AVISO IMPORTANTE ESTE CONJUNTO DE SLIDE DE NINGUNA

AVISO IMPORTANTE • ESTE CONJUNTO DE SLIDE DE NINGUNA MANERA PRETENDE SER UN APUNTE DE CLASE, O DE LECTURA VALIDA PARA APROBAR UN EXAMEN PARCIAL EN SU PARTE TEORICA. • ESTE CONJUNTO DE SLIDE SIMPLEMENTE PRETENDE SER UNA GUIA DE AQUELLOS TEMAS VISTOS EN CLASE, DESTINADO A AQUELLOS QUE BAJO ALGUNA RAZON NO ASISTEN A LA CLASE TEORICA Y PUEDAN VER LOS TEMAS QUE SE DAN. • ACLARADO EL TEMA, PUEDEN CONTINUAR.

Organización de Computadoras Universidad Nacional de Luján Prof. José Luis Caero Memoria de Almacenamiento Masivo

DISCOS RIGIDOS Un disco duro es un dispositivo que permite el almacenamiento y recuperación de grandes cantidades de datos. Los discos duros forman el principal elemento de la memoria secundaria de una computadora, llamada así en oposición a la memoria principal o memoria RAM Además, presentan importantes diferencias: la memoria principal es volátil (su contenido se borra al quitar el suministro de energía), muy rápida (se trata de componentes electrónicos) pero de capacidad reducida. La memoria secundaria, en cambio no es volátil, menos rápida (componentes mecánicos), de gran capacidad y de forma permanente.

Estructura física Elementos de un disco duro • La unidad es un conjunto de componentes electrónicos y mecánicos que hacen posible el almacenamiento y recuperación de los datos en el disco. • El disco es, en realidad, una pila de discos, llamados platos, que almacenan información magnéticamente. Cada uno de los platos tiene dos superficies magnéticas: la superior y la inferior. Estas superficies magnéticas están formadas por millones de pequeños elementos capaces de ser magnetizados positiva o negativamente. De esta manera, se representan los dos posibles valores que forman un bit de información (un cero o un uno).

Funcionamiento del disco Cada superficie magnética tiene asignado uno de los cabezales de lectura/escritura de la unidad. Entonces habrá tantos cabezales como caras tenga el disco duro. El conjunto de cabezales se puede desplazar linealmente desde el exterior hasta el interior de la pila de platos mediante un brazo mecánico que los transporta. Por último, para que los cabezales tengan acceso a la totalidad de los datos, es necesario que la pila de discos gire a velocidad constante.

Tal y como sale de fábrica, el disco duro no puede ser utilizado por un sistema operativo. Antes tenemos que definir en él un formato de bajo nivel, una o más particiones y luego hemos de darles un formato que pueda ser entendido por nuestro sistema de archivo (Sistema Operativo).

Organización de datos a bajo nivel físico o Surcos en anillos concéntricos o Huecos entre surcos o Velocidad angular constante o Surcos divididos en sectores o El tamaño mínimo es un bloque de 512 byte

Controladores para Discos Rígidos o Implementación por SOFTWARE o El Sistema Operativo gestiona los discos del conjunto a través de una driver de disco normal con interface IDE/PATA, Serial ATA, SCSI, etc. o Implementación por HARDWARE o Controladora RAID (arreglos de discos con redundancia) o Mayor rendimiento en lectura y frente a fallas o Los discos son del tipo “Hot Swapping”

Disco rígido: cabezal y electrónica

Tiempos asociados al disco rígido Tiempo de búsqueda Tiempo que tarda la cabeza en posicionarse en la pista a leer Retardo rotacional (o Latencia rotacional) Tiempo que el controlador del disco espera hasta que el sector buscado rote hasta alinearse con la cabeza Tiempo de Acceso Tiempo de búsqueda + Retardo rotacional Tiempo de transferencia de datos Tiempo de lectura o escritura con la cabeza posicionada

