4. Foliensatz Betriebssysteme
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1 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS2016 1/37 4. Foliensatz Betriebssysteme Prof. Dr. Christian Baun Frankfurt University of Applied Sciences ( : Fachhochschule Frankfurt am Main) Fachbereich Informatik und Ingenieurwissenschaften
2 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS2016 2/37 Lernziele dieses Foliensatzes Am Ende dieses Foliensatzes kennen/verstehen Sie... den Aufbau, die Arbeitsweise und die Eckdaten von Festplatten den Aufbau, die Arbeitsweise und die Eckdaten von Solid State Drives die Arbeitsweise und die am häufigsten verwendeten Varianten von Redundant Array of Independent Disks (RAID) Übungsblatt 4 wiederholt die für die Lernziele relevanten Inhalte dieses Foliensatzes
3 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS2016 3/37 Festplatten Festplatten sind ca. Faktor 100 preisgünstiger pro Bit als Hauptspeicher und bieten ca. Faktor 100 mehr Kapazität Nachteil: Zugriffe auf Festplatten sind um ca. Faktor 1000 langsamer Grund für die geringere Zugriffsgeschwindigkeit: Festplatten sind mechanische Geräte Sie enthalten eine oder mehrere Scheiben, die mit 4200, 5400, 7200, oder Umdrehungen pro Minute rotieren Für jede Seite jeder Platte existiert ein Schwungarm mit einem Schreib-/Lesekopf Der Schreib-/Lesekopf magnetisiert Bereiche der Scheibenoberfläche und schreibt bzw. liest so die Daten Zwischen Platte und Kopf ist ein Luftpolster von ca. 20 Nanometern Auch Festplatten haben einen Cache (üblicherweise 32 MB) Dieser puffert Schreib- und Lesezugriffe
4 Logischer Aufbau von Festplatten (1/2) Die Oberflächen der Scheiben werden in kreisförmigen Spuren (Tracks) von den Köpfen magnetisiert Alle Spuren auf allen Platten bei einer Position des Schwungarms bilden einen Zylinder (Cylinder) Die Spuren sind in logische Einheiten (Kreissegmente) unterteilt, die Blöcke oder Sektoren heißen Typischerweise enthält ein Block 512 Bytes Nutzdaten Sektoren sind die kleinsten adressierbaren Einheiten auf Festplatten Müssen Daten geändert werden, muss der ganze Sektor gelesen und neu geschrieben werden Heute werden auf Softwareseite Cluster angesprochen Cluster sind Verbünde von Sektoren mit fester Größe, z.b. 4 oder 8 kb Bei modernen Betriebssystemen sind Cluster die kleinste Zuordnungseinheit Bildquelle: SweetScape Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS2016 4/37
5 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS2016 5/37 Logischer Aufbau von Festplatten (2/2) Bildquelle:
6 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS2016 6/37 Adressierung der Daten auf Festplatten (1/4) Festplatten 8 GB verwenden Cylinder-Head-Sector-Adressierung CHS unterliegt mehreren Einschränkungen: Die Schnittstelle Parallel ATA verwendet 28 Bits für CHS-Adressierung und davon Bits für die Zylinder (maximal ) 4 Bits für die Köpfe (maximal 16) 8 Bits für die Sektoren/Spur (maximal 255, da ab 1 gezählt wird) Das BIOS verwendet 24 Bits für CHS-Adressierung und davon Bits für die Zylinder (maximal 1.024) 8 Bits für die Köpfe (maximal 256) 6 Bits für die Sektoren/Spur (maximal 63, da ab 1 gezählt wird) Bei den Grenzen ist der jeweils niedrigere Wert entscheidend Darum können alte BIOS-Versionen maximal 504 MB adressieren Zylinder * 16 Köpfe * 63 Sektoren/Spur * 512 Bytes/Sektor = Bytes Bytes / 1024 / 1024 = 504 MB
7 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS2016 7/37 Adressierung der Daten auf Festplatten (2/4) Zylinder * 16 Köpfe * 63 Sektoren/Spur * 512 Bytes/Sektor = Bytes Bytes / 1024 / 1024 = 504 MB Problem: Keine 2,5 oder 3,5 Festplatte hat 16 Köpfe Lösung: Logische Köpfe Festplatten verwenden üblicherweise 16 logische Köpfe = Erweitertes CHS (Extended CHS) Bildquelle:
