Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Основы организации и хранения данных на HDD накопителях

Накопитель информации на жестких магнитных дисках (HDD), условно состоит из герметичного блока и платы электроники. Герметичный блок заполнен обычным обеспыленным воздухом под атмосферным давлением, и в нем размещены все механические части. Кинематика жесткого диска состоит из одного или нескольких магнитных дисков, жестко закрепленных на шпинделе двигателя, и системы позиционирования магнитных головок. Магнитная головка находится на одной из сторон вращающегося магнитного диска и осуществляет чтение и запись данных с поверхности магнитных дисков, вращающихся со скоростью до 15 000 оборотов в минуту. Головки закреплены на специальных держателях и перемещаются системой позиционирования между центром и краем диска. Точное позиционирование магнитных головок осуществляется по записанной на диске сервоинформации. Считывая ее, система позиционирования определяет силу тока, которую нужно пропустить через катушку электромагнитного привода для удержания магнитной головки над требуемой дорожкой.

При включении питания процессор жесткого диска выполняет тестирование электроники, после чего выдает команду включения шпиндельного двигателя. При достижении некоторой критической скорости вращения плотность увлекаемого поверхностями дисков воздуха становится достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности и поднятия их на высоту меньше микрона над поверхностями дисков. С этого момента и до снижения скорости ниже критической головки "парят" на воздушной подушке и совершенно не касаются поверхностей дисков. После достижения дисками скорости вращения, близкой к номинальной, головки выводятся из зоны парковки, и начинается поиск сервометок для точной стабилизации скорости вращения, после чего выполняется считывание микрокода и другой служебной информации с магнитной поверхности. В завершение инициализации выполняется тестирование системы позиционирования путем перебора заданной последовательности дорожек, и если оно проходит успешно, жесткий диск сообщает о готовности к работе. Для повышения надежности хранения информации микропрограмма жестких дисков отслеживает технологические параметры (SMART), доступные для считывания и анализа программой, которая уведомляет пользователя о надвигающемся сбое.

 

Технологии записи информации в жестких дисках

 

Отдельные участки магнитного диска могут быть намагничены одним из двух возможных способов, которые обозначают ноль или единицу, т. е. 1 бит. Такая намагниченная область называется магнитным доменом и представляет собой миниатюрный магнит на поверхности диска с определенной ориентацией южного и северного магнитного полюса. Для записи бита магнитная головка создает определенным образом направленное магнитное поле, которое ориентирует домен, вектор намагниченности которого сохраняется в течение длительного времени после того, как головка прекратила свое воздействие на магнитную поверхность. Плотность записи, количество информации, которое может быть записано на единицу поверхности пластины, связано с размерами доменов. Общеупотребительными величинами плотности записи являются:

 

BPSI (плотность записи на единицу  площади) - количество информации, которое  может быть записано на квадратном  дюйме магнитного диска.

TPI - (плотность дорожек) - величина, показывающая, насколько близко  друг от друга расположены  дорожки на пластине. Измеряется  в количестве дорожек на дюйм.

BPI (линейная плотность) - величина, показывающая, насколько плотно "упакованы" данные на дорожке. Измеряется  в битах на дюйм дорожки.

Основными причинами невозможности бесконечного уменьшения размера домена является:

 

Размер магнитной головки. В настоящее время именно она определяет размер минимальной намагничиваемой области - домена.

Ослабление уровня считываемого сигнала и увеличения в нем уровня шума.

Спонтанное саморазмагничивание домена, вызванное воздействием температуры.

Помимо уменьшения размера доменов производители жестких дисков используют и другие технологии увеличения плотности записи:

 

PRML - максимальное правдоподобие  при неполном отклике. Это алгоритм  преобразования аналогового сигнала, записанного на магнитный диск, основанный на ряде положений  теории распознавания образов. В  методе PRML для декодирования применяется  набор образцов, с которыми сравнивается  считанный сигнал, и за результат  принимается наиболее похожий. Состоит  из двух частей - подсистема Partial Response (частичный отклик) переводит  сигнал из аналоговой формы  в цифровую, минимизируя шумы, а  подсистема Maximum Likelihood (максимальное правдоподобие) производит цифровую обработку сигнала для восстановления наиболее правдоподобной его формы. Данный алгоритм и его развитие EPRML применяется практически во всех современных жестких дисках.

