http://www.seagate.com/cda/products/discsales/index>. Acesso em 18 nov. 2002.

Referências

Armazenamento Secundário

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