Накопители на дисковых массивах RAID

В результате изысканий, проведенных различными фирмами, появилось самостоятельное направление разработки накопителей на жестких магнитных дисках – создание накопителей на дисковых массивах. Название RAID (Redundant Array of Independent Disks) переводится как "резервирующие массивы независимых дисков". Идея RAID проста: несколько дисков, объедине-нных вместе, могут не только увеличить объем накопителя, но и повысить надежность хранения информации при возросшей скорости передачи данных. Такие системы целесообразно использовать для хранения огромных массивов данных, электронных библиотек и т.п. при совместной работе с мощным сервером (или несколькими серверами).

Массив дисков, подключенный к компьютеру, распознается системой как один диск большой емкости. Отказоустойчивость дискового массива может быть увеличена за счет избыточности хранимой информации.

RAID-массив строится на основе распределения данных между дисками. Пространство каждого диска разбивается на сегменты. Дисковое пространство RAID-массива представляет собой объединение сегментов всех дисков массива.

Архитектура построения и распределения дисковой памяти в устройствах RAID имеет несколько классов (уровней). На сегодняшний день существует девять уровней RAID-массивов, которые различаются по скорости, надежности и стоимости изготовления. Наибольшее распрост-ранение получили уровни: нулевой, первый, второй и пятый. В меньшей степени распространены третий, шестой и седьмой уровни.

В системе RAID уровня 0 (часто называемого уровнем чередования данных) информация каждого файла располагается на нескольких дисках. Однако при такой организации высока вероятность отказа.

Иногда этот уровень называют дисковым массивом без дополнительной отказоустойчивости.

Дисковые массивы уровня 1 (зеркального дублирования дисков) имеют полный дубликат каждого диска, обеспечивая тем самым надежность хранения информации и быстродействие накопителя, но стоимость таких массивов высока. Достоинства использования массивов RAID 1 состоят в следующем:

- скорость записи на зеркальные диски идентична скорости записи на один диск;

- скорость чтения данных в два раза выше, чем одного диска;

– высокая скорость восстановления данных вследствие избыточности информации.

Восстановление происходит путем копирования данных с одного диска на другой.

К недостаткам можно отнести низкий коэффициент использования дискового пространства (К_исп = 0,5).

Дисковые массивы уровня RAID 2 основаны на использовании алгоритма Хемминга для проверки/восстановления данных. Поток данных разбивается на отдельные слова, каждое слово,
в свою очередь, разбивается на биты. Биты последовательно записываются на диски. Для каждого слова данных по алгоритму Хемминга вычисляется значение корректирующего кода. Код Хемминга является корректирующим кодом, исправляющим одну ошибку в каждом кодовом слове. Вычисленные по алгоритму Хемминга контрольные суммы записываются на отдельный диск и используются для проверки данных при считывании. Достоинствами технологии RAID 2 являются:

- оперативное исправление ошибок;

- высокая скорость передачи данных, увеличивающаяся с ростом числа дисков в массиве;

- возрастание коэффициента использования дискового пространства по мере увеличения числа дисков;

- относительно простое конструктивное исполнение.

Пятый уровень ориентирован на активную работу с дисками и обеспечивает максимальную скорость доступа к информации за счет использования независимых дисков данных и равномерного распределения контрольных сумм между дисками. Этот уровень находит наибольшее распространение в тех случаях, когда требуется достаточно высокая скорость передачи большого количества информационных файлов малого объема. Для RAID 5 характерно распределение информации контрольных данных, как минимум, по трем дискам.

Флэш-память

Появление флэш-памяти, хранящей информацию при отключенном питании и не требующей электромеханических устройств, произвело настоящую революцию в технологиях хранения информации.

Преимущества карт флэш-памяти перед гибкими дисками как средствами переноса файлов с одного ПК на другой стали настолько очевидными, что появились разработки модулей для считывания информации с карт флэш-памяти на обычные компьютеры.

Реальное и массовое применении получили миниатюрные и удобные накопители с портом USB. Ныне выпускаются десятки типов таких устройств с объемом встроенной флэш-памяти
от 32 Мбайт до 1-4 Гбайт.

Многие современные настольные ПК имеют на передней панели 1-2 разъема USB, и они наиболее удобны для применения таких устройств памяти.

Для чтения и записи карт COMPACT FLASH выпускается устройство Cavei CR-E2. Оно имеет интерфейс USB 2.0 и обеспечивает скорость передачи до 50 Мбайт/с.

Еще одно такое устройство Cruzer Micro для записи и считывания с Compact Flash отличается миниатюрными размерами. Модель поставляется в модификациях с объемом памяти от 128 до
512 Мбайт и позволяет с удобством хранить и переносить большое количество документов, изображений, музыки и видеороликов.

Причина прогресса в развитии флэш-памяти и карт на ее основе очевидна – в отличие от накопителей на дисках флэш-память не нуждается в весьма сложной и прецизионной электромеханике, является полностью твердотельным устройством – «пластинкой с памятью»
и удобна в применении.

Но на самом деле флэш-память не так уж проста. Она реализуется в виде сверхбольшой интегральной схемы с числом элементов на кристалле, достигающим многих миллиардов. Наличие большого числа различных карт расширения – скорее существенный недостаток, чем достоинство, поскольку большинство ПК и других мобильных устройств малых размеров способны работать с картами одного типа, а это препятствует обмену информацией между компьютерами разного типа, даже если они принадлежат одному клону, например Pocket PC 2002/2003/2004.

Наличие разношерстных карт расширения – объективная реальность. Поэтому перед приобре-тением ПК стоит внимательно изучить, какие карты расширения используются в нем.

Разумно время от времени сбрасывать содержимое карт флэш-памяти на более дешевые носители информации, например на жесткие диски или CD-ROM/RW.

Физический принцип организации ячеек флэш-памяти можно считать одинаковым для всех выпускаемых устройств. Различаются такие устройства по интерфейсу и применяемому контрол-леру, что обусловливает разницу в емкости, скорости передачи данных и энергопотреблении.

Multimedia Card (ММС) и Secure Digital (SD) – мультимедиа карты сходят со сцены из-за ограниченной емкости (64 Мбайта и 256 Мбайт соответственно) и низкой скорости работы.

SmartMedia – основной формат для карт широкого применения (от банковских и проездных в метро до удостоверений личности). Тонкие пластинки весом 2 грамма имеют открыто располо-женные контакты, но значительная для таких габаритов емкость (до 128 Мбайт) и скорость передачи данных (до 600 кбайт/с) обусловили их проникновение в сферу цифровой фотографии
и МРЗ-устройств.

Memory Stick – «эксклюзивный» формат фирмы Sony, практически, не используется другими компаниями. Максимальная емкость – 256 Мбайт, скорость передачи данных доходит
до 410 кбайт/с, цены сравнительно высокие.

CompactFlash (CF) – флэш-карты – самый распространенный, универсальный и перспектив-ный формат. Легко подключается к любому ноутбуку. Основная область применения – цифровая фотография. По емкости (до 3 Гбайт) сегодняшние CF-карты не уступают IBM Microdrive, однако отстают по скорости обмена данными (около 2 Мбайт/с).

USB Flash Drive – последовательный интерфейс USB с пропускной способностью 12 Мбит/с или его современный вариант USB 2.0 с пропускной способностью до 480 Мбит/с. Основные параметры (емкость и скорость работы) полностью совпадают с CompactFlash, поскольку чипы самой памяти остались прежними. Может служить не только «переносчиком» файлов, но
и работать как обычный накопитель – с него можно запускать приложения, воспроизводить музыку и сжатое видео, редактировать и создавать файлы. Низкое среднее время доступа
к данным на Flash-диске – менее 2,5 мс.

PC Card (PCMCIA ATA) – основной тип флэш-памяти для компактных компьютеров.
В настоящее время существует четыре формата карточек PC Card: Type I, Type II, Type III
и CardBus, различающиеся размерами, разъемами и рабочим напряжением. Для PC Card возможна обратная совместимость по разъемам «сверху вниз». Емкость PC Card достигает 4 Гбайт, ско-рость – 20 Мбайт/с при обмене данными с жестким диском.

Miniature Card (MC) – карточка флэш-памяти, предназначена в основном для карманных компьютеров, мобильных телефонов и цифровых фотокамер. Стандартная емкость составляет
64 Мбайт.

xD Picture Card (extreme Digital) является новым типом флэш-памяти, разработанным компанией Toshiba специально для цифровых фотоаппаратов. На сегодняшний день это самое миниатюрное устройство флэш-памяти. Благодаря использованию технологии NAND не имеет ограничений на объем. Сейчас известны карточки xD Picture Card емкостью от 1 Гбайт до 8 Гбайт.

MirrorBit Flash основана на технологии хранения в ячейке двух бит. Каждая ячейка разделена на симметричные (зеркальные) половинки изолирующим слоем из нитрида кремния и, таким образом, имеет удвоенную емкость. За счет «зеркальности» более быстро формируется стандартная 16-битная страница данных, что увеличивает скорость обмена. Чипы семейства MirrorBit имеют емкость 64 Мбит и могут быть установлены на большинство современных типов твердотельных устройств памяти.