SCSI, SAS, SATA - RAID

Vrlo rašireni standard za povezivanje diskovnih (i nekih drugih) uređaja na zasebnu sabirnicu je SCSI (Small Computer System Interface) standard. Na zajednički spojni kabel povezuje se više uređaja od kojih svaki ima drugačiju adresu i koji su spojnim vodom vezani za kontroler - adapter (upravljački uređaj) umetnut u slot povezan sa sabirnicom računala. U verziji SCSI-1 i SCSI-2 (više se ne koriste) može se povezati do osam uređaja, a u verziji SCSI-3 šesnaest uređaja, s brzinom prijenosa od 40 Mb/s do 5 Gb/s ovisno o reviziji sučelja. Kontroler je izdvojeni zasebni uređaj i obično ima vanjski priključak te omogućava priključivanje uređaja van kućišta računala kao pisači, skeneri i slično. Sustav je brži, ali i skuplji. Podržan je gotovo na svim računalnim platformama. Kontroler ima vlastiti BIOS koji se može podešavati slično BIOS-u računala i na neki način je proširenje BIOS-a računala. Naravno radi se o kompletnom sklopovskom rješenju, što je bolje od jeftinijih uređaja koji se oslanjaju da upravljačke programe i operativni sustav.

Svaki uređaj priključen u SCSI niz odlikuje se logičkim identifikatorom, kojim ga sistem adresira. Ova oznaka poznatija kao SCSI ID, određuje se u trenutku povezivanja uređaja u sistem i mora biti jedinstvena. Najčešće se zadaje preklopnicima na uređaju, iako noviji uređaji svoj ID namještaju automatski. I sam kontroler je jedan SCSI uređaj, pa i on ima identifikacijski broj, najčešće broj 7, često fiksan. Elektronika ovih uređaja složenija je od PATA i SATA sustava i znatno je skuplja. Osim toga i uređaji se izrađuju tako da izdrže dugotrajna trajna opterećenja i diskovi se okreću gotovo dvostruko većom brzinom u odnosu na SATA diskove. Kod PATA sustava identifikacija diska vrši se premosnikom (jumper) koji se u načelu postavlja u 'M' (master) ili 'S' (slave) označen položaj. Na jednom upravljaču preko spojnog kabla mogu se tako kontrolirati dva diskovna uređaja, imaju isti IRQ, s tim da se preko premosnika određuju različiti identifikatori (uređaj '0' i '1'). Pri tome treba voditi računa da su oba diska na istom kablu istih mogućnosti glede brzine prijenosa. Kod SATA sustava upravljački uređaj dodjeljuju identifikator svakom kanalu i pripadnom mu priključku na kojeg se može spojiti samo jedan disk (nema premosnika na disku).

SCSI sustav omogućava da se jedan uređaj poveže na dva (ili više) računala istovremeno. Ovo nije nelogično jer uređaj ne zna na koje je računalo povezan, već samo izvršava komande koje dobije preko magistrale. Svojstvo SCSI sustava povezivanja je da uređaje ne tretira preko fizičkih atributa, nego preko logičkih. Ako se koriste dva upravljačka uređaja u dva računala i jedan disk nema razloga da to ne radi, pod uvjetom da su svi ostali zahtjevi ispunjeni prema specifikaciji. SCSI upravljači uređaj na kartici u računalu obično ima konektor (interface) za vanjske periferije na limenom pročelju kartice, te nekih osobitih problema u povezivanju nema. Navedeno je jedan od preduvjeta kreiranja CLUSTER-a, međusobno povezanih računala u svrhu povećanja računalnih resursa i ukupne računalne moći.

