SEMESTERARBEIT – CT2

SEMESTERARBEIT – CT2
MUHAMMET CAGLAK
THOMAS BERCHTOLD
KLASSE O1B
SEMESTERARBEIT CT2
Inhaltsverzeichnis
1
2
3
4
5
Aufbau und Funktionsweise .................................................................................. 4
1.1
Mechanisches-/Elektronisches Funktionsprinzip ........................................... 4
1.1.1
Blockschaltbild ........................................................................................ 5
1.2
Verfahren der magnetischen Aufzeichnung................................................... 5
1.3
Logisches Funktionsprinzip ............................................................................ 6
1.3.1
Einteilung in Spuren, Sektoren, Clusters und Cylinders......................... 6
1.4
Adressierungsverfahren ................................................................................. 6
1.4.1
LBA.......................................................................................................... 7
1.4.2
CHS......................................................................................................... 7
1.5
Dateisysteme.................................................................................................. 7
1.6
Interfaces........................................................................................................ 7
1.6.1
IDE (Integrated Device Electronic) oder ATA-1 ...................................... 7
1.6.2
EIDE oder ATA-2 .................................................................................... 8
1.7
RAID ............................................................................................................... 8
1.7.1
Vorteile von Raid..................................................................................... 8
1.7.2
Anforderung an die Festplatte................................................................. 8
1.7.3
Raid-Level ............................................................................................... 9
1.7.4
Software vs. Hardware-Raid ................................................................. 10
1.7.5 Auswahlkriterien für RAID......................................................................... 11
Leistungsmerkmale/Kenngrössen, Standards, Normen...................................... 11
2.1
Technische Kenngrössen............................................................................. 11
2.1.1
Geschwindigkeit .................................................................................... 11
2.1.2
Speicherkapazität.................................................................................. 13
2.1.3
Interface Geschwindigkeit..................................................................... 13
2.1.4
Lebensdauer ......................................................................................... 14
2.2
Normen/Standards ....................................................................................... 14
2.2.1
Gremien................................................................................................. 14
2.2.2
ATA-Spezifikationen.............................................................................. 15
2.2.3
Gehäuse-Abmessungen ....................................................................... 15
Klima und physikalische Umgebung ................................................................... 16
3.1
Physikalische Umgebung ............................................................................. 16
3.1.1
Schallpegel............................................................................................ 16
3.1.2
Erschütterung........................................................................................ 16
3.2
Klima............................................................................................................. 16
3.2.1
Betriebstemperatur................................................................................ 16
3.2.2
Luftfeuchtigkeit ...................................................................................... 16
3.2.3
Lagerung/Aufbewahrung....................................................................... 16
3.2.4
Klimaänderungen .................................................................................. 17
Typenübersicht und Einsatzgebiete, weitere magnetische Speichergeräte ....... 17
4.1
Bernoulli........................................................................................................ 17
4.2
Disketten....................................................................................................... 17
4.3
Zip-Laufwerk................................................................................................. 17
Installation/Wartung ............................................................................................. 18
5.1
Tools ............................................................................................................. 18
5.1.1
Partitionierer .......................................................................................... 18
5.1.2
Firmware ............................................................................................... 18
5.2
Fehler, Störungen, Reparatur ...................................................................... 18
5.3
Mechanische Installation .............................................................................. 19
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5.3.1
Einbauarten ........................................................................................... 19
5.3.2
Einbaulage ............................................................................................ 19
5.3.3
Verkabelung .......................................................................................... 19
5.4
Einstellen der Parameter.............................................................................. 19
5.4.1
Einstellung des Controllers/BIOS.......................................................... 19
6 Zukünftige Entwicklung........................................................................................ 19
7 Glossar................................................................................................................. 20
8 Quellenverzeichnis .............................................................................................. 20
Vorwort
Liebe Leser, Liebe Leserinnen
Magnetische Massenspeicher sind heute nicht mehr weg zu denken. Es gibt bis anhin noch
keine vergleichbare, Alternativlösungen zur Aufnahme und Speicherung grosser Datenmengen.
Wir wollen euch in dieser Dokumentation das Wesentlichste über dieses grosse und sich
rasant ändernde Gebiet vermitteln. Wir zeigen die grundsätzliche Funktionsweise von Festplatten an IDE- Geräten auf, da sie die grösste Verbreitung haben und SCSI aus den Standardanwendungsgebieten immer mehr verdrängen.
In unserem Zeitalter der Kommunikation und Datenverarbeitung fallen immer grössere Datenmengen an und der Wert der Informationen steigt stetig. Deshalb setzen wir auch einen
Fokus auf RAID, um aufzuzeigen wie man bei Festplatten die Daten- und Ausfallsicherheit
steigern kann. Datensicherheit hängt aber noch von etlichen anderen Faktoren ab; RAID ist
nur ein kleines Teil im Puzzle.
Viel Spass wünscht euch
Muhammet Caglak, Thomas Berchtold
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1
Aufbau und Funktionsweise
In diesem Kapitel werden wir die Grundlagen von magnetischen Speicher- Geräten aufstellen. Hauptsächlich betrachten wir die Festplattenlaufwerke. Das Prinzip der magnetischen
Aufzeichnung lässt sich aber auch auf andere magnetische Speichergeräte abbilden, die im
Kapitel 4 aufgezeigt werden.
1.1 Mechanisches-/Elektronisches Funktionsprinzip
Das Speichermedium einer Festplatte besteht aus ein bis 12 Platten (A) aus Aluminium, Keramik oder Glas, die beidseitig mit hochfein polierten Metalloxiden beschichtet sind. Die binären Daten werden durch umpolen der feinen magnetischen Elemente auf der Platte abgelegt.
Die Platten sind auf einer Spindel (B) exakt zentriert und gelagert. Die Spindel wird durch
einen drehzahl- überwachten Elektromotor (C) betrieben, der den Plattenstapel auf 5400,
7200, 10000 oder sogar 15000 U/min beschleunigt.
Pro Plattenoberfläche gibt es jeweils einen beweglichen Arm (Aktuator) (D), ähnlich wie bei
Plattenspielern, der die Schreib- und Leseköpfe (E) trägt. Die Köpfe gleiten auf einem Luftpolster in einem minimalen Abstand (1-2 Mikrometer) über die Magnetplatten. Der Arm mit
aufmontiertem Kopf wird heutzutage durch einen Servomotor (Linear-Motor) (F) bewegt, der
ein sehr schnelles, stufenloses Anfahren der gewünschten Kopf- Position erlaubt. In den Anfangsphasen der Festplatten wurden auch normale Schrittmotoren verwendet, mit denen
aber nur grosse Spurabstände möglich waren und die Genauigkeit der Positionierung bald
an Ihre Grenzen kam. Im Inneren der Festplatte dreht ein Elektromotor eine oder mehrere
Scheiben auf einer Achse mit 5400, 7200, 10000 oder sogar 15000U/min.
Alle diese Elemente sind in der HDA (Head Disk Assembly) (G) untergebracht. Die HDA wird
vom Hersteller in einer staub- und partikelfreien Umgebung versiegelt. Nur durch einen Luftfilter (H) kann ein Druckausgleich mit der Umwelt erfolgen. Die HDA ist heute meist ein Teil
des ganzen Gehäuse des Festplattenlaufwerkes und dient zur Aufnahme der übrigen Elemente; Die Laufwerksplatine (I) enthält alle nötigen logischen Bauteile der Festplatten und ist
durch eine flexible Datenleitung (J) mit den Schreib-/Leseköpfen verbunden. Auf der Hinterseite sind Strom- (K) und Datenanschluss (L) angebracht. Dort befindet sich ebenfalls eine
Jumper- Reihe (M) für die Konfiguration einiger Laufwerksparameter.
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1.1.1 Blockschaltbild
Daten- Schnittstelle
Die Datenschnittstelle stellt die Verbindung zum SCSI oder IDE- Controller her.
Cache- Speicher
Im Cache Speicher werden die Daten vom und zum
Controller gepuffert.
Daten- Seperator
Im Daten- Seperator werden die zusätzlichen Daten (Overhead), die vom Laufwerk intern verwendet
werden, von den Nutzdaten getrennt/ separiert.
ECC- Logik
Die ECC- Logik erkennt Lesefehler und kann sie je
nach dem direkt oder durch ein erneutes einlesen
des Sektors korrigieren.
Signal- Verstärker (Lese- Verstärker)
Der Lese- Verstärker hebt den Signalpegel der gelesenen Daten für die Weiterverarbeitung in der
Laufwerks-Logik an.
Schreib-/ Löschgenerator
Im Schreib-/ Löschgenerator werden die zu schreibenden Daten vorbereitet und dem Schreibkopf
übergeben.
Micro- Controller
Der Micro- Controller übernimmt die Überwachung der Elemente und kontrolliert deren Zusammenspiel.
1.2
Verfahren der magnetischen Aufzeichnung
Ein zurückgesetztes Bit (0) wird durch positive
Polarität repräsentiert und ein gesetztes Bit
(1) durch negative Polarität. Wenn aber zum
Beispiel 100 Einsen aufgezeichnet werden
sollen, erfolgt kein Polwechsel, oder anders
gesagt beim Schreiben weis man nicht, wo
ein Bit zu Ende ist, und wo das nächste Bit
beginnt. Deshalb benötigt man Aufzeichnungsverfahren. Das Problem ist aber, dass
jede zusätzliche Information (Takt, etc.) Speicherplatz verbraucht (Overhead). Ziel der
Aufzeichnungsverfahren ist es also möglichst
wenig zusätzlichen Speicherplatz zu belegen. Das sogenannte RLL- Aufzeichnungsverfahren wird bei aktuellen Festplatten eingesetzt. Dieses Verfahren erzeugt einen geringen
Overhead.
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1.3
Logisches Funktionsprinzip
1.3.1
Einteilung in Spuren, Sektoren, Clusters und Cylinders
Eine Festplatte muss physikalisch formatiert werden, um
überhaupt Daten speichern
zu können. Diese sogenannte „Low-Level-Formatierung“
wird bei den heutigen Festplatten in der Regel schon
vom Hersteller durchgeführt.
Die Daten auf einer Festplatte sind in Zylinder, Tracks
(Spuren) und Sektoren organisiert. Zylinder nennt man alle konzentrisch übereinanderliegenden Tracks auf den Magnetscheiben. Tracks wiederum beherbergen die einzelnen Sektoren, die normalerweise 512 Bytes fassen.
1.4
Adressierungsverfahren
IDE ist ursprünglich auf 63 Sektoren, Adressierungmöglichkeiten
Bios
16 Köpfe und 1024 Zylinder beIDE(mit
schränkt gewesen. Das ergibt 504
Schnittranststelle
'echte' Megabyte. Um ein Laufwerk
lation)
mit mehr als 1024 Zylindern zu ver- Bits für Zylinder
16
10
wenden, kann ein Adapter die Adres- Anzahl Zylinder
65536
1024
4
8
se auf 1024 Zylinder mit entspre- Bits für Köpfe
16
256
chend mehr Sektoren ummappen. Anzahl Köpfe
Eine zweite Kapazitätsgrenze kam Bits für Sektoren pro
8
6
Track
durch den Platteninterrupt INT 13h Anzahl Sektoren pro
255
63
und die Partitionstabellen FAT- Track
basierter Betriebssysteme zustande. Höchstmögliche Sekto267 386 16 515
880
072
INT 13h und die Partitionstabellen renzahl
8064
können 1024 Zylinder, 256 Köpfe und Resultierende Grössen
128 GB
MB
63 Sektoren verwalten. Das ergibt
eine maximale Kapazität von 8,4 (7,8) GB. Diese Kapazitätsgrenze hat sogar
Platten unter FAT-Systemen gegolten.
BIOS bis
1994 (ohne
translation)
10
1024
4
16
6
63
1 032 192
504 MB
für SCSI-
Die NCITS(National Committee on Information Technology) veröffentlichte eine unter dem
Titel BIOS Enhanced Disk Drive Specification Dokument. Dieser BIOS Standard legt fest,
dass das BIOS 264 Sektoren verwalten kann d.h. schlussendlich 9.4 Giga-Tera Byte!
Festplatte
BIOS
Keine
Translation(CHS)
BIOS-Translation
(Extended CHS, Large)
Umrechnung in Blöcke
Physische Geometrie
(nur Intern verwendet)
Logische
Geometrie
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Betriebssystem
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1.4.1
LBA
LBA ist eine übliche Methode der Adressierung bei Zugriffen auf die Festplatte, die das Ende
1995 vorherrschende C/H/S Verfahren abgelöst hat. LBA erlaubt es, die Köpfe, Zylinder und
Sektoren einer Festplatte auch unabhängig der physikalischen Ordnung anzusprechen. Diese Blocknummern werden vom Festplattencontroller errechnet und an das BIOS weitergegeben. LBA kann nur für die Kommunikation zwischen Festplatte und BIOS verwendet werden,
wenn sowohl die Platte und als auch BIOS dieses Verfahren unterstützen. Beherrscht die
Platte jedoch kein LBA, kann das BIOS intern zwar LBA-Nummern verwenden, muss sie
jedoch in das traditionelle Schema umrechnen, wenn es mit der Festplatte kommuniziert.