Tiempo medio de acceso total Ta: Ts + Tr + Tt Ta: (m x n + s) + ( 1/2 v) + (b/v. N) Ts: Tiempo de búsqueda Tr: Retardo rotacional Tt: Tiempo de transferencia Ts: Tiempo de búsqueda estimado m: constante que depende del disco n: numero de pistas atravesadas s: Tiempo de comienzo de la búsqueda

Otras demoras • En general asociadas con las operaciones de E/S del sistema • Cuando un proceso hace una petición de E/S tiene que esperar que el dispositivo este disponible • Recién en ese momento se comienza la búsqueda de la información

RAID: Redundant Array of Independent Disks • Existen 6 tipos diferentes de los cuales 3 en uso • No jerárquicos • El set de discos se ve desde el sistema operativo como un sólo disco • Los datos se distribuyen a través de los diferentes. • Pueden usar redundancia para almacenar información de paridad

Vista del RAID como un único Disco Lógico

RAID 0 • • Sin redundancia Datos diseminados a través de todos los discos La distribución es del tipo “round robin” Incrementa la velocidad – El requerimiento de múltiples datos probablemente no estén almacenados en el mismo disco – Los distintos discos se buscan y leen en paralelo – Un bloque de datos se distribuye entre distintos discos

RAID 1 • Discos espejados • Los datos se distribuyen a través de distintos discos • Se realizan 2 copias de cada bloque en discos separados • Se leen desde cualquiera de ellos • Se escribe en ambos • La recuperación es muy simple • Caro

RAID 2 • Los discos están sincronizados • Bloques muy pequeños • Comúnmente palabras o bytes únicos • Corrección de errores calculados a través de los bits correspondientes en los discos • Múltiples discos de paridad almacenan códigos de error de Hamming • Mucha redundancia • Caro • No se usa

RAID 3 • Similar a RAID 2 • Un solo disco redundante, sin importar el tamaño del array • Los datos en los discos que fallan se pueden reconstruir de los datos sobrevivientes e información de paridad • Muy altas transferencias de datos

RAID 4 • • • Cada disco opera independiente Bueno para grandes requerimientos de E/S Largos bloques de datos Paridad bit a bit se calcula en cada disco La paridad se almacena en discos de paridad

RAID 5 • Similar a RAID 4 • Paridad distribuida a través de todos los discos • Usada normalmente en servidores de red

RAID 1 RAID 0 RAID 5

RAID CATEGORIA NIVEL DESCRIPCION GRADO DE E/S SOLIC ITADO ENTRADA/SALIDA GRADO DE TRANSFERENCIAS DE DATOS APLICACION TIPICA ENTRADA/SALIDAS Estructura en tiras 0 No redundante Tiras largas EXCELENTE Tiras cortas EXCELENTE Aplicaciones que requieren altas prestaciones con datos no críticos Estructura en espejo 1 Espejo BUENO / REGULAR Controladores de sistemas; Ficheros críticos Acceso paralelo 2 Redundancia con código Hamming POBRE EXCELENTE 3 Bit de paridad intercalado POBRE EXCELENTE 4 Bloque de paridad intercalado EXCELENTE / REGULAR EXCELENTE / POBRE 5 Paridad distribuida en bloques intercalados EXCELENTE / REGULAR EXCELENTE / POBRE Grado de petición alto, lectura intensiva, consulta de datos 6 Paridad distribuida dual en bloques intercalados EXCELENTE / REGULAR EXCELENTE / POBRE Aplicaciones que requieren alta disponibilidad Acceso independiente Aplicaciones con numerosas E/S (ej, CAD)

Almacenamiento de estado sólido • El almacenamiento de estado sólido (SSS) es un dispositivo formado por circuitos integrados para almacenar datos en lugar de utilizar soportes ópticos o magnéticos móviles. El almacenamiento SSS suele ser no volátil y puede tomar varias formas, como una unidad de estado sólido, una tarjeta de estado sólido o un módulo de estado sólido. • Las unidades de estado sólido (SSD) utilizadas son dispositivos de almacenamiento de datos que utilizan tecnología de memoria flash estática. • Las unidades SSD son compatibles con las interfaces de disco duro tradicionales, como SATA o SAS, y tienen un formato de disco duro familiar, como 3, 5; 2, 5 o 1, 8 pulgadas.

Almacenamiento de estado sólido • Diferencia entre una unidad flash USB y una unidad de estado sólido Tanto unas como otras utilizan memoria flash NAND. No obstante, es la calidad de la NAND usada, así como el controlador y la interfaz, lo que diferencia unidad flash USB de un dispositivo de almacenamiento de clase empresarial, como los empleados en los servidores blade y los sistemas de almacenamiento externo. • ¿Qué es la memoria flash? La memoria flash es una memoria no volátil regrabable. Al contrario que la DRAM, es necesario borrar bloques de datos antes de poder escribir en ellos, lo que hace que el rendimiento de escritura sea menor que el de lectura. La memoria flash sólo admite un número finito de escrituras y el número varía según la tecnología utilizada.

Almacenamiento de estado sólido La memoria flash está disponible como NAND o NOR. Los SSD utilizan la memoria flash NAND porque es más duradera, menos cara, sus celdas son más densas y las operaciones de escritura/borrado son más rápidas en comparación con la memoria flash NOR. La memoria flash NOR está diseñada para almacenar el código binario de programas y tiene un alto rendimiento en operaciones de lectura. • ¿En se diferencian la tecnología NAND SCL y la MLC? La memoria flash NAND usa tecnología de celda de único nivel (SLC: inglés Single-Level Cell) o de celda de varios niveles (MLC, Multi-Level Cell). NAND SLC almacena un bit por celda y tiene una gran duración (50. 000 escrituras por celda). NAND MLC utiliza dos bits por celda (por lo que ofrece una mayor capacidad) pero se desgasta más rápido que NAND SLC (aproximadamente un décimo de la duración de la SLC). Las memorias flash NAND de 3 bits por celda (unas 1. 000 escrituras permitidas) y de 4 bits por celda (algunos cientos de escrituras permitidas) están destinadas a aplicaciones con un número muy limitado de escrituras.

¿En qué se diferencian las unidades SSD y las unidades de disco duro? • Las unidades SSD son dispositivos de almacenamiento que utilizan chips de memoria estáticos, principalmente memoria flash NAND no volátil, en lugar de los discos magnéticos giratorios de las unidades de disco duro. Las unidades de disco duro pueden tomar datos directamente del host y grabarlos en el soporte giratorio. Por el contrario, las unidades SSD no pueden grabar ni un bit de información sin borrar primero y regrabar después grandes bloques de datos a la vez. • Dado que las unidades SSD y las unidades de disco duro ofrecen diferentes ventajas en cuanto a eficacia, se complementan entre ellas y pueden coexistir. Las unidades SSD ofrecen un acceso a datos aleatorio ultra rápido (entradas/salidas por segundo o IOPS, rendimiento), bajo consumo de energía, pequeño tamaño y alta resistencia física (debido a la ausencia de piezas móviles), pero son más caras. Las unidades de disco duro proporcionan acceso a datos rápido con alta capacidad, resistencia y fiabilidad a mucho menor precio.

Almacenamiento de estado sólido • • • ¿Qué es la nivelación del desgaste? La nivelación del desgaste es el proceso que usa un controlador de una unidad SSD para maximizar la vida de la memoria flash, ésta técnica nivela el desgaste distribuyendo la escritura de datos por los dispositivos flash. ¿Cuáles son los retos que deben afrontar las unidades SSD? Hay tres preocupaciones básicas relacionadas con la adopción de unidades SSD en la empresa: duración y fiabilidad, falta de estándares en el sector y elevados costos. Preocupaciones sobre la duración y la fiabilidad Las unidades SSD se desgastan con el tiempo. En la memoria flash NAND sólo se puede escribir un determinado número de veces en cada bloque (o celda). La memoria SLC normalmente admite 50. 000 ciclos de programación/borrado, mientras que la memoria MLC suele admitir diez veces menos a 5. 000 ciclos. Cuando se ha escrito en un bloque (o celda) hasta su límite, el bloque comienza a olvidar lo que tiene almacenado y los datos pueden resultar dañados.

Almacenamiento de estado sólido • Falta de estándares • Las unidades SSD almacenan los datos de forma diferente a las unidades de disco duro; por tanto, los estándares utilizados por las unidades de disco duro, cuya eficacia se ha probado durante largo tiempo, no se aplican de igual forma cuando se trabaja con la tecnología flash NAND. Seagate encabeza activamente el desarrollo de estándares del sector de SSS a través de organizaciones como JEDEC y SNIA para fomentar la adopción de unidades SSD en las empresas. • Altos costos • A la fecha (2010), el costo de la memoria SLC es unas tres veces superior al de la memoria MLC debido a dos factores. Primero, NAND MLC almacena dos bits de datos por celda y puede ofrecer el doble del almacenamiento por milímetro cuadrado de silicio. Segundo, el volumen de MLC es aproximadamente el 90% de toda la memoria flash NAND, lo que aumenta aún más el ahorro de escala en su producción.

Funcionamiento de una unidad SSD • La unidad SSD está formada por bloques y cada uno de los bloques se subdivide en páginas. La unidad mínima de escritura es una página mientras que la unidad mínima de borrado es un bloque. Por lo tanto los datos se pueden escribir dentro de una o varias páginas vacías, pero únicamente un bloque entero puede ser borrado. Ejemplo: los datos de un archivo se almacenan en las páginas A, B, C y D del bloque X, con el tiempo se crea un nuevo archivo que se almacena en las páginas E, F, G y H. A posteriori el contenido del archivo almacenado en las páginas A, B, C y D del bloque X varia y como las unidades SSD no permiten la reescritura de páginas sin que antes se hayan borrado lo que pasará es que las páginas A, B, C y D del bloque X se marcaran como inválidas en el sistema de archivos y se escribirán las nuevas páginas A’, B’, C’ y D’ que contendrán el contenido modificado del primer archivo. Por lo tanto, en esto momentos tenemos el bloque X lleno y los bloques A, B, C y D estarán ocupando espacio útil que no podemos usar hasta que borremos la totalidad del bloque X.

Funcionamiento de una unidad SSD • Proceso de borrado de un bloque en un SSD • Para que poder recuperar el espacio de las páginas A, B, C y D se copiará el contenido válido del bloque X al bloque Y. Entonces se podrá borrar el contenido entero del Bloque X. Hay que recordar que el tamaño mínimo de borrado de una unidad SSD es un bloque. • La función del soporte TRIM en la unidad SSD • En el proceso descrito anteriormente, TRIM informa de los bloques y páginas que pueden ser borrados a la controladora de la unidad SSD. • Si en el ejemplo del apartado anterior no dispusiéramos de TRIM, la unidad SSD vería el siguiente escenario =>

Funcionamiento de una unidad SSD • El escenario real con el soporte TRIM seria el siguiente = • Por lo tanto, sin TRIM la unidad SSD pensará que tenemos multitud de bloques y páginas ocupados que realmente no lo están. Frente a este escenario, cuando la unidad SSD se quede sin espacio iniciará un proceso de varias lecturas para encontrar bloques que no estén en uso. Cuando encuentre un bloque contenido inválido lo tendrá que borrar y a posteriori escribir el nuevo contenido. Por lo tanto producirá Decremento del rendimiento y Disminución de la vida de la unidad SSD por realizar multitud de lecturas y escrituras que con TRIM se podrían evitar. TRIM informa de los bloques/páginas con datos almacenados que se pueden borrar a la controladora del SSD. De este modo, los bloques que pueden ser borrados se eliminan de una sola vez evitando lecturas excesivas y pérdida de rendimiento con el paso del tiempo.

Algunos Links • https: //www. youtube. com/watch? v=w 3 uwpu. NY-Ww • https: //www. youtube. com/watch? v=q. Xju. Vxl. Vyfc 32