RS RAID Systeme. RS 3.5 Peripherie. Struktur der Rechnersysteme. Dr.Wöhrle

Transkript

1 RS 3.5 Peripherie 1

2 RAID 1987 von der Berkley University definierter Standard Redundant Array of Independent (Inexpensive) Disks Entwickelt um den Speicherplatz zu vergrössern, den Durchsatz und die Ausfallsicherheit zu erhöhen Zuerst in Servertechnologie implementiert mit SCSI Devices Heute auch mit EIDE, SATA, FC,... 2

3 RAID Stripeset: Logisches Zusammenfassen mehrerer Platten. Deren Kapazität wird in kleine Streifen (stripes) aufgeteilt und Abwechselnd beschrieben bzw. gelesen. Logische Platte Physikalische Platten 3

4 RAID JBOD (Just a Bunch Of Disks) oder Lineares Volumeset Mehrere Harddisks verschiedene Größe werden zu einem logischen Laufwerk zusammengehängt und nacheinander beschrieben. Die Größe der Disks kann variieren. Keine Redundanz (deshalb auch kein eigentlicher RAID Level)! Nach Ausfall einer Platte sind die Daten auf dieser Platte verloren, aber die anderen Platten können weiterhin gelesen werden. Dient nur zur Vergrößerung des verfügbaren Platzes. 4

5 RAID RAID Level 0 Daten werden in Stripes (Datenblöcke gleicher Grösse in Streifen auf dem Disksystem) auf die vorhandenen Platten verteilt Harddisk müssen gleiche Grösse haben. Kontroller verteilt die Daten und setzt sie bei Lese Anforderungen wieder zusammen. Hoher Datendurchsatz (paralleles Lesen und Schreiben), keine Redundanz 5

6 RAID RAID Level 1 Eine Platte wird als Spiegel der Daten eingesetzt. (ebenso in Stripes organisiert) Kann über einen oder 2 Kanälen geschrieben/gelesen werden Durchsatz kleiner, da Daten verdoppelt werden und zweimal geschrieben/gelesen werden. Kapazitätsverlust: Nur halber Plattenplatz. Bei Ausfall einer Platte läuft die andere weiter. Der Controller rekonstruiert die Daten dann auf einer Ersatzplatte. Redundanz 6

7 RAID RAID Level 2 Daten werden über mehrere Platten verteilt und ein ErrorCorrectionCode (ECC) berechnet. Dieser RAID Level wird heute nicht mehr benutzt, da die meisten Platten schon über eigene ECC Techniken verfügen. Keine Redundanz, nur Bitweise Fehlerkorrektur 7

8 RAID RAID Level 3 Verteilt die Daten Byteweise auf die Platten und berechnet ein Parity Byte, das auf einem eigenen Laufwerk abelegt wird. Bei Ausfall einer Platte könne die Daten diese Platte zurückgerechnet werden: Datenplatte fällt aus: Aus den restlichen Daten plus die Parityinformation wird die Information berechnet Parityplatte fällt aus: Es wird aufgrund der Daten eine neue Parity berechnet Da neue Festplatten block und nicht byteweise organisierte sind wird diese Verfahren nicht mehr eingesetzt. 8

9 RAID RAID Level 4 Wie RAID Level 3 nur blockorientiert in Blöcken von KB. Ebenfalls eine Parityplatte Gleiches Ausfallszenario Man verliert die Kapazität einer Platte. Alle Platten müßen gleich groß sein. Bei verteilten Schreibzugriffen eventuell langsamer, da die Parity neu berechnet und geschrieben werden muß, bevor von den Heads die neue Position angefahren wird 9

10 RAID RAID Level 5 Gleich wie Level 4, aber kein spezielles Parity Laufwerk. Stattdessen wird die Paritysumme auf den Platten verteilt. Gleiches Ausfallszenario Man verliert die Kapazität einer Platte. Alle Platten müssen gleich groß sein. Üblicher RAID Level bei Serven mit grossen Massenspeichern. 10

11 RAID RAID Level 10 (Eins Null, nicht zehn) Eine Mischung aus RAID Level 0 (Parallel beschreiben mehrerer Platten) und RAID Level 1 (spiegeln der Platten) Sehr schneller Zugriff: Daten müssen nur doppelt kopiert werden, aber mit dem parallelen Zugriff auf mehrere Platten (mindestens 4). Redundanz: bei Ausfall einer Platte wird die Last vom Spiegel übernommen, bis das andere logische Laufwerk wieder betriebsbereit ist. 11