8 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS2016 8/37 Adressierung der Daten auf Festplatten (3/4) Bildquelle: ebay Spätere BIOS-Versionen verwendeten Erweitertes CHS (Extended CHS) Erhöht via Multiplikation die Anzahl der Köpfe auf bis zu 255 und verringert die Anzahl der Zylinder um den gleichen Faktor Dadurch sind Kapazitäten bis 7,844 GB möglich Zylinder * 255 Köpfe * 63 Sektoren/Spur * 512 Bytes/Sektor = Bytes Bytes / / / = 7,844 GB Bessere Erklärung = siehe nächste Folie
9 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS2016 9/37 Erweitertes CHS Bessere Erklärung (1/2) Standard Max. Cylinders Max. Heads Max. Sectors Max. Capacity IDE/ATA 65, GB BIOS 1, GB Combination (Smaller of Each) 1, MB The IDE/ATA standard allows more cylinders than the BIOS does, and the BIOS allows more heads than IDE/ATA does Remember: These are logical disk parameters, not physical ones The BIOS takes the logical geometry that the hard disk specifies according to the IDE/ATA standard, and translates it into an equivalent geometry that will fit into the maximums allowed by the BIOS This is done by dividing the number of logical cylinders by an integer, and then multiplying the number of logical heads by the same number Quelle:
10 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Erweitertes CHS Bessere Erklärung (2/2) Standard Max. Cylinders Max. Heads Max. Sectors Max. Capacity IDE/ATA 65, GB BIOS 1, GB Combination (Smaller of Each) 1, MB Let s take the case of a 3.1 GB Western Digital Caviar hard drive, AC33100 This drive actually has a capacity of 2.95 binary GB, and logical geometry of 6,136 cylinders, 16 heads and 63 sectors. This is well within the bounds of the IDE/ATA limitations, but exceeds the BIOS limit of 1,024 cylinders The BIOS picks a translation factor such that dividing the logical number of cylinders by this number will produce a number of cylinders below 1,024 Usually one of 2, 4, 8, or 16 are selected; in this case the optimal number is 8 The BIOS divides the number of cylinders by 8 and multiplies the number of heads by 8 This results in a translated geometry of 767 cylinders, 128 heads and 63 sectors. The capacity is of course unchanged, and the new geometry fits quite nicely into the BIOS limits Standard Max. Cylinders Max. Heads Max. Sectors Max. Capacity IDE/ATA 65, GB Hard Disk Logical Geometry 6, GB BIOS Translation Factor divide by 8 multiply by 8 BIOS Translated Geometry GB BIOS 1, GB Quelle:
11 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Adressierung der Daten auf Festplatten (4/4) Festplatten > 7,844 GB verwenden logische Blockadressierung Logical Block Addressing (LBA) Alle Sektoren werden von 0 beginnend durchnummeriert Aus Kompatibilitätsgründen können bei allen Festplatten > 7,844 GB die ersten 7,844 GB via CHS adressiert werden
12 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Logical Block Addressing (LBA) Bildquelle: Sascha Kersken (Rheinwerk Verlag) Bei CHS-Adressierung sind alle Spuren (Tracks) in gleich viele Sektoren unterteilt Jeder Sektor speichert 512 Bytes Nutzdaten Nachteil: Es wird Speicherkapazität verschwendet, weil die Datendichte nach außen hin immer weiter abnimmt Bei LBA existiert dieser Nachteil nicht
13 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Zugriffszeit bei Festplatten Die Zugriffszeit ist ein wichtiges Kriterium für die Geschwindigkeit 2 Faktoren sind für die Zugriffszeit einer Festplatte verantwortlich 1 Suchzeit (Average Seek Time) Die Zeit, die der Schwungarm braucht, um eine Spur zu erreichen Liegt bei modernen Festplatten zwischen 5 und 15 ms 2 Zugriffsverzögerung durch Umdrehung (Average Rotational Latency Time) Verzögerung durch die Drehgeschwindigkeit bis der Schreib-/Lesekopf den gewünschten Block erreicht Hängt ausschließlich von der Drehgeschwindigkeit der Scheiben ab Liegt bei modernen Festplatten zwischen 2 und 7,1 ms Zugriffsverzögerung durch Umdrehung [ms] = Drehgeschwindigkeit [U/min]
14 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Solid State Drives (SSD) Bildquelle: Werden manchmal fälschlicherweise Solid State Disks genannt Enthalten keine beweglichen Teile Vorteile: Kurze Zugriffszeit Geringer Energieverbrauch Keine Geräuschentwicklung Mechanische Robustheit Geringes Gewicht Die Position der Daten ist irrelevant = Defragmentieren ist sinnlos Linke Abbildung: SSD Rechte Abbildung: HDD Nachteile: Höherer Preis im Vergleich zu Festplatten gleicher Kapazität Sicheres Löschen bzw. Überschreiben ist schwierig Eingeschränkte Anzahl an Schreib-/Löschzyklen
15 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Arbeitsweise von Flash-Speicher Daten werden als elektrische Ladungen gespeichert Im Gegensatz zum Hauptspeicher ist kein Strom nötig, um die Daten im Speicher zu halten Jede Flash-Speicherzelle ist ein Transistor und hat 3 Anschlüsse Gate (dt. Tor) = Steuerelektrode Drain (dt. Senke) = Elektrode Source (dt.: Quelle) = Elektrode Das Floating-Gate speichert Elektronen (Daten) Ist komplett von einem Isolator umgeben Die Ladung bleibt über Jahre stabil Sehr gute Erklärung zur Arbeitsweise von Flash-Speicher Benjamin Benz. Die Technik der Flash-Speicherkarten. c t 23/2006
16 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Daten aus Flash-Speicherzellen lesen Ein positiv-dotierter (p) Halbleiter trennt die beiden negativ-dotierten (n) Elektroden Drain und Source Wie beim npn-transistor ohne Basisstrom leitet der npn-übergang nicht Ab einer bestimmten positiven Spannung (5V) am Gate (Threshold) entsteht im p-bereich ein n-leitender Kanal Durch diesen kann Strom zwischen Source und Drain fließen Sind Elektronen im Floating-Gate, verändert das den Threshold Es ist eine höhere positive Spannung am Gate nötig, damit Strom zwischen Source und Drain fließen kann So wird der gespeicherte Wert der Flash-Speicherzelle ausgelesen
17 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Daten in Flash-Speicherzellen schreiben Bildquelle: Thomas Coughlin Flash-Speicherzellen werden durch den Fowler-Nordheim-Tunneleffekt beschrieben Eine positive Spannung (5V) wird am Control-Gate angelegt Darum können Elektronen zwischen Source und Drain fließen Ist die positive Spannung am Control-Gate groß genug (6 20V), werden einige Elektronen durch den Isolator in das Floating-Gate getunnelt (= Fowler-Nordheim-Tunnel) Das Verfahren heißt auch Channel Hot Electron Injection Empfehlenswerte Quelle Flash memory. Alex Paikin
18 Daten in Flash-Speicherzellen löschen Bildquelle: Thomas Coughlin Um eine Flash-Speicherzelle zu löschen, wird eine negative Spannung (-6 20V) am Control-Gate angelegt Die Elektronen werden dadurch in umgekehrter Richtung aus dem Floating-Gate herausgetunnelt Die isolierende Schicht, die das Floating-Gate umgibt, leidet bei jedem Löschvorgang Irgendwann ist die isolierende Schicht nicht mehr ausreichend, um die Ladung im Floating-Gate zu halten Darum überlebt Flash-Speicher nur eine eingeschränkte Anzahl Schreib-/Löschzyklen Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37
19 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Arbeitsweise von Flash-Speicher Die Speicherzellen sind in Gruppen zu Blöcken und (abhängig vom Aufbau auch in Seiten) angeordnet Ein Block enthält immer eine feste Anzahl an Seiten Schreib- und Löschoperationen können nur für komplette Seiten oder Blöcke durchgeführt werden Darum sind Schreib- und Löschoperationen aufwendiger als Leseoperationen Sollen Daten in einer Seite verändert werden, muss der komplette Block gelöscht werden Dafür wird der Block in einen Pufferspeicher kopiert Im Pufferspeicher werden die Daten verändert Danach wird der Block im Flash-Speicher gelöscht Abschließend wird der veränderte Block in den Flash-Speicher geschrieben
20 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Unterschiede beim Flash-Speicher Es existieren 2 Arten von Flash-Speicher: NOR-Speicher NAND-Speicher Das Schaltzeichen bezeichnet die interne Verbindung der Speicherzellen Das beeinflusst Kapazität und Zugriffsgeschwindigkeit
21 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 NOR-Speicher Bildquelle: Sanyo Jede Speicherzelle hat eine eigene Datenleitung Vorteil: Wahlfreier Lese- und Schreibzugriff = Bessere Zugriffszeit als NAND-Speicher Nachteil: Komplexer (= kostspieliger) Aufbau Höherer Stromverbrauch als NAND-Speicher Üblicherweise geringe Kapazitäten ( 32 MB) Enthält keine Seiten Die Speicherzellen sind zu Blöcken zusammengefasst Typische Blockgrößen: 64, 128 oder 256 kb Bei Löschoperationen ist kein wahlfreier Zugriff möglich Es muss immer ein kompletter Block gelöscht werden Einsatzbereiche: Industrielles Umfeld Speicherung der Firmware eines Computersystems
22 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 NAND-Speicher Bildquelle: engadget.com und Samsung Die Speicherzellen sind zu Seiten zusammengefasst Typische Seitengröße: 512 bis Bytes Jede Seite hat eine eigene Datenleitung Mehrere Seiten umfassen einen Block Typische Blockgröße: 32, 64, 128 oder 256 Seiten Vorteil: Weniger Datenleitungen = Benötigt < 50% Fläche von NOR-Speicher Herstellung ist preisgünstiger im Vergleich zu NOR-Flash-Speicher Nachteil: Kein wahlfreier Zugriff = Schlechtere Zugriffszeit als NOR-Speicher Lese- und Schreibzugriffe sind nur für ganze Seiten möglich Löschoperationen sind nur für ganze Blöcke möglich Einsatzbereiche: USB-Sticks, SSDs, Speicherkarten
23 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Single-Level Cell, Multi-Level Cell, Triple-Level Cell 3 Arten von NAND-Flash-Speicher existieren TLC-Speicherzellen speichern 3 Bits MLC-Speicherzellen speichern 2 Bits SLC-Speicherzellen speichern 1 Bit SLC-Speicher... ist am teuersten hat die höchste Schreibgeschwindigkeit hat die höchste Lebensdauer (überlebt die meisten Schreib-/Löschzyklen) Bildquelle: SLC-Speicher überlebt ca bis Schreib-/Löschzyklen MLC-Speicher überlebt ca Schreib-/Löschzyklen TLC-Speicher überlebt ca Schreib-/Löschzyklen Es existieren auch Speicherzellen, die mehrere Millionen Schreib-/Löschzyklen verkraften
24 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Wear Leveling Bildquelle: Wear Leveling-Algorithmen verteilen Schreibzugriffe gleichmäßig Dateisysteme, die speziell für Flash-Speicher ausgelegt sind, und darum Schreibzugriffe minimieren, sind u.a. JFFS, JFFS2, YAFFS und LogFS JFFS enthält einen eigenen Wear Leveling-Algorithmus Das ist bei eingebetteten Systemen häufig nötig, wo Flash-Speicher direkt angeschlossen wird
25 Die Geschwindigkeit von Prozessoren, Cache und Hauptspeicher wächst schneller als die Zugriffsgeschwindigkeit der Festplatten: Festplatten 1973: IBM 3340, 30 MB Kapazität, 30 ms Zugriffszeit (Latenz) 1989: Maxtor LXTl00S, 96 MB Kapazität, 29 ms Zugriffszeit 1998: IBM DHEA-36481, 6 GB Kapazität, 16 ms Zugriffszeit 2006: Maxtor STM320820A, 320 GB Kapazität, 14 ms Zugriffszeit 2011: Western Digital WD30EZRSDTL, 3 TB Kapazität, 8 ms Zugriffszeit Prozessoren 1971: Intel 4004, 740 khz Taktfrequenz 2007: AMD Opteron Santa Rosa F3, 2,8 GHz Taktfrequenz 2010: Core i7 980X Extreme (6 Cores), 3,33 Ghz Taktfrequenz Die Zugriffszeit von SSDs ist 1 µs = 100x besser als bei HDDs Dennoch vergrößert sich der Abstand in Zukunft weiter wegen der Leistungsgrenzen der Schnittstellen und Mehrkernprozessoren Weitere Herausforderung Laufwerke können ausfallen = Gefahr des Datenverlustes Zugriffszeit und Datensicherheit bei Festplatten und SSDs erhöhen = RAID Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Zugriffszeiten bei Festplatten