Kabel koji povezuje uređaje duljine je od 10 cm do 25 m, ovisno o tehnologiji izrade kabela i načina zaključivanja kabela. Pasivno zaključivanje je jednostavno 'otporno' zaključivanje na kraju kabela gdje vrijednost otpora odgovara impedanciji kabela, a aktivno zaključivanje nadzire impedanciju kabela na kraju lanca i prilagođava joj se te je stoga moguća veća duljina kabela. Sve dosadašnje generacije SCSI sučelja dizajnirane su na načelu paralelnog prijenosa podataka. Logičan tehnološki nasljednik je serijska komunikacija SAS (Serial Attached SCSI). Osim promjene sučelja i načina komunikacije, veća je brzina prijenosa podataka (v3.0 - 12 Gb/s), omogućava se daleko već broj uređaja (16'256) u jednoj domeni, kompatibilnost s prethodim standardima, i ima mogućnost usklađenog rada sa SATA diskovima. Kompatibilnost SAS i SATA (koriste iste fizičke konektore) omogućava korisniku fleksibilnost u odabiru uređaja koje će koristiti, što je od velikog značaja za razvoj oba standarda i njihove primjene u raznolikoj paleti računalnih sustava; od kućnog računala do sustava za pohranu podataka kao što je mreža za povezivanje računala u jedinstveno spremište podataka: Storage Area Network - SAN ili Network Attached Storage - NAS. Razlika je u načinu kako operativni sustav vidi diskove spremišta. SAN se operativnom sustavu predstavlja kao jedan veliki disk i to su obično složeniji i veći uređaji koji mogu interno imati veliki broj diskova. NAS pak sadrži vlastiti operativni sustav koji nadzire ugrađene diskove i nudi korisnicima nadzirane resurse na raspolaganje. Operativni sustavi korisnika i NAS-a ne moraju biti istorodni ali moraju imati odgovarajuću programsku potporu za međusobno 'razumijevanje'.

SCSI uređaji su profesionalni uređaji te i nisu tema abecede. No ono što je bitno spomenuti je potpora za RAID (Redundant Array of Independent Disks) sustav, mogućnost da se više fizičkih diskova može povezati u jednu logičku cjelinu (volumen) u svrhu povećanja performansi i otpornosti na otkaz. Poslužitelj bez RAID sustava povezivanja diskova je nepouzdan. Moderne matične ploče za kućnu i polu-profesionalnu uporabu omogućavaju RAID s PATA i SATA diskovima.

RAID

Početkom 80-ih godina kapacitet tvrdih diskova bio je ograničen i diskovi s velikim kapacitetom bili su rijetki i skupi. Stoga se počelo eksperimentirati s poljima manjih, jeftinijih tvrdih diskova. Istraživači Sveučilišta Berkeley (USA - California) predstavili su osnovna pravila za polje diskova. Uveli su izraz RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) da bi naglasili prednosti što ispravno implementirano polje diskova može pružiti. Predstavili su smjernice za razvoj šest različitih modela polja diskova, RAID 0 do RAID 6. Broj ne označava hijerarhiju tako da ne znači da je RAID 6 uvijek bolji ili lošiji od RAID 0 polja diskova. Kako se razvijala tehnologija tvrdih diskova i cijena po megabyte-u je padala, pojam 'Inexpensive' je redefiniran u 'Independent' da bi se naglasile prednosti koje polje diskova ima. RAID polje diskova postalo je neizbježni dio poslužitelja. Prihvat RAID tehnologije uvjetovale su četiri najznačajnije činjenice:

• Potreba za većim kapacitetom - povećanje veličine aplikacija traći veći diskovni prostor (volumen). RAID polje diskova pruža visok kapacitet pohranjivanja i dobre mogućnosti proširivanja.
• Brži mikroprocesori - razvoj mikroprocesora je puno brži od razvoja tvrdih diskova, što je dovelo do velikog nerazmjera u brzini rada s podacima. Pravilno implementirani RAID sustav može smanjiti tu veliku razliku u odnosu na jedan tvrdi disk.
• Pouzdanost - kako su se vremenski kritične aplikacije preselile na poslužitelje, RAID polja tvrdih diskova su postala sredstvo osiguranja stalnog pristupa podacima te izbjegavanja gubitka informacija u slučaju otkaza tvrdog diska. RAID sustavi posjeduju mogućnost redundancije i oporavljanja podataka u slučaju otkaza tvrdog diska u sustavu.
• Cijena - smanjivanjem cijene RAID tehnologija se počela širiti s velikih sustava  na mrežne poslužitelje, radne stanice i kućna računala.

Osobitosti i načela rada pojedinih načina kreiranja polja diskova su:

• JBOD ili SPAN (Just a Bunch Of Disks - Ulančavanje) - U stručnoj literaturi često nazivan 'LINEAR'. Popularan način spajanja sadržaja više fizičkih različitih diskova u 'jedinstveni logički disk'. Diskovi se mogu fizički potpuno razlikovati po osobitostima. Poneki RAID uređaji omogućavaju da se svaki od diskova vidi kao zaseban disk koji se može pridodati ili oduzeti skupini diskova. Ako se svi diskovi objedine u jedan, podaci datoteke se zapisuju u blokove koji ne moraju slijediti redoslijed diskova, odnosno nakon slijednog zapisa na primjer u prvih pet blokova prvog diska, mogu slijediti zapisi u blokove na istom ili narednom disku te analogno navedenom nadalje. Podaci na novom pridodanom disku odmah su raspoloživi bez usuglašavanja redoslijeda blokova. Ukupni kapacitet polja (volumen) jednak je zbroju kapaciteta svih pojedinih diskova u polju. Sustav ne podnosi otkaz rada bilo kojeg diska.
  