12 RAID RAID Level 6 RAID 6 wird gelegentlich auch als RAID 5+ bezeichnet. Durch eine gegenüber RAID 5 modifizierte Paritätsbildung kann ein RAID System so viele fehlerhafte Platten restaurieren, wie Laufwerks Gruppen vorhanden sind. RAID Level 7 Dieser Level unterscheidet sich von den bisher genannten vor allem durch drei Punkte: RAID 7 arbeitet asynchron mit unabhängigen Datenpfaden für jedes Laufwerk und jeden angeschlossenen Controller. Jeder Datenpfad führt auf einem Hochgeschwindigkeitsbus zum gemeinsamen Cache. Das Controller Betriebssystem sorgt dafür, daß der Datentransfer zwischen Host und Controller Interface unabhängig vom Datentransfer zu und von den einzelnen Laufwerken erfolgt. 12

13 Vergleich RAID Levels 13

14 Ausfallszenarios: Hotplug Im laufenden Betrieb wird eine vom Controller als defekt gemeldete Harddisk ausgewechselt. Dabei muss der Controller sowohl über die Fähigkeit verfügen diese Platte aus dem Verbund zu entfernen, als auch die Neue zu erkennen, aktivieren und in den Verbund einzufügen. Die Verbindungen müssen so ausgelegt sein, daß beim Abziehen der Steckontakte keine Spannungsstöße den Bus stören oder die Elektonik zerstören. Danach wird die Ersatzplatte für den Gebrauch vorbereitet (formatiert, evtl. partitioniert) und danach die Daten die darauf sein sollen aus den vorhandenen Daten (je nach RAID Level verschieden) berechnet und draufgeschrieben. Danach wird der normale Operationsbetrieb aufgenommen. 14

15 Ausfallszenarios: Hotfix Einem Controller kann (soweit er die Fähigkeit besitz) auch schon eine Ersatzplatte definiert werden. Diese läuft mit, wird aber nicht beschrieben. Erste wenn ein Platte ausfällt, wird Sie eingebunden und mit den Daten der ausgefallenen Platte beschrieben (wie Hotplug). So kann der Ersatz schnell und automatisch eingefügt werden. Danach wird die ausgefallene Platte ersetzt. Solche Systeme werden eingesetzt, wenn es auf höchste Datensicherheit ankommt, damit (zb. Am Wochenende oder in der Nacht) keine Zeit zwischen Ausfall und Ersatz auftritt. Denn meist geht (laut Murphy) gerade dann ein zweite Platte kaputt, wenn gerade keiner da ist um die hotplug fähige Harddisk zu ersetzen. 15

16 Realisierungen: SCSI RAID Erste und älteste RAID Variante. Läßt sich am einfachsten Aufbauen, da SCSI schon viele Eignschaften mitbringt (mehr als 3 Devices an einem Bus, Rescanning,...) Spezielle RAID Controller mit eigenem BIOS und Cache RAM Bis zu 6 Kanäle (6*15 = 90 Devices) 16

17 Realisierungen: EIDE RAID Eigentlich ist EIDE garnicht für RAID geeignet, da die Einschränkungen der Schnittstelle und des Übertragungsprotokolls soetwas unmöglich machen. Neuere Controller haben allerdings die Fähigkeit EIDE Platten zu verwalten und sämtliche Funktionalitäten eines RAIDs zu erfüllen. Meist eine Platte pro Kanal (kein Master/Slave), aber mehrere Kanäle auf einem Board. (Bis zu 12: 12*300GB= 3.6TB) Durch Größe und Preis der Festplatten eher Inexpensive RAID mit riesigen Kapazitäten. Interne Lösung 17

18 Realisierungen: EIDE to SCSI/FC RAID Durch die Realisierung als Raidcontroller mit externem Anschluss an SCSI oder FC Bus Große Eigenintelligenz auf dem Controller. Steuerung meist über Panel, nicht Software. Auch Hotplugfähig ohne daß der Bus etwas davon merkt. Große Massenspeichermenge zu kleinem Preis erscheint als eine große Festplatte am Bus (oder zwei je nach Betriebsystem/Filesystem) damit kann man an einem System die maximale Anzahl Devices * Anzahl Platten im RAID Modul: zb SCSI: 15*16 fach*300gb = 70TB Diskspace an einem SCSI Controller Beispiel 16 fach RAID Modul: 16*300GB=4.8TB für 42000, sfr 18

19 Realisierungen FC RAID Gleich wie ein EIDE to SCSI/FC. Controller überwacht (externe) Speichergehäuse. Mittels Switches eventuell auch verteilt. Bis hin zu teuren Controllerlösungen (SAN), die ganze Farmen überwachen und mittels ausgefeilter Software diese auch an mehrere Hosts verteilen. 19