26 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Redundant Array of independent Disks (RAID) Die Geschwindigkeit der Festplatten lässt sich nicht beliebig verbessern Festplatten bestehen aus beweglichen Teilen Physikalische und materielle Grenzen müssen akzeptiert werden Eine Möglichkeit, die gegebenen Beschränkungen im Hinblick auf Geschwindigkeit, Kapazität und Datensicherheit zu umgehen, ist das gleichzeitige Verwenden mehrerer Komponenten Ein RAID besteht aus mehreren Laufwerken (Festplatten oder SSDs) Diese werden vom Benutzer und den Prozessen als ein einziges großes Laufwerk wahrgenommen Die Daten werden über die Laufwerke eines RAID-Systems verteilt Das RAID-Level spezifiziert, wie die Daten verteilt werden Die gebräuchlichsten RAID-Level sind RAID 0, RAID 1 und RAID 5 Patterson, David A., Garth Gibson, and Randy H. Katz, A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID), Vol. 17. No. 3, ACM (1988)
27 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 RAID 0 Striping Beschleunigung ohne Redundanz Keine Redundanz Steigert nur die Datentransferrate Aufteilung der Laufwerke in Blöcke gleicher Größe Sind die Ein-/Ausgabeaufträge groß genug (> 4 oder 8 kb), können die Zugriffe parallel auf mehreren oder allen Laufwerken durchgeführt werden Fällt ein Laufwerk aus, können die Daten nicht mehr vollständig rekonstruiert werden Nur kleinere Dateien, die vollständig auf den verbliebenen Laufwerken gespeichert sind, können gerettet werden RAID 0 eignet sich nur, wenn die Sicherheit der Daten bedeutungslos ist oder eine geeignete Form der Datensicherung vorhanden ist
28 RAID 1 Mirroring Spiegelung Mindestens 2 Laufwerke gleicher Kapazität enthalten identische Daten Sind die Laufwerke unterschiedlich groß, bietet ein Verbund mit RAID 1 höchstens die Kapazität des kleinsten Laufwerks Ausfall eines Laufwerks führt nicht zu Datenverlust Grund: Die übrigen Laufwerke halten die identischen Daten vor Zum Totalverlust kommt es nur beim Ausfall aller Laufwerke Jede Datenänderung wird auf allen Laufwerken geschrieben Kein Ersatz für Datensicherung Fehlerhafte Dateioperationen oder Virenbefall finden auf allen Laufwerken statt Die Lesegeschwindigkeit kann durch intelligente Verteilung der Zugriffe auf die angeschlossenen Laufwerke gesteigert werden Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37
29 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 RAID 2 Bit-Level Striping mit Hamming-Code-Fehlerkorrektur Daten werden bitweisen auf die Laufwerke verteilt Bits, die Potenzen von 2 sind (1, 2, 4, 8, 16, usw.) sind Prüfbits Prüfbits werden über mehrere Laufwerke verteilt = Datendurchsatz wird gesteigert Wurde nur bei Großrechnern verwendet Spielt heute keine Rolle mehr
30 RAID 3 Byte-Level Striping mit Paritätsinformationen Paritätsinformationen sind auf einem Paritätslaufwerk gespeichert Jede Schreiboperation auf das RAID führt zu Schreiboperationen auf das Paritätslaufwerk = Flaschenhals Wurde durch RAID 5 ersetzt Datenlaufwerke Summe gerade/ungerade Paritätslaufwerk Bits sind = 0 = Summe ist gerade = Summen-Bit 0 Bits sind = 1 = Summe ist ungerade = Summen-Bit 1 Bits sind = 2 = Summe ist gerade = Summen-Bit 0 Bits sind = 3 = Summe ist ungerade = Summen-Bit 1 Bits sind = 2 = Summe ist gerade = Summen-Bit 0 Bits sind = 2 = Summe ist gerade = Summen-Bit 0 Bits sind = 1 = Summe ist ungerade = Summen-Bit 1 Bits sind = 1 = Summe ist ungerade = Summen-Bit 1 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37
31 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 RAID 4 Block-Level Striping mit Paritätsinformationen Paritätsinformationen sind auf einem Paritätslaufwerk gespeichert Unterschied zu RAID 3: Nicht einzelne Bits oder Bytes, sondern Blöcke (Chunks) werden geschrieben P(16-19) = Block 16 XOR Block 17 XOR Block 18 XOR Block 19 Jede Schreiboperation auf das RAID führt zu Schreiboperationen auf das Paritätslaufwerk Nachteile: Flaschenhals Paritätslaufwerk fällt häufiger aus Wird selten eingesetzt, weil RAID 5 nicht diese Nachteile hat Die Firma NetApp verwendet in ihren NAS-Servern RAID 4 z.b. NetApp FAS2020, FAS2050, FAS3040, FAS3140, FAS6080
