ПРАКТИЧЕСКАЯ (ЛАБОРАТОРНАЯ) РАБОТА №3.
Раздел 2. Устройства хранения информации
Тема 2.1 Накопители на жёстких магнитных дисках
Работа с накопителями информации. Вычисление объёма памяти и скорости передачи данных.
Цель работы: Разобраться в классификации, истории развития и устройстве накопителей информации. Научиться вычислять объём памяти и скорости передачи данных винчестера.
В результате выполнения практической (лабораторной) работы обучающийся должен уметь:
- выбирать рациональную конфигурацию оборудования в соответствии с решаемой задачей;
- определять совместимость аппаратного и программного обеспечения;
- осуществлять модернизацию аппаратных средств.
В результате выполнения практической (лабораторной) работы обучающийся должен знать:
- основные конструктивные элементы средств вычислительной техники;
- периферийные устройства вычислительной техники;
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
К техническим средствам накопления и хранения данных относятся различные соответствующие устройства. В компьютерных информационных технологиях это магнитные, оптические, магнитооптические и твердотельные носители электронных данных. Они используются как локально, так и для организации обработки, передачи, накопления и хранения данных в различных компьютерных сетях. В зависимости от области использования к ним предъявляются соответствующие требования: быстродействия, надёжности, защищённости, доступности, а также климатические, санитарно-гигиенические, противопожарные, технические, технологические и другие требования по их эксплуатации и хранению.
Оптический диск - собирательное название для носителей информации, выполненных в виде дисков, чтение с которых ведётся с помощью оптического излучения. Диск обычно плоский, его основа сделана из поликарбоната, на который нанесён специальный слой, который и служит для хранения информации. Для считывания информации используется обычно луч лазера, который направляется на специальный слой и отражается от него. При отражении луч модулируется мельчайшими выемками на специальном слое, на основании декодирования этих изменений устройством чтения восстанавливается записанная на диск информация.
Blu-ray Disc - формат оптического носителя, используемый для записи с повышенной плотностью и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости. Стандарт Blu-ray был совместно разработан консорциумом BDA. Первый прототип нового носителя был представлен в октябре 2000 года. Современный вариант представлен на международной выставке потребительской электроники Consumer Electronics Show (CES), которая прошла в январе 2006 года. Коммерческий запуск формата Blu-ray прошёл весной 2006 года.
Для организации надежного сохранения электронных данных применяют различные виды копирования и архивирования информации.
Архивное копирование – процесс создания копий файлов, предназначенных для бессрочного или долговременного хранения. Носители, на которых они хранятся, называют архивными.
Под резервным копированием следует понимать создание копий файлов в целях быстрого восстановления работоспособности системы в случае возникновения аварийной ситуации. Резервное копирование может быть полным, инкрементальным, дифференциальным.
К техническим устройствам, обеспечивающим корпоративные накопители информации, данных и знаний, относят RAID-системы (массивы), библиотеки оптических дисков и др.
RAID (избыточный массив независимых дисков) — массив из нескольких дисков (запоминающих устройств), управляемых контроллером, связанных между собой скоростными каналами передачи данных и воспринимаемых внешней системой как единое целое. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать различные степени отказоустойчивости и быстродействия. Служит для повышения надёжности хранения данных и/или для повышения скорости чтения/записи.
Калифорнийский университет в Беркли представил следующие уровни спецификации RAID, которые были приняты как стандарт де-факто:
RAID 0 — дисковый массив повышенной производительности с чередованием, без отказоустойчивости; RAID 1 — зеркальный дисковый массив; RAID 2 зарезервирован для массивов, которые применяют код Хемминга; RAID 3 и 4 — дисковые массивы с чередованием и выделенным диском чётности; RAID 5 — дисковый массив с чередованием и «невыделенным диском чётности»; RAID 6 — дисковый массив с чередованием, использующий две контрольные суммы, вычисляемые двумя независимыми способами; RAID 10 — массив RAID 0, построенный из массивов RAID 1; RAID 50 — массив RAID 0, построенный из массивов RAID 5; RAID 60 — массив RAID 0, построенный из массивов RAID 6.
RAID 0 — дисковый массив из двух или более жёстких дисков без резервирования. Информация разбивается на блоки данных () фиксированной длины и записывается на оба/несколько дисков одновременно.
RAID 1 — массив из двух дисков, являющихся полными копиями друг друга.
Достоинства:
1. Обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения при распараллеливании запросов.