20 RS Massenspeicher Systeme RS 3.5 Peripherie RS Massenspeicher Systeme 20

21 RS Massenspeicher Systeme Definitionen: DAS: Direct Attached Storage Klassische Speicherlösung mit direkt am Computer/Server verbundenen Massenspeicher NAS: Network Attached Storage Ein Computer exportiert über das Netzwerk seinen Massenspeicher an andere Clients. Zum Beispiel als Gruppen oder Departmentserver mit Zugriff der Desktop PCs SAN: Storage Attached Network Mittels geigneter Übertragungsmedien (FC, SSA Fabrics) wird ein eigenes Massenspeicher Netzwerk aufgebaut, über das Server direkten Zugriff auf den Massenspeicher haben. 21

22 RS Massenspeicher Systeme DAS Ist die Bezeichnung für die übliche Aufteilung, daß jeder Rechner mit seiner(n) eigenen Festplatte(n) verbunden ist. Unabhängig von der verwendeten Technologie: egal ob Single Disk (EIDE, SATA, SCSI, FC,... ) oder RAID Array. Unabhängig von der Ausrichtung/Dimension des Computers : sowohl Server als auch Desktop oder Laptop. 22

23 RS Massenspeicher Systeme NAS Hier wird der Massenspeicher von einem Computer über TCP/IP Verbindung in ein Netzwerk exportiert. Jeder Rechner kann dieses network filesystem importieren. Betriebssystem gebundene Übertragungsarten, Zugriffsrechte, Anmeldeprozeduren und Speichermöglichkeiten. Öfter vorgefertigte Boxen mit abgespecktem Betriebssystem (Windows2000, Linux,...) die über Webinterfaces administriert werden. Performance niedriger, da TCP/IP overhead, Preis niedrig da Standarttechnologien 23

24 RS Massenspeicher Systeme SAN Netzwerk ähnliche Struktur (Verkabelung, Switches, Adressierung,...) aber auf hohen Blockorientierten Datendurchsatz optimiert. Storage ist nicht über LAN exportiert, sondern über eine eigene Verkabelung direkt an die verschiedenen Server exportiert. Keine Computer mit Betriebssystem verwalten Storage, sondern intelligente Controller mit mehreren Eigenschaften: RAID, Netzwerk, Verwaltung der Hardware, 24

25 RS Massenspeicher Systeme SAN Durch die physikalische Trennung von LAN und SAN können Storage intensive Zugriffe (zb Datenbanken, Webbasierte Applikationen) komplett vom Netzwerk der Clients entkoppelt werden und damit die Netzlast verringern. Verwaltungs Overhead wird verringert: TCP/IP Traffic im Bereich 20 30% Verwaltungsinformationen, SAN üblicherweise 5 10% 25

26 RS Massenspeicher Systeme SAN Ebenso traffic intensive Verwaltungsarbeiten (Kopien, Spiegelungen, Backup) werden vom LAN unabgängig gelöst. Möglichkeiten des Traffics SAN Server SAN oder direkt innerhalb des SANs (benötigt hohe Eigenintelligenz der Controller). 26

27 RS Massenspeicher Systeme SAN Sicherheitsaspekt: Durch redundante Auslegung der Verkabelung (doppelte Daten führung) kann verhindert werden, daß der Ausfall einer Komponente zum Ausfall der gesamten Anlage führt. 27

28 RS Massenspeicher Systeme SAN Schränke in 19 Format mit hotplug fähigen Diskmodulen. Redundante Netzteile Mehrere Terabyte in einem Schrank Ein oder mehrere Controller verwalten die physikalischen Festplatten in einem oder mehreren logischen Laufwerken und exportieren die Daten. SAN Controller (FC) Harddisk Module Netzteile 28

29 RS Tastatur und Maus RS 3.5 Peripherie RS Tastatur und Maus 29

30 RS Tastatur und Maus Tastatur Erstes Peripheriegerät (historisch gesehen) des Computers zur Eingabe Eigener Anschluss (DIN 5Pol, jetzt PS/2) Neuerdings auch als USB Device Pin Name CLOCK DATA n/c GND VCC Description Clock Data Not connected Ground +5 VDC Technical CLK/CTS, Open collector RxD/TxD/RTS, Open collector Reset on some very old keyboards. DIN 5 Pol Pin Name DATA n/c GND VCC CLK n/c Description Key Data Not connected Ground Power, +5 VDC Clock Not connected MiniDIN 6Pol (PS/2) 30