32 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 RAID 5 Block-Level Striping mit verteilten Paritätsinformationen Nutzdaten und Paritätsinformationen werden auf alle Laufwerke verteilt Vorteile: Hoher Datendurchsatz Hohe Datensicherheit Kein Flaschenhals P(16-19) = block 16 XOR block 17 XOR block 18 XOR block 19
33 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 RAID 6 Block-Level Striping mit doppelt verteilten Paritätsinformationen Funktioniert ähnlich wie RAID 5 Verkraftet aber den gleichzeitigen Ausfall von bis zu 2 Laufwerken Im Gegensatz zu RAID 5... ist die Verfügbarkeit höher, aber die Schreibgeschwindigkeit ist niedriger ist der Schreibaufwand für die Paritätsinformationen höher
34 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Übersicht über die RAID-Level RAID n (Anzahl k (Netto- Ausfall- Leistung Leistung Laufwerke) kapazität) sicherheit (Lesen) (Schreiben) 0 2 n 0 (keine) n X n X 1 2 Kapazität des n 1 Laufwerke n X X kleinsten Laufwerks 2 3 n [log 2 n] 1 Laufwerk variabel variabel 3 3 n 1 1 Laufwerk (n 1) X (n 1) X 4 3 n 1 1 Laufwerk (n 1) X (n 1) X 5 3 n 1 1 Laufwerk (n 1) X (n 1) X 6 4 n 2 2 Laufwerke (n 2) X (n 2) X X ist die Leistung eines einzelnen Laufwerks beim Lesen bzw. Schreiben Die maximale theoretisch mögliche Leistung wird häufig vom Controller bzw. der Rechenleistung des Hauptprozessors eingeschränkt
35 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 RAID-Kombinationen Meist wird RAID 0, 1 oder 5 verwendet Zusätzlich zu den bekannten RAID-Standards (Leveln) existieren verschiedene RAID-Kombinationen Mindestens 2 RAIDs werden zu einem größeren RAID zusammengefasst Beispiele: RAID 00: Mehrere RAID 0 werden zu einem RAID 0 verbunden RAID 01: Mehrere RAID 0 werden zu einem RAID 1 verbunden RAID 05: Mehrere RAID 0 werden zu einem RAID 5 verbunden RAID 10: Mehrere RAID 1 werden zu einem RAID 0 verbunden RAID 15: Mehrere RAID 1 werden zu einem RAID 5 verbunden RAID 50: Mehrere RAID 5 werden zu einem RAID 0 verbunden RAID 51: Mehrere RAID 5 werden zu einem RAID 1 verbunden
36 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37 Hardware-/Host-/Software-RAID (1/2) Bildquelle: Adaptec Hardware-RAID Ein RAID-Controller mit Prozessor berechnet die Paritätsinformationen und überwacht den Zustand des RAID Adaptec SATA RAID 2410SA Adaptec SATA II RAID 1220SA Vorteile: Betriebssystemunabhängigkeit Keine zusätzliche CPU-Belastung Nachteil: Hoher Preis (ca. e 200) Host-RAID Entweder ein preiswerter RAID-Controller oder der Chipsatz erbringen die RAID-Funktionalität Unterstützt meist nur RAID 0 und RAID 1 Vorteile: Betriebssystemunabhängigkeit Geringer Preis (ca. e 50) Nachteile: Zusätzliche CPU-Belastung Eventuelle Abhängigkeit von seltener Hardware
37 Hardware-/Host-/Software-RAID (2/2) Software-RAID Linux, Windows und MacOS ermöglichen das Zusammenschließen von Laufwerken zu einem RAID auch ohne RAID-Controller Vorteil: Keine Kosten für zusätzliche Hardware Nachteile: Betriebssystemabhängigkeit Zusätzliche CPU-Belastung Beispiel: RAID 1 (md0) mit den Partitionen sda1 und sdb1 erstellen: mdadm --create /dev/md0 --auto md --level=1 --raid-devices=2 /dev/sda1 /dev/sdb1 Informationen über alle Software-RAIDs im System erhalten: cat /proc/mdstat Informationen über ein bestimmtes Software-RAID (md0) erhalten: mdadm --detail /dev/md0 Partition sdb1 entfernen und Partition sdc1 zum RAID hinzufügen: mdadm /dev/md0 --remove /dev/sdb1 mdadm /dev/md0 --add /dev/sdc1 Prof. Dr. Christian Baun 4. Foliensatz Betriebssysteme Frankfurt University of Applied Sciences SS /37
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