Boghian Anastasia -Ramona [605494]

Boghian Anastasia -Ramona
Grupa 1405A

Studiu privind organizarea datelor și evaluarea timpilor de acces
la un sistem de discuri magnetice cu arhitectura RAID

Introducere
Creșterea aproape exponențială a volumului de aplicații și a complexității acestora a determinat o evoluție a
capacității de gestionare a datelor. Mai concret, intensificarea frecvenței operațiilor de lucru cu discurile magnetice
a necesitat folosirea arhi tecturilor de tip RAID, ce permit utilizarea mai multor unități de disc în scopul
îmbunătățirii performanțelor și a creșterii nivelului de siguranță a datelor.

Lucrarea de licență cu titlul ” Studiu privind organizarea datelor și evaluarea timpilor de acc es la un sistem
de discuri magnetice cu arhitectura RAID ” prezintă caracteristicele sistemelor cu discuri magnetice , studiul
performanțelor de timp de acces, p recum ș i analiza unei soluții software, ce va determina creșterea fiabilității
discului magnetic.
Arhitectura RAID ( Redundant Arrays of Inexpensive Disks sau Redundant Arrays of Independent Disks )
este o tehnologie folosită pentru stocarea datelor pe mai multe hard disk -uri, având ca scop gestionarea unui volum
mai mare de date și satisfacerea unor c onstrângeri de performanță referitoare la timpul de ră spuns.

Arhitectura RAID
Matricile RAID sunt de mai multe tipuri, fiecare cu avantajele si dezavantajele lor, fiind realizate să
îmbunătățeasc ă cât mai bine viteza de acces , capacitatea și siguranța. Cele mai uzuale sunt RAID 0 (Striping ) ,1
(Mirroring ) si 5 (Rotating Parity ), cel din urmă fiind folosit cel mai mult în prezent și pe care îl vom analiza în
detaliu . Aceste tehnologii au fost concepute să funcționeze chiar și în caz de defectare, având funcții de detectare
si corecț ie a erorilor.
Ariile de di scuri magnetice cu arhitectură RAID 5 implementeaz ă distribuirea informației de paritate pe
toate discurile din matrice, permițând astf el accese concurente la acestea și asigurarea bunei funcționări a
sistemului cât timp cel puțin un disc este operaț ional . Este cel mai întâlnit nivel de RAID, datorită prețului
rezonabil, precum și a capacității foarte mare de stocare .

Testarea performanțelor de timp de acces pentru tehnologia RAID
Arhitectua RAID 5 prezintă dou ă tipuri de organizare a datelor, care conduc la performanțe diferite de timp
de acces în funcție de caracteristicile aplicației. Datorită faptului că aceste tehnologii prezină multe discuri
magnetice fiabilitatea si stemului per total este afec tată într -o manieră negativă și astfel trebuie să se gă sească
tehnici de implementare care să fie tolerante la erori.
Pentru a putea testa timpii de acces la ariile de discuri magnetice cu tipul de nivel RAID 5 trebuie avute în
vedere câteva caracteristici, și anume: să ținem seama de raportul dintre frecvența operațiilor de citire și scriere, la

Boghian Anastasia -Ramona
Grupa 1405A

o cerere de citire a unui bloc de date aceasta trebuie să se împartă într -un număr de cereri mai simple pentru acele
discuri magnetice care acoperă blocul respectiv, la scrierea unui bloc de date trebuie să se țină cont de operațiile
suplimentare de citire și scriere, pentru a se actualiza și blocul de paritate și pentru obținerea performanțelor mai
bune ar fi nevoie ca operațiile ce privesc blocurile de paritate să fie făcute cu prioritate.
Implementările software ale RAID 5 sunt suportate de către multe sisteme moderne de operare (Linux,
Windows Server etc .), dar aplicațiile utilizează arhitectura RAID ca o singură unitate . Implementările software
necesită timpi reduși de prelucrare și consumă foarte puține resurse.

Organizarea datelor la RAID 5
La arhitectura RAID 5 se întâlnesc două variante de organizare a datelor:
-la prima variantă datele sunt dispuse de -a lungul ariei de discuri, iar blocurile de paritate sunt dispuse în spirală
așa cum este ilustrat în figura de mai jos;

Disc 1 Disc 2 Disc 3 Disc 4
D
D
D

D

D
D

D
D
D

D
D
D

D
D
D

D
D
D

D
D
D

D
D
D

Boghian Anastasia -Ramona
Grupa 1405A

-la cea de -a doua variantă se renunță la memorarea datelor de -a lungul ariei de discuri, iar grupurile de paritate se
găsesc pe ultima partiție.

D
– blocul de date de pe discul j care aparține grupului de paritate i.
Pi – blocul de paritate pentru grupul cu numărul de ordine i.

La RAID 5 informația de paritate este distribuită pe toate discurile existente în matrice. Câtă vreme nu
există un disc dedicat pentru parita te, toate discurile conțin date, iar operațiile de scriere pot să se suprapună pe
oricare disc din matrice. Operațiile de scriere vor accesa un disc pentru scrierea inf ormației și un disc pentru
controlul de paritate. Această arhitectură combină eficient protecția datelor stocate cu caracteristici de performanță
bune. Cu toate acestea, performanța la scriere sau în cazul deteriorării unui disc este mai mică decât la RAID 1.
Operația de reconstrucție a unui disc stricat necesită mai mult timp decât în cazul RAID 1, deoarece trebuie
refăcută și informația de paritate. Acest tip de RAID necesită minim trei discuri. Este r ecomandat pentru servere
(de aplicații sau fișiere), s ervere cu baze de date, servere de Web, e -mail sau știri .
RAID 5 oferă o eficiență mai mare decât RAID 1 în stocarea datelor deoarece doar informația de paritate
este stocată, în loc să se păstreze o c opie completă a datelor . Astfel într-un RAID 5 pot fi combinate trei sau mai D
D
D
D

D
D
D
D

D
D
D
D

D
D
D
D

D
D
D
D

D
D
D
D

Boghian Anastasia -Ramona
Grupa 1405A

multe discuri, pierderea de capacitate de stocare necesară păstrării informației de paritate fiind de doar un disc.
Astfel RAID 5 oferă un spațiu mai mult față de RAID 1. Cu toate acestea, acest spor de eficiență trebuie balansat
cu pierderea corespunzătoare de performanță la accesarea datelor.
Datele de paritate pentru o matrice RAID 5 se obțin printr -o operație XOR a datelor din matrice. Când este
modificată o informație în matrice trebuie ca și informația de paritate să fie modifi cată la rândul ei .

Analiza unei soluții de implementare software pentru un sistem cu arhitectură RAID 5

Un sistem cu discuri magnetice cu arhitectură RAID 5 trebuie privit ca un sistem de servire ce tratează
cereri lansate de la nivelul aplicației în derulare. La nivelul discului magnetic trebuie organizate câte două cozi de
așteptare, în care să fie înregistrate cererile din datele propriu -zise și cererile care țin de paritatea blocurilor de
paritate. Organizarea așteptării pentru tratarea cererilor de transfer a unor blocuri de date transmise de la nivelul
aplicației este ilustrată în figura următoare:

După cum se poate observa în figura de mai sus, cererile vor sosi în sistem cu o anumită rată medie și vor
forma o coadă de așteptare comună. Ac estea vor fi prelucrate în ordinea sosirii lor și trimise apoi la discuri , fiind

Boghian Anastasia -Ramona
Grupa 1405A

descompuse în cereri simple. În co zile locale cererile vor fi împă rțite fie în cereri de tip date, fie de tip paritate.
Cererea se va încheia când toate discurile magnetice vo r termina de efectuat operațiile simple.

Pentru a monitoriza cererile vom avea nevoie de o tabelă în care vom avea stocate mai multe informații, șsi
anume:

-numărul de ordine
– momentul sosirii unei cereri
-tipul cererii, dacă este de citire sau de scrie re
-mărimea blocului
-discul de date
-discul de paritate
-partiția
-cilindrul adresat
-stare operație citire cerere , dacă va fi în desfășurare sau terminată
– stare operație scriere date, dacă va fi în neîncepută, în desfășurare sau terminată
– stare opera ție scriere paritate, dacă va fi în neîncepută, în desfășurare sau terminată

Pentru o cerere simplă de la nivelul discurilor magnetice se va calcula:

*timpul de transfer ( tt)
tt=f(nr_sectoare) (tt este o funcție)
*timpul de rotație (tr)
tr=T/2 (T este perioada pentru o rotație completă)
*timpul de poziționare(tp)
*timpul de acces(ta)
ta=tp+tr+tt

Alte variabile folosite in implementare vor fi:

-stare disc, dacă e liber sau ocupat
-timp de acces minim
-poziția curentă a ansamblului de capete pe un anumit disc
-numărul de cereri în coada de date
-numărul de cereri în coada de paritate
-tipul operației
-timpul până la sosirea următoarei cereri
-numărul de cereri tratate pe durata simulării
-suma timpilor de acces pentru toate cererile tratate
-durata simulării