Dies dient (unter Dos und z. T. auch Windows) dazu, Platten mit Kapazitäten von mehr als
504 MB zu benutzen. Jedes moderne BIOS kennt den LBA Modus. Die aktuelle LBA-Version
verwendet 28 Bit und kann damit Kapazitäten von maximal 128 GB adressieren. In Vorbereitung ist eine 64 Bit Adressierung.
1.4.2
CHS
Abkürzung
für
"Cylinder-Head-Sector-Adressierung"
bzw.
Zylinder-Kopf-SektorAdressierung. Nach diesem Schema präsentiert das BIOS die Festplatte dem Betriebssystem. Jeder Sektor lässt sich somit klar lokalisieren und adressieren. CHS unterliegt mehreren
Einschränkungen: Die Schnittstelle(Int13h) zwischen IDE und BIOS reserviert nur 16 Bits für
die Zylinder (maximal sind 65.536 möglich), 4 Bits für die Köpfe (maximal 16) und 8 Bits für
die Sektoren pro Spur (maximal 256). Das BIOS hat 10 Bits für die Zylinder zur Verfügung
(1024), 8 Bits für die Köpfe (256) und 6 Bits für die Sektoren (63, da ab 1 gezählt wird). Bei
diesen Grenzen ist jeweils der niedrigere Wert entscheidend, so dass alte BIOS-Versionen
nur 1024 x 16 x 63 x 512 Bytes = 504 MB adressieren können (ein Sektor ist 512 Bytes
groß). Neuere BIOS-Versionen stocken per Mapping die Anzahl der Schreib-/Leseköpfe auf
255 auf und kommen damit auf 7.844 GB.
1.5
Dateisysteme
Die verwalteten Daten auf Massenspeichern werden oft in grössere Einheiten zusammengefasst. Dabei ist ein hierarchische Struktur sehr nützlich.
Um die Anzahl der zu verwaltenden Datenelemente in Grenzen zu halten und den Zugriff zu
optimieren, fasst das Dateisystem eine Anzahl aufeinander folgenden Sektoren zu einem
Cluster zusammen. Diese Cluster werden anschliessend der Reihe nach durchnummeriert.
In einer speziellen Datei können dann die Blöcke als frei oder benutzt eingetragen sein. Weiter werden noch defekte Cluster, Informationen üder die Festplatte, Sektorengrösse, Sektoren pro Cluster und weitere Verwaltungsinformationen in verschiedene Dateien eingetragen.
1.6
Interfaces
Generell gibt es viele Verschieden Interfaces, wir beschränken uns deshalb auf die populärste: IDE.
1.6.1
IDE (Integrated Device Electronic) oder ATA-1
IDE wurde als kostengünstige Festplatten-Schnittstelle entwickelt, die sich dem
Vorläufer
MFM(AufzeichnungsVerfahren)
vor
allem
dadurch
auszeichnet, dass sich der Controller mit
auf dem Laufwerk befindet. Die
Standardisierung fand unter dem Namen ATA (AT- Attachement) statt. Der IDE Bus ist eine
16-bit Parallelbus. Die Verbindung wird über 40poliges Flachbandkabel hergestellt. Weil IDE
weder abgeschirmt noch terminiert wird, kennt es nur Interne Geräte. Aus dem gleichen
Grund darf ein IDE- Kabel auch nicht länger als 45 cm sein. Die Methode der BIOSVerwaltung wurde von DOS dazu verwendet, Festplatten generell ohne Treiber anzusprechen und dazu die CMOS Einstellungen zu benutzen. Bei Windows 95/98 setzt diese Tradi-
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tion fort. Andere BS wie OS/2, Linux und Win NT erkennen über Ihre Treiber auch nicht angemeldete Festplatten.
1.6.2
EIDE oder ATA-2
E-IDE steht für Enhanced Integrated Disc Electronic. Dies ist
kein eigentlicher Standard, sondern es handelt sich vielmehr
um eine Zusammenfassung von verschiedenen Features.