 

AFC - антиферромагнитная пара (магнитно-компенсированые  пленки). Суть идеи заключается  в нанесении на диск трехслойного  антиферромагнитного покрытия, в  котором пара магнитных слоев  разделена специальной изолирующей  прослойкой из рутения. За счет  того, что расположенные друг  под другом магнитные домены  имеют антипараллельную ориентацию  магнитного поля, они образуют  пару, которая оказывается более  устойчивой к спонтанному перемагничиванию, чем одиночный "плоский" домен.

 

PMR - перпендикулярный вектор намагниченности. Эта технология позволяет практически  вдвое увеличить плотность записи  информации и уменьшает проблемы  с магнитным влиянием (интерференцией). В отличие от классической  технологии записи, используются  магнитные домены с перпендикулярным, а не параллельным поверхности  диска вектором магнитного поля. При этом соседние и различающиеся  домены уже не "глядят" друг  на друга одноименными полюсами, которые, как известно, отталкиваются. Это позволяет уменьшить размер  междоменного пространства по  сравнению с классической технологией  записи, что так же увеличивает  емкость жестких дисков.

 

Продольная запись

 

Классический способ записи информации

Перпендикулярная запись

 

Перпендикулярный способ записи информации

HAMR - термомагнитная запись. Суть  идеи заключается в использовании  магнитных материалов, обеспечивающих  высокую термостабильность записанных  участков поверхности. Для записи  информации магнитный домен предварительно  разогревается с помощью сфокусированного  лазерного пучка. Диаметр пучка  и определяет размер области, соответствующей одному биту  информации. При повышении температуры  домена происходит существенное  изменение его магнитных свойств (уменьшается коэрцитивная сила), и, таким образом, нагретые участки  становятся способными к намагничиванию. Для массового внедрения HAMR в  серийное производство необходима  разработка эффективного теплоотвода  от магнитных пластин во время  записи информации.

 

SOMA - самоорганизующиеся магнитные  решетки. Данная технология предусматривает  формирование на поверхности  диска монодисперсного слоя "самоорганизующихся  магнитных массивов" из мельчайших  однородных железно-платиновых конгломератов  размером около 3 нм (3 нм - это 10-15 атомов твердого вещества, выложенных в ряд). Применение этой "нанотехнологии" позволит существенно снизить уровень нестабильности отдельных магнитных зерен и уменьшить размеры домена.

 

Кластер файловой системы

 

Кластер - несколько секторов, рассматриваемых операционной системой как одно целое. При повреждении одного сектора жесткого диска операционная система объявляет негодным для дальнейшего использования весь кластер, размер которого в NTFS (по умолчанию) составляет 4 Кб, т.е. 8 секторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 РАСЧЕТ СЕТИ ETHERNET

 

Для того, чтобы сеть Ethernet, состоящая из сегментов различной физической природы, работала корректно, необходимо, чтобы выполнялись три основных условия:

• Количество станций в сети не превышает 1024 (с учетом ограничений для коаксиальных сегментов).
• Удвоенная задержка распространения сигнала (Path Delay Value, PDV) между двумя самыми удаленными друг от друга станциями сети не превышает 575 битовых интервалов.
• Сокращение межкадрового расстояния (Interpacket Gap Shrinkage) при прохождении последовательности кадров через все повторители не более чем на 49 битовых интервалов (напомним, что при отправке кадров станция обеспечивает начальное межкадровое расстояние в 96 битовых интервалов).

Соблюдение этих требований обеспечивает корректность работы сети даже в случаях, когда нарушаются простые правила конфигурирования, определяющие максимальное количество повторителей и максимальную длину сегментов каждого типа.

Физический смысл ограничения задержки распространения сигнала по сети обеспечивает своевременное обнаружение коллизий.

Требование на минимальное межкадровое расстояние связано с тем, что при прохождении кадра через повторитель это расстояние уменьшается. Каждый пакет, принимаемый повторителем, ресинхронизируется для исключения дрожания сигналов, накопленного при прохождении последовательности импульсов по кабелю и через интерфейсные схемы. Процесс ресинхронизации обычно увеличивает длину преамбулы, что уменьшает межкадровый интервал. При прохождении кадров через несколько повторителей межкадровый интервал может уменьшиться настолько, что сетевым адаптерам в последнем сегменте не хватит времени на обработку предыдущего кадра, в результате чего кадр будет просто потерян. Поэтому не допускается суммарное уменьшение межкадрового интервала более чем на 49 битовых интервалов. Величину уменьшения межкадрового расстояния при переходе между соседними сегментами обычно называют в англоязычной литературе Segment Variability Value, SVV, а суммарную величину уменьшения межкадрового интервала при прохождении всех повторителей - Path Variability Value, PVV. Очевидно, что величина PVV равна сумме SVV всех сегментов, кроме последнего.