2. Имеет высокую надёжность — работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве. Вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна произведению вероятностей отказа каждого диска, т. е. значительно ниже вероятности выхода из строя отдельного диска. На практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры — вновь восстанавливать избыточность. Для этого с любым уровнем RAID (кроме нулевого) рекомендуют использовать диски горячего резерва.
Недостаток RAID 1 в том, что по цене двух жестких дисков пользователь фактически получает лишь один.
RAID 2. Массивы такого типа основаны на использовании кода Хемминга. Диски делятся на две группы: для данных и для кодов коррекции ошибок, причём если данные хранятся на дисках, то для хранения кодов коррекции необходимо дисков. Данные распределяются по дискам, предназначенным для хранения информации, так же, как и в RAID 0, т. е. они разбиваются на небольшие блоки по числу дисков. Оставшиеся диски хранят коды коррекции ошибок, по которым в случае выхода какого-либо жёсткого диска из строя возможно восстановление информации.
Достоинством массива RAID 2 является повышение скорости дисковых операций по сравнению с производительностью одного диска.
Недостатком массива RAID 2 является то, что минимальное количество дисков, при котором имеет смысл его использовать,— 7. При этом нужна структура из почти двойного количества дисков (для n=3 данные будут храниться на 4 дисках), поэтому такой вид массива не получил распространения.
RAID 3. В массиве RAID 3 из дисков данные разбиваются на куски размером меньше сектора (разбиваются на байты или блоки) и распределяются по дискам. Ещё один диск используется для хранения блоков чётности. В RAID 2 для этой цели применялся диск, но большая часть информации на контрольных дисках использовалась для коррекции ошибок на лету, в то время как большинство пользователей удовлетворяет простое восстановление информации в случае поломки диска, для чего хватает информации, умещающейся на одном выделенном жёстком диске.
Отличия RAID 3 от RAID 2: невозможность коррекции ошибок на лету и меньшая избыточность.
Достоинства:
высокая скорость чтения и записи данных; минимальное количество дисков для создания массива равно трём.
Недостатки:
массив этого типа хорош только для однозадачной работы с большими файлами, так как время доступа к отдельному сектору, разбитому по дискам, равно максимальному из интервалов доступа к секторам каждого из дисков. Для блоков малого размера время доступа намного больше времени чтения. большая нагрузка на контрольный диск, и, как следствие, его надёжность сильно падает по сравнению с дисками, хранящими данные
RAID 4. RAID 4 похож на RAID 3, но отличается от него тем, что данные разбиваются на блоки, а не на байты. Таким образом, удалось отчасти «победить» проблему низкой скорости передачи данных небольшого объёма. Запись же производится медленно из-за того, что чётность для блока генерируется при записи и записывается на единственный диск.
RAID 5. Блоки данных и контрольные суммы циклически записываются на все диски массива, нет асимметричности конфигурации дисков. Под контрольными суммами подразумевается результат операции XOR(исключающее или). Xor обладает особенностью, которая даёт возможность заменить любой операнд результатом, и, применив алгоритм xor, получить в результате недостающий операнд. Например: a xor b = c (где a, b, c — три диска рейд-массива), в случае если a откажет, мы можем получить его, поставив на его место c и проведя xor между c и b: c xor b = a. Это применимо вне зависимости от количества операндов: a xor b xor c xor d = e. Если отказывает c тогда e встаёт на его место и проведя xor в результате получаемc: a xor b xor e xor d = c. Этот метод по сути обеспечивает отказоустойчивость 5 версии. Для хранения результата xor требуется всего 1 диск, размер которого равен размеру любого другого диска в raid.
Достоинства
RAID5 получил широкое распространение, в первую очередь, благодаря своей экономичности. Объём дискового массива RAID5 рассчитывается по формуле (n-1)*hddsize, где n — число дисков в массиве, а hddsize — размер наименьшего диска. Например, для массива из четырех дисков по 80 гигабайт общий объём будет (4 — 1) * 80 = 240 гигабайт. На запись информации на том RAID 5 тратятся дополнительные ресурсы и падает производительность, так как требуются дополнительные вычисления и операции записи, зато при чтении имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких дисков массива могут обрабатываться параллельно.
Недостатки
Недостатки RAID 5 проявляются при выходе из строя одного из дисков — весь том переходит в критический режим, все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко падает производительность. При этом уровень надежности снижается до надежности RAID-0 с соответствующим количеством дисков. Если до полного восстановления массива произойдет выход из строя, или возникнет невосстановимая ошибка чтения хотя бы на еще одном диске, то массив разрушается, и данные на нем восстановлению обычными методами не подлежат.
RAID 6 похож на RAID 5, но имеет более высокую степень надёжности — под контрольные суммы выделяется ёмкость 2-х дисков, рассчитываются 2 суммы по разным алгоритмам. Требует более мощный RAID-контроллер. Обеспечивает работоспособность после одновременного выхода из строя двух дисков — защита от кратного отказа. Для организации массива требуется минимум 4 диска.
RAID 7 зарегистрированная торговая марка компании Storage Computer Corporation, отдельным уровнем RAID не является. Структура массива такова: на дисках хранятся данные, один диск используется для складирования блоков чётности. Запись на диски кэшируется с использованием оперативной памяти, сам массив требует обязательного ИБП (источник бесперебойного питания); в случае перебоев с питанием происходит повреждение данных.
RAID 10 зеркалированный массив, данные в котором записываются последовательно на несколько дисков, как в RAID 0. Эта архитектура представляет собой массив типа RAID 0, сегментами которого вместо отдельных дисков являются массивы RAID 1. Соответственно, массив этого уровня должен содержать как минимум 4 диска (и всегда чётное количество). RAID 10 объединяет в себе высокую отказоустойчивость и производительность.
Библиотеки оптических дисков – это внешний дисковый массив хранения информации, вмещающий в себя от нескольких до сотен компакт-дисков; позволяющий поддерживать десятки виртуальных компакт-дисков для непосредственного электронного копирования на CD/DVD.
При использовании сетевых технологий для хранения информации применяют различные информационные хранилища – базы обобщённых данных, формируемые из множества различных внешних и внутренних источников. Основная цель информационного хранилища – создание единого логического представления данных, содержащихся в разнотипных базах данных.
ПРАКТИЧЕСКАЯ (ЛАБОРАТОРНАЯ) ЧАСТЬ
1. Составьте схему строения на жестких магнитных дисках (НЖМД) и отметьте на ней основные элементы конструкции. Расскажите о существующих видах НЖМД.
2. Изобразите конструкцию оптико-механического блока привода CD-ROM. Какие виды оптических дисков вы знаете, чем они отличаются?
3. Перечертите в тетрадь следующую таблицу, добавив недостающие данные.
Таблица 3. История развития носителей информации для ТСИ
Накопитель
|
Год выхода первой версии
|
Время использования
|
Ограничение объёма информации
|
Перфолента
|
|
|
|
Перфокарта
|
|
|
|
Магнитная лента
|
|
|
|
Гибкие магнитные диски
|
8”
|
|
|
|
5.25’’
|
|
|
|
|
3.5’’
|
|
|
|
|
Жесткие магнитные диски
|
|
|
|
|
CDR-диски
|
|
|
|
|
Флэш-память
|
|
|
|
|
Mini Disc
|
|
|
|
|
DVD
|
|
|
|
|
CD-RW
|
|
|
|
|
Blu-ray Disc
|
|
|
|
|
SSD
|
|
|
|
|
4. Решите задачи по вариантам.
Вариант 1
1. Вычислите скорость передачи данных жесткого диска MDTR в Мбайт/с, если число секторов на дорожке равно 20, скорость вращения дисков RPM равна 73 000 об/мин, число байтов в секторе – 512. Ответ округлите до целых чисел.
2. Вычислите число цилиндров C, если общий объём памяти HDD составляет 80 Гбайт, число головок H=345, число секторов S=200. Ответ округлите до целых чисел.
Вариант 2
1. Вычислите скорость вращения дисков в тыс. об/мин, если число секторов на дорожке равно 100, скорость передачи данных жесткого диска MDTR составляет 12 Мбайт/с, число байтов в секторе – 512. Ответ округлите до целых чисел.
2. Вычислите общий объём памяти HDD, если число цилиндров равно 185, число головок равно 370, число секторов равно 150. Ответ округлите до целых чисел.
Вариант 3
1. Вычислите число секторов на дорожке SRT, если скорость передачи данных жесткого диска MDTR равна 10 Мбайт/с, скорость вращения дисков равна 65 000 об/мин, число байтов в секторе – 512. Ответ округлите до целых чисел.
2. Вычислите число H головок HDD, если число цилиндров равно 3, общий объём памяти – 525 Мбайт, число секторов – 165. Ответ округлите до целых чисел.