Manche Hersteller bezeichnen mit E-IDE die Möglichkeit der
schnelleren Übertragungsmodi, die in ATA-2 spezifiziert wurden, andere bezeichnen mit E-IDE die Möglichkeit mehr als
504 MB zu adressieren, die aber auch schon in ATA-1 spezifiziert wurde. Wieder andere bezeichnen ihre ATAPI- CDROMs als E-IDE und die letzte Gruppe schließlich nennt Systeme mit 2 IDE-Kanälen E-IDE- Systeme. Im wesentlichen wurden
folgende Änderungen gegenüber IDE definiert:
•
Schnellere PIO und DMA Transfermodi
•
•
•
•
Unterstützung von Energieverwaltungsoptionen
Unterstützung von Wechselmedien
•
•
Unterstützung von PCMCIA-Geräten
•
Unterstützung von Laufwerken bis
128 GB
Speicherkapazität bis 8.4 GB
Auslesen der Parameter der Devices
durchs BIOS
Cable Select
Zusammfassend ist Schlussendlich EIDE eine Kombination aus ATA-2 und ATAPI (AT Attachement Packet Interface, definiert Anschluss von nicht Festplatten an den IDE/EIDE Bus.
1.7
RAID
RAID (a Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disk) wurde an der Universität Berkley
vor gut 20 Jahren entwickelt. Das Ziel war, eine kostengünstige, hochkapazitive und ausfallsichere Methode zur Speicherung von Daten anhanden mehreren günstigen Festplatten zu
definieren. Bis anhin mussten grosse, teure Massenspeicher eingesetzt werden.
1.7.1
Vorteile von Raid
Es wurden fünf verschieden Methoden entwickelt, wie einzelne Festplatten-laufwerke zu einem Array zusammengefasst werden können. Sie wurden von RAID- Level 0 bis 5 durchnummeriert. Aus dieser Technik entstanden weitere Vorteile. Zum einen stellt sich der RAIDVerbund auf Anwenderseite als einzelnes logisches Volumen dar. Die Verwaltung wird nicht
komplizierter als bei einem Einzellaufwerk. Bei den meisten der definierten RAID- Verfahren
stellt sich durch die Parallelisierung der Daten einen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber Einzellaufwerken heraus. In dieser Dokumentation werden nur auf die RAID- Level 0,1,3,4,5
eingegangen, RAID-Level 6,7 und weitere sind herstellerspezifisch oder werden selten in der
Praxis eingesetzt.
1.7.2
Anforderung an die Festplatte
Im Serverbereich kommen aus Performancegründen SCSI oder auch sein designierter Nachfolger Fibre Channel zum Einsatz. Für den Desktop- PC liefert die Industrie jedoch inzwischen auch Controller mit Ultra-ATA/66- und Ultra-ATA/100-Schnittstelle aus.
Moderne Controller erlauben wie auch Software- RAID- Lösungen den Mix von Platten verschiedener Kapazität im Verbund. Allerdings lässt sich dabei nicht die gesamte vorhandene
Nettokapazität für das Array verwenden. Da die RAID-Verfahren gleich große Platten voraussetzen wird in einer Mischkonfiguration jedes Laufwerk nur bis zur Kapazität der kleinsten
vorhandenen Festplatte genutzt. Bei einer Kombination eines 20-GByte-Laufwerks mit zwei
30-GByte-Disks stehen beispielsweise nur drei mal 20 GByte für das Array zur Verfügung.
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SEMESTERARBEIT CT2
1.7.3
Raid-Level
Level 0
Merkmale:
-
Grösserer Datendurchsatz
Æ Anzahl Drives = Geschwindigkeit * Anzahl
Drives
- Keine Ausfallsicherheit
- Ab 2 Festplatten realisierbar
Multimedia- Anwendungen, Homebereich
Einsatzgebiet:
Bei RAID- Level 0 handelt es sich um kein ausfallsicheres Speicherverfahren. Es dient lediglich zur Beschleunigung von Plattenzugriffen. Dazu fasst RAID 0 zwei oder mehr Festplatten
zu einem logischen Laufwerk zusammen. Es verteilt die Daten in aufeinanderfolgenden Blöcken („Stripes“) gleichmässig über alle Laufwerke. Daher bezeichnet man RAID 0 auch als
Striping. Fällt eine Platte des Verbundes aus, sind alle Daten verloren.
Level 1
Merkmale:
-
Hohe Ausfallsicherheit
Keine Geschwindigkeitssteigerung
Es ist nur die Hälfte des eingesetzten Speichervolumens verfügbar
- Ab 2 Festplatten realisierbar
Einfache Systeme mit hoher Ausfallsicherheit.
Einsatzgebiet:
RAID- Level 1 wird auch als Mirroring oder Spiegelung bezeichnet. Dieser Name verdeutlicht, wie das Verfahren arbeitet: Alle Schreibzugriffe erfolgen parallel auf zwei Laufwerke, so
dass jede Platte quasi ein Spiegelbild der anderen darstellt. Auch wenn eines der beiden
Laufwerke komplett ausfällt, bleiben alle Nutzdaten erhalten.
