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Enderson Ferreira - enderson@agestado.com.br
Armazenamento Secundário
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
UCP
- não voláteis- normalmente magnéticas- muito lentas (em relação à mem. principal – solução: caché)
Abordagem nessa aula:- Discos Magnéticos- Interfaces- R.A.I.D.
caché
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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)
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Discos Magnéticos e Interfaces
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Discos Magnéticos e Interfaces
Trilha
Prato
Pratos
Trilhas
Setores
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Discos Magnéticos e Interfaces
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
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Discos Magnéticos e Interfaces
Especificações técnicas de confiabilidade de discos magnéticos.(Seagate, 2002)
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Discos Magnéticos e Interfaces
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
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canal 1
canal 0
barramento PCI
Controladora de E/S
Controladora SCSI
ID0 ID1 ID2 ID16
ID0 ID1 ID2 ID16
Topologia das Interfaces (SCSI)
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Padrão SCSI Qtde de discos
suportados
Tamanho máximo de
cabo
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)
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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
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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 1 5,22 MB/s 40 40 ATA-1
PIO Modo 2 8,33 MB/s 40 40 ATA-1
PIO Modo 3 11,1 MB/s 40 40 Fast ATA
PIO Modo 4 16,7 MB/s 40 40 ATA-3
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 DMA Modo 3 44,4 MB/s 40 80 ATA-5
Ultra ATA DMA Modo 4 66,6 MB/s 40 80 ATA-5
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
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Comutador
Servidores Matrizes de Disco
Comutação de Malha
Ponto a Ponto
Servidor
Discos
RxTx
Tx
Tx
Loop Arbitrário
Servidor
Rx
Rx
RxTx
Topologia das Interfaces (Fiber Channel)
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A Importância do ArmazenamentoSecundário
processor-centric data-centric
(COURTRIGHT, 1997)
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Fragmentação de Dados
64KBytes
16KBytes16KBytes
16KBytes
16KBytes
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Fragmentação de Dados
9GB
9GB9GB
9GB
9GB
9GB9GB
Matriz de 7x9GB de discos físicos
1 Disco lógico de 63 GB
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Fragmentação de Dados
- 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
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R. A. I. D.
- acrônimo de “Redundant Array of Inexpensive Disks”
- David Patterson, 1988 - Universidade Berkeley - Califórnia
de Discos de Baixo Custo
Matrizes
Redundantes
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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
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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
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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
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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
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b1 b2
b4
b5 b6
b3
b7
b1 b2
b4
0 1
1
1
0 1
0
0 1
1
1
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
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0 1
0
1 1
1
1
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
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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
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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
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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
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RAID nível 4 - Paridade N+1 Entrelaçamento nível de bloco
B0B1B2...
B511
B512B513B514
...B1023
B1024B1025B1026
...
B1535
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
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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
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K6 K7 K8P(K6,K7,K8)
K9 K10 K11P(K9,K10,K11)
DISCO 0 DISCO 1 DISCO 2 DISCO 3
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
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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
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K8 K10 K11
K12 K13 K15
DISCO 0 DISCO 1 DISCO 2 DISCO 3
K0 K1 K2
K5 K6 K7K4
K9
K14
K3
RAIDs Derivados - RAID 0 (Sem Redundância)
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RAIDs Derivados - Matriz Bi-dimensional de Disco
0
3
6
D
1
4
7
E
2
5
8
F
A
B
C
INFORMAÇÃO
VERIFICAÇÃO
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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..
%
NeM
NMNM
NMSobretaxa
RAIDs Derivados - Matriz Bi-dimensional de Disco
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Falhas de Sistemas
MTTFs CARACTERÍSTICOS DE ALGUNS COMPONENTES DE SISTEMA
~
Fonte
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
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Solução: Redundância nos Pontos Críticos de Falha
Solução para Tolerância a Falhas de Sistema
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RAIDs Derivados - Ortogonal
Controladores de Barramento ou Cadeia
Opção 1
Opção 2
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RAIDs Derivados - RM-2 (Redundant Matrix)
- possibilita dupla falha simultânea de disco sem perda de dados
D0 D1 D2
P12 P23 P30
D3
P01
- utiliza dupla paridade
- sobretaxa com redundância = 1/M e N = 2M+1
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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
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RAIDs Derivados - Código Não-Binário
?)2,1(
?)2,1(
2mod)(21
CCgB
CCfA
BACC
A B
C1
C2*1
*1
*1
*1
+
+
Modulo 2 A B
C1
C2*1
*1
*2
*1
+
+
Modulo 4
Binário Não-Binário
4mod)12(
4mod)212(
4mod)2(2
4mod)(1
CCB
CCA
BAC
BAC
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RAIDs Derivados - RAID em CamadasRAID 0+1
D0
D1
D2
RA
ID 0
D3
D4
D5
RA
ID 0
RAID 1
D0’ D1’
D0 D1RAID 1
D2 D3RAID 1
D4 D5RAID 1
D0’
D1’
D2’
RA
ID 0
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RAIDs Derivados - RAID em CamadasRAID 0+3
D0 D1 D2
RAID 0
D3 D4 D5
RAID 0
D6 D7 D8
RAID 0
D0’
D1’
D2’
RA
ID 3
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ASHAR, Kanu G. Magnetic Disk Drive Technology: Heads, Media, Channel, Interfaces and Integration. New York, USA: IEEE Press, 1996.
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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.
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Referências
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