31 RS Tastatur und Maus Maus Zeiger Input Device Zuerst als serielles Device an COM Anschluss, jetzt eigener Anschluss PS/2 Neuerdings auch als USB Device Mechanisch (Rollerball) oder Optisch (LEDs) Pin Name DATA n/c GND VCC CLK n/c Description Key Data Not connected Ground Power, +5 VDC Clock Not connected MiniDIN 6Pol (PS/2) 31

32 RS Bildschirm RS 3.5 Peripherie RS Bildschirm 32

33 RS Bildschirm Realisierungen CRT (Cathode Ray Tube): klassischer Bildschirm mit einer fluoreszierenden Beschichtung einer Glasröhre, die durch einen Elektronenstrahl zum Leuchten gebracht wird. LCD (Liquid Crystal Display): ein Foliensatz lässt sich durch anlegen einer Spannung polarisieren und lässt dadurch nur in bestimmten Regionen Licht durch. TFT (Thin Film Transistor): weiterentwicklung des LCD, hier wird jede einzelne Zelle aktiv angesteuert. Plasma: in Zellen wird durch Anlegen einer Spannung ein Gasgemisch (Plasma) zum Leuchten angeregt. Alle Monitore werden mit den Grundfarben Rot Grün Blau (RGB Signale) angesteuert 33

34 RS Bildschirm Schnittstellen VGA Anschluss für PC Monitore (analog) Vorläufer: Hercules Monchrom, EGA, CGA, VGA 9Pol Heute im Analogen Bereich der Monitorstandard Über 4 bit werden dem Betriebssystem Daten vom Monitor übermittelt (DDC) Pin Name RED GREEN BLUE ID2 GND RGND GGND BGND KEY SGND ID0 ID1 or SDA HSYNC or CSYNC VSYNC ID3 or SCL Description Red Video (75 ohm, 0.7 V p p) Green Video (75 ohm, 0.7 V p p) Blue Video (75 ohm, 0.7 V p p) Monitor ID Bit 2 Ground Red Ground Green Ground Blue Ground Key (No pin) Sync Ground Monitor ID Bit 0 Monitor ID Bit 1 Horizontal Sync (or Composite Sync) Vertical Sync Monitor ID Bit 3 34

35 RS Bildschirm Schnittstellen Da bei einem digitalen Monitor (LCD/TFT oder Plasma) die Wandlung digital analog, dann analog senden und analog digital zurückwandeln keinen Sinn ergibt, werden heute diese Montore digital angesteuert. Standard ist DVI Rein Digital Mit analog Signal 35

36 RS Bildschirm CRT Ein Elektronenstrahl wird mittels Hochspannung beschleunigt und trifft auf eine fluoresizierende Schicht (Braunsche Röhre). Diese ist mit drei Farben (RGB) beschichtet. Die Bewegung des Elektronenstrahles wird zeilenweise durch Veränderung zweier elektrischer Felder (horizontal und vertikal) gesteuert. Das Produkt aus horizontaler und vertikaler Ablenkfrequenz und der Anzahl Zeilen gibt die Bildwiederholfrequenz an. Zusammen mit der Lochmaske (Blende, welche die Größe des Elektronenstrahles beeinflußt) gibt die maximale horizontale Ablenkfrequenz die maximal Nutzbare Auflösung in Dots Per Inch an. Größe der Monitore: 8 24Inch (20.3cm 61cm) bei einem Gewicht bis zu 50KG (!) 36

37 RS Bildschirm LCD/TFT Ein Flüssigkristall (Liquid Crystal) zwischen zwei Polarisationsfolien (90 verdreht). Durch Anlegen eines elektrischen Feldes werden Moleküle des LQ so orientiert, dass Licht gedreht wird. Damit kann es die zweite Folie passieren. Deshalb muss ein TFT Display von hinten bestrahlt werden (Gleichmäßig(!) Problem bei großen Displays) Größe 8 54 inch (137cm) bei einem Gewicht bis zu 20KG Vorteil der Platzersparnis und des Gewichts. Außerdem ist die sichtbare Fäche eines 19 LCD so groß wie ein 21 CRT 37

38 RS Bildschirm Plasma Viele mit farbigem Phosphor gefüllte Zellen werden über eine Gasentladung zum Leuchten gebracht. Es werden hohe Spannungen benötigt. Durch die aktive Lichterzeugung sehr Lichtstark, aber weil phosphor basierte Technik hohe Einbrenngefahr Nur in großen Größen (70cm 200cm) erhältlich, sehr schwer 38