 

          3.1 Расчет PDV

 

 Рассчитаем PDV для сети Ethernet, изображенной на рисунке 6.1.

Левым сегментом называется сегмент, в котором начинается путь сигнала от выхода передатчика (выход Tx) конечного узла. Затем сигнал проходит через промежуточные сегменты и доходит до приемника (вход Rx) наиболее удаленного узла наиболее удаленного сегмента, который называется правым.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.1 - сеть  Ethernet, состоящая из сегментов 
различных физических стандартов

 

С каждым сегментом связана постоянная задержка, названная базой, которая зависит только от типа сегмента и от положения сегмента на пути сигнала (левый, промежуточный или правый). Кроме этого, с каждым сегментом связана задержка распространения сигнала вдоль кабеля сегмента, которая зависит от длины сегмента и вычисляется путем умножения времени распространения сигнала по одному метру кабеля (в битовых интервалах) на длину кабеля в метрах. Так как левый и правый сегмент имеют различные величины базовой задержки, то в случае различных типов сегментов на удаленных краях сети необходимо выполнить расчеты дважды: один раз принять в качестве левого сегмента сегмент одного типа, а во второй раз - сегмент другого типа, а результатом считать максимальное значение PDV. В нашем сучае крайние сегменты сети принадлежат к одному типу - стандарту 10Base-T, поэтому двойной расчет не требуется

Общее значение PDV равно сумме базовых и переменных задержек всех сегментов сети. В соответствии с данными таблицы 1 рассчитаем значение PDV.

Левый сегмент 1: 15.3 + 130 м × 0.113 /м = 29,99

Промежуточный сегмент 2: 33.5 + 1015 × 0.1 = 135

Промежуточный сегмент 3: 24 + 523 × 0.1 = 76,3

Промежуточный сегмент 4: 24 + 524 × 0.1 = 74,4

Промежуточный сегмент 5: 24 + 612 × 0.1 = 85,2

Правый сегмент 6: 165 + 115 × 0.113 = 177,995

Сумма всех составляющих дает значение PDV, равное 578,885 .

Так как значение PDV больше максимально допустимой величины 575, то эта сеть не проходит по величине максимально возможной задержки оборота сигнала.

 

          3.2 Расчет PVV

 

В соответствии с данными таблицы 2 рассчитаем значение PVV. Левый сегмент 1 10Base-T: дает сокращение в 10.5 битовых интервалов

Промежуточный сегмент 2 10Base-FL: 8

Промежуточный сегмент 3 10Base-FB: 2

Промежуточный сегмент 4 10Base-FB: 2

Промежуточный сегмент 5 10Base-FB: 2

Сумма этих величин дает значение PVV, равное 24.5, что меньше предельного значения в 49 битовых интервалов.

В результате расчетов установили, что в данной сети количество станций не превышает 1024, сокращение межкадрового расстояния при прохождении последовательности кадров через все повторители не превышает 49 битовых интервалов, но удвоенная задержка распространения сигнала между двумя самыми удаленными друг от друга станциями сети превышает 575 битовых интервалов. Следовательно, данная сеть не соответствует стандартам Ethernet, т.е. не является работоспособной.

Для того чтобы сеть стала работоспособной, нужно уменьшить длину некоторых её сегментов.

Примем длину сегмента 1и 6 равную 100 метрам, , а длину сегментов 3 и 4 – 510 метров. Произведем расчет удвоенной задержки распространения сигнала между двумя самыми удаленными друг от друга станциями сети.

Левый сегмент 1: 15.3 + 100 м × 0.113 /м = 26,6

Промежуточный сегмент 2: 33.5 + 1010 × 0.1 = 134,5

Промежуточный сегмент 3: 24 + 510 × 0.1 = 75

Промежуточный сегмент 4: 24 + 510 × 0.1 = 75

Промежуточный сегмент 5: 24 + 609 × 0.1 = 84,9

Правый сегмент 6: 165 + 100 × 0.113 = 176,3

Сумма всех составляющих дает значение PDV, равное 572.3, т.е. меньше максимально допустимой величины.

Данный вариант сети полностью соответствует стандартам Ethernet и является работоспособным.

 

 

 

 

 

4 РАСЧЕТ СЕТИ FAST ETHERNET

 

Правила корректного построения сегментов сетей Fast Ethernet включают: