Festplattenformate und RAID

Vorstellung
Thema:
„Festplattenformate & RAID Systeme“
WS 2004 / 05
Gruppe:
Florian Pöhr
Anselm Ruby
Christoph Lugstein
Andreas Hauser
Übersicht
Festplattenformate
- Aufbau einer Festplatte
- Allgemeines über Dateisysteme
- NTFS
- ext2, ext3
- FAT
- HFS, HFS+
RAID Systeme
- Allgemeines
- RAID Levels
Aufbau einer Festplatte – C/H/S
C/H/S (Cylinder/Head/Sector)
Cylinder:
Alle Spuren die parallel
übereinander liegen
Head:
Lese- und Schreibkopf
Sector:
Kleinste adressierbare
Zuordnungseinheit: 512 Byte
Alle Spuren haben gleich viele Sektoren.
Aufbau einer Festplatte – LBA
LBA (Logical Block Adress)
Zone:
Mehrere Spuren werden zu
Zonen zusammengefasst.
Alle Spuren in einer Zone
haben gleich viele Sektoren.
Spuren unterschiedlicher
Zonen haben unterschiedlich
viele Sektoren
Strukturierung: Festplattenformate
Aufbau
- Allgemeines
- Grobe Übersicht von:
- ext 2, ext 3
- NTFS
- FAT 12 / 16 / 32
- HFS / HFS+
Allgemeines zum Dateisystem
Was ist ein Dateisystem
- System um Daten in Form von Dateien auf einem
Computersystem zu speichern und zu verwalten.
- Grundstruktur auf Datenträger
Unterschiedliche Dateisysteme
- Hierarchische Dateisysteme
- Netzwerkdateisysteme
- Datenbank- Dateisysteme
Allgemeines - Sichtwinkel
Dateisystem aus User-Sicht
- Benennen von Daten
- Schutz von Daten
- max. Größe von Daten
- def. Operationen (open, close, create…)
Dateisystem aus Betr.Sys.-Sicht
- Wie wird freier Speicher verwaltet?
- Welche Blockgröße wird verwendet?
- Unterstützen anderer Dateisysteme?
Allgemeines
Aufteilung des Massenspeichers
Dateisystem unterteilt Massenspeicher.
Aufteilung eines simplen Dateisystems
| Boot | Beschreibungsblöcke | Freiliste | Blöcke mit Files & Verzeichn. |
Allgemeines
Gemeinsamkeiten der Dateisysteme
- Für bestimmte(s) Betriebssystem(e)
- Hierarchischer Aufbau (root…)
- Separierung: Verwaltung, Daten
- Formatierung der gesamten Partition
Unterschiede (grob) in
- Aufteilung der Partition / -sblöcke
- Wie werden Verwaltungs- / Benutzerdaten
gespeichert.
ext2 - Second Extended File System
Aufteilung der Partition:
Gruppengröße: 128 MB
Gruppe im Detail:
Superblock: Kopie des Superblocks des Dateisystems
(Blockgröße, #Inodes, #Datenblöcke, Status d. Dateisystems…)
Gruppen Deskriptoren: rel. Lage d. Bitmaps / Inode Tabellen
Bitmaps: Welche Blöcke/Inodes sind frei (0) bzw. belegt (1)
Inode: Speicherung der Verwaltungsdaten eines Objekts
Block: 1-4 KB groß.
ext2 - inode
Der Index-Knoten „inode“
(128 Byte)
Zeiger verweist auf
einen Block des Objekts
indir. Link benötigt: 4B
Jeder Block der Datei ist erreichbar,
max. Größe der Datei ist von Blockgröße/Zeiger abhängig.
Anzahl der Zeiger ist von Dateigröße abhängig.
ext2  ext3
Systemstatusinformation bei ext2
„not clean“: „mount“ durchgeführt
„clean“: nach erfolgreichem „unmount“
Fehler / Absturz  Alle Daten müssen überprüft werden.
Journaling File System
Mitprotokollieren aller bearbeiteten Dateien.
Nach Systemabsturz müssen nur noch diese untersucht
werden.
NTFS New Technology File System
Aufteilung der Partition:
Boot Sektor:
Beinhaltet BIOS Parameter Block mit Informationen über das Layout,
Dateisystem-Struktur, Boot-Code…
Master File Table (MFT):
Verwaltungsdaten aller Dateien der aktuellen Partition (relationale Datenbank).
File System Data:
Die eigentlichen Daten/Dateien.
Master File Table Copy:
Kopie des MFT zur System-Rettung. (Original beschädigt)
NTFS New Technology File System
Die Master File Table
- erste 16 Einträge für besondere Informationen
(über MFT selbst, Position der Kopie…) reserviert
- relationale Datenbank (Zeilen: Dateien, Spalten: Attribute)
- sämtliche Informationen über alle Objekte des Datenträgers
- benötigt autom. 12.5% des Datenträgers (MFT zone)
(Standard Größe kann eingestellt werden
MFT zone wird bei Bedarf vergrößert / verkleinert, je nach Art
der Daten welche sich auf Datenträger befinden )
- kleine Dateien (bis 1500 Bytes) stehen direkt in der MFT
FAT (File Allocation Table)
FAT ist eine verkettete Liste in einem Speicherbereich
einer Partition, in dem Informationen zu jedem Cluster
der Partition stehen.
FAT (File Allocation Table)
Informationen können sein:
- Der Cluster ist nicht belegt:
- der Cluster ist frei.
- die Partition ist an der Position dieses
Clusters beschädigt.
- Der Cluster ist von einer Datei belegt:
- der nächste Cluster der Datei ist der
Cluster Nummer X
- dies ist der letzte Cluster der Datei
FAT (File Allocation Table)
FAT-Dateisysteme:
FAT12
Für DOS- und Windows-Disketten
FAT16
In mobilen Datenträgern mit weniger als 2 GB Kapazität
FAT32
In mobilen Speichern von mehr als 2 GB Kapazität
FAT16
Merkmale:
- Es können 216 (= 65.536) Cluster adressiert werden
- Partitionsgröße auf 2 GB beschränkt
- Cluster sind je nach Partitionsgröße zwischen 512 Byte
und maximal 32 KB groß
- Dateien dürfen bis 2 GB groß sein
- Root-Verzeichnis muss sich an einer bestimmten
Position auf dem Datenträger befinden
FAT32
Merkmale:
- Es können 232 (= 4.294.967.296) Cluster adressiert
werden
- Lange Dateinamen (bis 255 Zeichen)
- Partitionsgröße auf 2 TB begrenzt
- Dateien dürfen bis 4 GB groß sein
- Windows 98/2000/XP, FreeDOS, Linux und Macintosh
HFS, HFS Plus
Jedes Objekt erhält eine eindeutige ID-Nummer und die ID
des Ordners, indem es gespeichert ist.
Daraus lässt sich eine Verzeichnishierarchie generieren.
HFS, HFS+
Feature
HFS
HFS+
Anzahl der
allocation
blocks
16 bit
32 bit
Lange
Dateinamen
31 Zeichen
255 Zeichen
Dateiattribute
Fixe Länge der Attribute
Erweiterte Metadaten
Maximale
Dateigröße
231 Bytes
263 Bytes
HFS - Festplattenaufbau
Startblock
Volume- Information
Volume- Bitmap
Bereichs- B- Baum
Katalog- B- Baum
Datenbereich
RAID - Redundant Array of Inexpensive /
Independent Disks
Was ist ein RAID-System?
Zusammenschluss mehrerer Festplatten zu einem
logischen Laufwerk
Vorteile eines RAID-Systems
- Datensicherheit erhöhen
- Leistung gegenüber einer einzelnen
Festplatte steigern
- Kapazität eines logischen Laufwerks erweitern
Allgemein
Geschichte:
- 1987 veröffentlichten D. A. Patterson, G. Gibson und
R. H. Katz von der University of California, Berkeley
„A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks“
- Seit 1992 erfolgt eine Standardisierung durch das
RAB (RAID Advisory Board). (ca. 50 Hersteller)
RAID Level:
- Der RAID Level gibt die Art der Festplattenarrays an
- RAID Levels sind standardisiert
Allgemein
Soft-RAID:
- Das Betriebssystem simuliert ein logisches
Laufwerk durch Kombination von Festplatten.
- Mögliche RAID-Levels hängen vom BS ab.
- Ist meistens sehr CPU-lastig.
Hard-RAID:
- Ein RAID Controller (HW) fasst mehrere Festplatten
zu einem logischen Laufwerk zusammen.
- Mögliche RAID-Levels hängen vom Controller ab.
RAID Level 0 - Striping
Daten werden in 4–128 kB
große Blöcke zerlegt und auf
zwei oder mehrere Festplatten
verteilt.
Vorteile:
- Sehr hohe Transferrate
- Kapazität aller Festplatten
voll nutzbar
Nachteile:
- gesteigertes Datenverlustrisiko
RAID Level 1 –
Mirroring/Duplexing
Daten werden auf zwei oder
mehreren Platten identisch
gespeichert
Vorteile:
- Sehr hohe Datensicherheit
- Sehr gute Lesetransferrate
Nachteile:
- Nur die Kapazität der
kleinsten Festplatten ist nutzbar
RAID Level 10 – Striping & Mirroring
Daten werden auf zwei oder
mehreren Platten verteilt und
identisch gespiegelt.
Vorteile:
- Sehr hohe Datensicherheit
- Sehr gute Transferrate
Nachteile:
- Nur die Kapazität des
kleineren Stripesets ist nutzbar
RAID Level 2
- Erweiterung der Daten mittels Hamming-Algorithmus
(ECC - Error Correction Code).
- Bitweise Verteilung der Daten auf alle Festplatten.
Vorteile:
- Datensicherheit, einzelne Bitfehler können erkannt und
korrigiert werden.
Nachteile:
- Viel Kapazität wird für ECC verwendet.
- Hoher Rechenaufwand.
- Überholt, da moderne Festplatten intern ECC benutzen.
RAID Level 2
Festplatten:
Daten:
ECC:
3
1
2
5
2
3
6
3
3
7 9
4 5
3 4
10
6
4
11
7
4
12
8
4
RAID Level 3
- Daten werden byteweise auf den Festplatten verteilt.
- Auf einer zusätzlichen Festplatte wird jeweils die
Parität gespeichert.
- Ein Zugriff auf das logische Laufwerk ist immer ein
Zugriff auf alle Festplatten
Vorteile:
- Kein Datenverlust bei Ausfall einer einzelnen Festplatte.
- Durch das „Stripen“ der Daten sehr schnell.
- Wenig redundante Information ist nötig.
Nachteile:
- Hoher Rechenaufwand.
RAID Level 4
- Daten werden blockweise (8, 16, 64 oder 128 KByte)
auf die Festplatten verteilt.
- Auf einer zusätzlichen Festplatte wird jeweils die
Parität gespeichert.
Vorteile:
- Kein Datenverlust bei Ausfall einer einzelnen Festplatte.
- Sehr gute Lesetransferrate.
- Wenig redundante Information ist nötig.
Nachteile:
- Schlechte Schreibtransferrate.
RAID Level 3 & 4
Redundanz:
1
F
e
s
tp
la
tte
n
Beispiel: 5 Festplatten à 60 GB
Brutto: 300 GB
Netto: 240 GB
RAID Level 5
- Daten werden blockweise auf die Festplatten verteilt.
- Die Festplatte, auf welche die Parität gespeichert wird,
wechselt immer.
Vorteile:
- Kein Datenverlust bei Ausfall einer einzelnen Festplatte.
- Sehr gute Schreibtransferrate.
- Wenig redundante Information ist nötig.
Nachteile:
- Sehr komplexe (intelligente) Controller nötig.
RAID Level 5
Redundanz:
1
F
e
s
tp
la
tte
n
Beispiel: 5 Festplatten à 60 GB
Brutto: 300 GB
Netto: 240 GB
RAID Level 30, 50, 51, JBOD
Level 30: 3 & 0
Striping von zwei identischen Level 3 Arrays
Level 50: 5 & 0
Striping von zwei identischen Level 5 Arrays
Level 51: 5 & 1
Ein Array Level 5 auf ein identisches gespiegelt.
JBOD: Just A Bunch Of Disks
- Ein Array mehrerer verschiedener Festplatten.
- Keine Redundanz, kein Geschwindigkeitsvorteil.
Abschließend: RAID Matrix
- Zwei Festplatten werden in je zwei Partitionen geteilt.
- Die Partitionen der einen Festplatte müssen mit den
Partitionen der anderen übereinstimmen.
- Spiegeln der einen, Striping der anderen Partition
(zwei logische Laufwerke)
Vorteile:
- Ein sicheres und ein schnelles
logisches Laufwerk mit
nur zwei Festplatten.
Nachteile:
- Zugriffe behindern
sich gegenseitig.
ENDE
Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!
Quellenangaben
http://www.zdnet.de/enterprise/server/0,39023275,39119381,00.htm
http://www.speicherguide.de/magazin/special0903.asp?theID=121
http://www.hardwareluxx.com/guides/raid01.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/RAID
http://www.icp-vortex.com/german/download/pdf/raid_d.pdf
http://www.stardom.com.tw/storage-b.htm
http://www.acnc.com/04_00.html
http://www.certifiednets.com/walter/articles/raid.html
http://www.linuxfibel.de/filesys.htm
http://www.operating-system.org/betriebssystem/_german/w-dateisys.htm
http://www.tfh-berlin.de/~s17048/bs/ntfs/ntfs_mft.htm
http://www.ntfs.com
…
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