Вариант 4
1. Вычислите скорость передачи данных жесткого диска MDTR в Мбайт/с, если число секторов на дорожке равно 150, скорость вращения дисков равна 10 000 об/мин, число байтов в секторе – 512. Ответ округлите до целых чисел.
2. Вычислите общий объём памяти HDD, если число цилиндров равно 4, число головок равно 8, число секторов равно 45. Ответ округлите до целых чисел.
Вариант 5
1. Вычислите скорость передачи данных жесткого диска MDTR в Мбайт/с, если число секторов на дорожке равно 32, скорость вращения дисков RPM равнаоб/мин, число байтов в секторе – 128. Ответ округлите до целых чисел.
2. Вычислите число цилиндров C, если общий объём памяти HDD составляет 120 Гбайт, число головок H=546, число секторов S=250. Ответ округлите до целых чисел.
Вариант 6
1. Вычислите скорость вращения дисков в тыс. об/мин, если число секторов на дорожке равно 250, скорость передачи данных жесткого диска MDTR составляет 15 Мбайт/с, число байтов в секторе – 1024. Ответ округлите до целых чисел.
2. Вычислите общий объём памяти HDD, если число цилиндров равно 285, число головок равно 470, число секторов равно 158. Ответ округлите до целых чисел.
Вариант 7
1. Вычислите число секторов на дорожке SRT, если скорость передачи данных жесткого диска MDTR равна 25 Мбайт/с, скорость вращения дисков равна об/мин, число байтов в секторе – 512. Ответ округлите до целых чисел.
2. Вычислите число H головок HDD, если число цилиндров равно 16, общий объём памяти – 825 Мбайт, число секторов – 350. Ответ округлите до целых чисел.
Вариант 8
1. Вычислите скорость вращения дисков в тыс. об/мин, если число секторов на дорожке равно 150, скорость передачи данных жесткого диска MDTR составляет 512 Мбайт/с, число байтов в секторе – 1024. Ответ округлите до целых чисел.
2. Вычислите число секторов на дорожке, если общий объём памяти равен 1,5 Гбайт, число цилиндров – 16, число головок – 32. Ответ округлите до целых чисел.
Вариант 9
1. Вычислите скорость вращения дисков, если число секторов на дорожке равно 320, скорость передачи данных жесткого диска MDTR составляет 1024 Мбайт/с, число байтов в секторе – 512. Ответ округлите до целых чисел.
2. Вычислите число секторов на дорожке, если общий объём памяти равен 5 Гбайт, число цилиндров – 160, число головок – 220. Ответ округлите до целых чисел.
Вариант 10
1. Вычислите скорость вращения дисков, если число секторов на дорожке равно 170, скорость передачи данных жесткого диска MDTR составляет 1024 Мбайт/с, число байтов в секторе – 1024. Ответ округлите до целых чисел.
2. Вычислите число секторов на дорожке, если общий объём памяти равен 16 Гбайт, число цилиндров – 230, число головок – 515. Ответ округлите до целых чисел.
Вариант 11
1. Вычислите число секторов на дорожке SRT, если скорость передачи данных жесткого диска MDTR равна 100 Мбайт/с, скорость вращения дисков равна 59000 об/мин, число байтов в секторе – 512. Ответ округлите до целых чисел.
2. Вычислите число H головок HDD, если число цилиндров равно 12, общий объём памяти – 25 Гбайт, число секторов – 512. Ответ округлите до целых чисел.
Вариант 12
1. Вычислите скорость передачи данных жесткого диска MDTR в Мбайт/с, если число секторов на дорожке равно 350, скорость вращения дисков равна об/мин, число байтов в секторе – 512. Ответ округлите до целых чисел.
2. Вычислите общий объём памяти HDD, если число цилиндров равно 48, число головок равно 96, число секторов равно 250. Ответ округлите до целых чисел.
Вариант 13
1. Вычислите скорость вращения дисков в тыс. об/мин, если число секторов на дорожке равно 720, скорость передачи данных жесткого диска MDTR составляет 28 Гбайт/с, число байтов в секторе – 1024. Ответ округлите до целых чисел.
2. Вычислите число цилиндров, если общий объём памяти HDD составляет 80 Гбайт, число головок - 244, число секторов - 120. Ответ округлите до целых чисел.
Контрольные вопросы:
1. Что такое накопитель информации? Носитель информации?
2. Классификация накопителей информации?
3. Перечислите основные характеристики накопителей на жестких дисках?
4. Что такое оптический диск? Blu-ray Disc?
5. Что такое RAID-массив? Какие существуют RAID-массивы?
|