  

  disk 1 disk 2 disk 3 VOLUMEN

  
  
• RAID 0 (striping) - Najbrži i najučinkovitiji tip polja glede čitanja i upisivanja podataka. Podaci jedne datoteke zapisuju se istovremeno na svim diskovima te otuda slijedi velika brzina pristupa podacima. Svi diskovi u polju prikazuju se kao jedan volumen koji podatke drži u kreiranim blokovima koji se slijedno nadovezuju jedan na drugog preko svih diskova tako da je prema prikazanoj shemi prvi blok na prvom disku, drugi na drugom, treći na trećem, potom četvrti na prvom itd. Dakle, sadržaj datoteke zapisan je na tri različita diska istovremeno te otuda veća brzina rada. Veličina bloka utječe na performanse sustava. Preporuka je da su diskovi po osobitostima isti. Ako se u sustav doda disk većeg kapaciteta ili su svi diskovi različitog kapaciteta dostupan je samo dio diska koji po veličini odgovora kapacitetu najmanjeg ugrađenog diska. Prema navedenom, u slučaju otkaza jednog od diskova nije dobro dodati disk po kapacitetu manji od najmanjeg postojećeg u sustavu, jer neće moći doći do usuglašavanja označavanja blokova. Ukupni kapacitet polja (volumen) jednak je umnošku najmanjeg diskovnog kapaciteta i ukupnog broja diskova u polju. Sustav ne podnosi otkaz rada bilo kojeg diska.
  
  

  disk 1 disk 2 disk 3 VOLUMEN

  
  
• RAID 1 (mirroring) - Nudi sigurnost na otkaz diska po načelu kopiranja sadržaja jednog diska na drugi (par diskova), te je zbog toga sustav spor jer stalno kopira, osobito kod upisivanja podataka. Pogodan je za male baze podataka i male sustave koji zahtijevaju visoku pouzdanost. Volumen je veličine jednog diska. Sustav podnosi otkaz rada jednog diska.
  
  

  disk 1 ====> disk 2 VOLUMEN

  
  Volumen se može povećati dodavanjem narednih parova diskova te nastaje polje 1+0 (10) ili 0+1, ovisno o načinu uparivanja diskova. Dva para diskova povezuju se po 'striping' načelu, te se tako povezani parovi povezuju u 'mirroring', ili obratno.
  
  
• RAID 2 - Zasniva se na kodiranju bit-ova i dodavanjem redundantnih bit-ova prilikom upisa na disk, što moderni diskovi imaju podrazumno, ECC kontrola greške. Skupu od osam bit-a (byte) dodaje se deveti bit na način da je s njim ukupni broj 'jedinica' paran. Nije više u uporabi.
  
  
• RAID 3 (byte parity) - Koristi paritetne informacije za oporavak od greške i sprema ih na posebni namjenski 'paritetni' disk. Traži minimum tri diska, dva za podatke i jedan za paritet. Paritet je XOR obrada podatka obima jednog byte-a s dva diska i zapis rezultata obrade na paritetni disk. Pisanje zahtjeva četiri pristupa diskovima:
  
  
  • čitanje starih podataka
  • čitanje paritetnog bit-a
  • upis novih podataka
  • upis novog pariteta
    
    
  Pogodan je za aplikacije koje zahtijevaju velike količine slijednih podataka kao video zapis. Čitanje je brzo ali je upisivanje sporo zbog izračuna i zapisivanja pariteta. Volumen je zbroj podatkovnih diskova. Sustav podnosi otkaz rada jednog diska.
  
  

  disk 1 disk 2 disk 3           paritet VOLUMEN

  
  

  Dodavanjem dodatnih diskova povećava se ukupni volumen koji je uvijek umanjen za paritetne zapise u veličini jednog diska.

• RAID 4 (cluster parity) - Koristi isto načelo kao RAID 3 ali se XOR obrada vrši na najmanjoj alokacijskoj skupini podataka na disku (cluster-u). Pogodan je za mnogo malih istovremenih operacija čitanja. Volumen je zbroj podatkovnih diskova. Sustav podnosi otkaz rada jednog diska.
  
  
• RAID 5 (block distributed parity) - Upis pariteta rješava raspodjelom zapisivanja na svaki disk, te se ubrzava proces upisivanja jer se ne 'napada' samo jedan disk. Nema namjenskog paritetnog diska. Paritet, odnosno XOR obrada vrši na polju (bloku) podataka. Traži minimum tri diska (načelo XOR od dva diska na treći). Volumen je zbroj svih diskova umanjen za paritetne zapise. Sustav podnosi otkaz rada jednog diska.
  
  

  disk 1 disk 2 disk 3       paritet     VOLUMEN

  
  Bitan podataka za efikasnost prilikom čitanja podataka u RAID sustavu je veličina polja (bloka, paketa) podataka. Ako je blok podataka mali pogodan je za rad s manjim datotekama, dok će za video sadržaje pogodovati veći blok podataka. Na slici su prikazana samo tri bloka od svakog diska. Razni testovi ukazuju da je optimalna veličina polja 32 kB ili 64 kB. Pojam bloka podataka ne treba miješati sa cluster-om (najmanjom alokacijskom jedinicom) diska. Dodavanjem dodatnih diskova povećava se ukupni volumen koji je uvijek umanjen za paritetne zapise u veličini jednog diska (N-1, uz N=>3). Preporuča se za konfiguracije do 12 ugrađenih diskova.
  
  
• RAID 6 (block distributed parity) - Isto načelo rada kao RAID 5, samo što se za upis pariteta upotrebljavaju dva diska, a ne jedan. Minimum diskova je četiri. Volumen je zbroj svih diskova umanjen za paritetne zapise. Sustav podnosi otkaz rada dva diska, što znači da je povećana sigurnost.
  
  

  disk 1 disk 2 disk 3 disk 4                 paritet   paritet   VOLUMEN

  
  

  Načelo rada slično je RAID 5 sustavu. Dodavanjem dodatnih diskova povećava se ukupni volumen koji je uvijek umanjen za paritetne zapise u veličini dva diska (N-2, uz N=>4). Preporuča se za konfiguracije s 12 ili više ugrađenih diskova.

Moguće su kombinacije više polja u novo polje druge vrste pa tako nastaje RAID 7, RAID 10, RAID 0+1, RAID 30, RAID 50. Iz navedenih opisa vidi se da svrha RAID-a nije samo povećanje volumena nego i povećanje sigurnosti. Ako dođe do otkaza jednog od diskova u RAID 3, 4, 5, 6 već na nivou sklopovlja slijedi signalizacija (optička ili zvučna ili obje) da je disk otkazao i performanse padaju zbog preračunavanja XOR zapisa kao bi se rekonstruirali podaci, ali sustav i dalje radi. Po zamjeni diska vrši rekonstrukcija podataka na novom disku, što može potrajati više sati, a signalizacija će prestati upozoravati kad se rekonstrukcija završi. Novi zamjenski disk mora se prije dodavanja FORMATIRATI ako se je već koristio u nekom RAID polju da se izbrišu eventualno kreirani blokovi od prije, jer u protivnom može doći do rušenja sustava zbog krivo shvaćenih već postojećih blokova. Na formatiranom (izbrisanom) disku po njegovom uključivanju u RAID polje slijedi već navedena rekonstrukcija blokova. Naravno, cjelokupna RAID tehnologija zasnovana je na zamjeni diskova 'na vruće' (hot-swap), dakle bez gašenja računala. Najčešće je u uporabi RAID 0, RAID 1 i RAID 5 sustav povezivanja diskova. RAID u nekoj od navedenih kombinacija koriste SAN (Storage Area Network) i NAS (Network Attached Storage) sustavi za pohranu podataka. SAN arhitektura temelji se na raspoloživosti svih diskova svim poslužiteljima u mreži bez obzira u kojem se poslužitelju (i operativnom sustavu) fizički nalaze. NAS arhitektura temelji se na ugradnji diskova u zasebni uređaj koji ima svoj 'operativni sustav' i koji je vidljiv preko mreže kao uređaj za pohranu podataka, kao u primjeru za kućni (SOHO) multimedijski sustav u poglavlju o 'Multimediji'.

Nije svejedno ni koje vrste je upravljački elektronički sklop za RAID; ugrađeni čip na matičnoj ploči računala ili neki zaseban autonoman uređaj na dodatnoj kartici. Potpuni autonoman upravljački sklop s vlastitom programskom potporom ima potpuni nadzor nad diskovima, 'proširuje' na neki način BIOS računalnog sustava svojim BIOS-om, i predočuje operativnom sustavu diskove kao jedan. Obično sadrži dijagnostičku programsku potporu i potpun 'management' nad diskovima koje nadzire. Ako se RAID oslanja na upravljačke programe ukomponirane u operativni sustav i nekakvu nepotpunu podršku kroz BIOS matične ploče, takvo rješenje sigurno je jeftinije, ali to znači da u slučaju zamjene matične ploče računala nekom drugom vrstom matične ploče sadržaj diskova nije više vidljiv, što nije baš dobro. Operativni sustav lako je instalirati, a podatke treba čuvati, pa je možda NAS bolja solucija glede čuvanja podataka. Ozbiljna firma (banka) sustav čuvanja podataka izraditi će na komplementarnim i sinkroniziranim sustavima koji su na fizički različitim i međusobno dovoljno udaljenim lokacijama.

SAŽETAK:

Sam RAID sustav u poslužitelju s jednim ili više mikroprocesora nije dovoljna pretpostavka za sigurno ili brzo skladištenje velike količine podataka ili njihovu obradu. U tu svrhu učinkovitija je vrlo brza lokalna mreža računala povezanih u CLUSTER (skupinu - grozd), koji se prema korisniku prezentira kao jedan ENTITET i u osnovi se njegovim resursima upravlja s jednog mjesta. Cilj povezivanja je osiguravanje veće dostupnosti i pouzdanosti (High Availability - HA) ili većih performansi (High Performance Computing - HPC) u odnosu na samostalno računalo, a razultat je super-računalo. Specifična programska potpora daje visok stupanj integracije računala (čvorova u cluster-u), omogućava njihov koordinirani zajednički rad i pretvara ih u jedinstven višeprocesorski sustav. Cluster je obično baziran na jednoj vrsti OS-a (Windows, Linux ...) i fizički se realizira kao skupina od barem dva računala ili poslužitelja ili izmiješano. Na taj način moguće je osigurati korištenje značajnih računalnih resursa u svrhu zahtjevnih obrada podataka, na primjer u sklopu znanstveno-istraživačkih projekata. Pošto se radi o skupini računala koja individualno imaju ograničenu fizičku proširivost resursa, fizička proširivost cluster-a puno je veća od proširivosti računala kao jedinke. Povećanje broja računala u cluster-u skoro u istom postotku znači i porast njegovih performansi. Kada se posebnim tehnologijama povezivanja ovakvi nezavisni cluster-i povežu u mrežu i grupiraju u svrhu dobivanja sustava za skupljanje i obradu velike količine podataka ili rješavanje vrlo kompleksnih zadaća (vremenska prognoza, predviđanje potresa i drugo), dobije se GRID - opet mreža ali objedinjena po ZADAĆI kojoj performanse njenih čvorova, OS-a čvorova ili način upravljanja resursima pojedinih čvorova nisu bitnu.

No čini se da vrijeme diskova s rotirajućim pločama prolazi. Tehnologija, mada još uvijek skupa, zasnovana na flash memoriji, polako prodire u uporabu i zamjenjuje standardne elektro-mehaničke diskove. Takvi 'disk-ovi' nazivaju se SSD (Solid-State Drive), brzina zapisivanja i čitanja je otprilike dvostruko veća nego kod klasičnih diskova uz 10 puta manju potrošnju električne energije. Dakle, nema pokretnih mehaničkih dijelova. Osnovna uporaba je u prijenosnim uređajima gdje se koriste jedinice kapaciteta 32 GB i veće.

Slika*** 3.3.18 SSD disk. ( + / - )

Nije nužno da oblik bude kao na prethodnim slikama. Izvedbe bez kućišta sigurno će zauzimati manje mjesta, što je za prijenosna računalo bitno. Osim navedenog, od značaja je i veća pouzdanost u odnosu na klasične diskove bilo da se razmatra kao mehanička ili elektronička otpornost na kvar. No bez obzira što donosi budućnost, rotirajući disk i magnetska traka neće tako brzo u 'mirovinu'. Dapače, realizacija tvrdog diska velikog kapaciteta uz standardnu SDRAM međumemoriju koristi FLASH memoriju u koju se kopira veća količina podataka s diska kako bi im dostupnost bila brža - SSHD (Solid-State Hybrid Drive).