Zwar bietet Mirroring (RAID 1) perfekte Redundanz, verursacht jedoch gleichzeitig einen hohen Overhead und entsprechend hohe Kosten. Um diesen Nachteil zu beheben, arbeiten die
RAID- Level 3 bis 5 mit Fehlerkorrektur. Sie verteilen zunächst die Nutzdaten per Striping
auf wenigstens zwei Datenlaufwerke (Nutzlaufwerke). Aus deren Dateninhalt wird anschließend ein Korrekturwert errechnet, mit dessen Hilfe sich nach einem Ausfall die Daten des
defekten Laufwerks wieder rekonstruieren lassen. Dieser ECC -Code wird auf einem eigenen
Parity- Laufwerk abgelegt.
Dazu verknüpft es die Daten der Nutzlaufwerke über eine logische Exklusiv- Oder- Operation
(XOR) Das Ergebnis der Verknüpfung ist dann 1, wenn eine ungerade Anzahl von Bitstellen
eine 1 aufweist. Bei einer geraden Anzahl dagegen ist das Ergebnis 0. Fällt nun ein beliebiges Laufwerk aus, lassen sich durch ein erneutes XOR die verloren gegangenen Daten
problemlos rekonstruieren:
Zwar reduzieren die paritätsbasierten RAID- Varianten den für die Datensicherheit notwendigen Kapazitäts- Overhead deutlich. Er beträgt maximal ein Drittel, bei Verwendung mehrerer Nutzdatenlaufwerke sinkt er weiter ab. Andererseits erfordert das Update der Parity- Informationen beim Speichern von Daten zusätzliche Schreib- und Lesezugriffe.
Fehlerkorrektur durch Parity
Laufwerk A
Laufwerk B
Laufwerk C
Parity-Laufwerk XORVerknüpfung
Datenrekonstruktion
vor dem
Ausfall
Ausfall eines
Datenlaufwerks
Ausfall des Parity-Laufwerks
11101100
10110011
01001101
11101100
xxxxxxx
01001101
11101100
10110011
01001101
00010010
00010010
xxxxxxx
10110011
00010010
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Level 3
Merkmale:
Einsatzgebiet:
-
Hohe Ausfallsicherheit
Geschwindigkeitssteigerung nur bei grossen Files
1 Festplatte wird als Parity- Disk eingesetzt, enthält
keine Nutzdaten
- Ab 3 Festplatten realisierbar
CAD/CAM oder Multimediaverarbeitung
RAID Level 3 setzt auf ein byteweises Striping der Daten. Um die Generierung der ECCDaten zu erleichtern synchronisiert RAID 3 die Kopfpositionen der Laufwerke. Das ermöglicht zwar Schreibzugriffe ohne Overhead, da sich Parity- und Nutzdaten parallel auf den
Laufwerken speichern lassen. Viele Lesezugriffe auf kleine, verteilte Dateien erfordern dagegen die synchrone Neupositionierung der Köpfe aller Platten im Verbund und kosten entsprechend Zeit.
Level 4
Merkmale:
Einsatzgebiet:
- Hohe Ausfallsicherheit
- Geschwindigkeitssteigerung auch bei kleinen Files
- Entspricht hauptsächlich RAID 3
- Ab 3 Festplatten realisierbar
Wird selten eingesetzt, Umgebungen mit mehr Lese- als
Schreiboperationen.
RAID Level 4 arbeitet anders als RAID 3 mit blockweisem Striping der Nutzdaten. Um die
Nachteile von RAID 3 bei der Verarbeitung kleiner Files zu umgehen, verzichtet es dabei
allerdings auf eine Synchronisierung der Kopfbewegungen aller Laufwerke. Zur Speicherung der Parity- Informationen nutzt es dagegen wie RAID 3 ein dediziertes Laufwerk.
Die Kombination aus blockweisem Striping und unabhängigem Plattenzugriff ermöglicht
RAID 4 das schnelle Lesen auch kleiner Files.
Level 5
Merkmale:
Einsatzgebiet:
-
Hohe Ausfallsicherheit
Geschwindigkeitssteigerung für alle Bereiche
Entspricht hauptsächlich RAID 4
Kein dezidiertes Parity- Drive mehr. Die ECC wir über
alle Platten verteilt.
- Ab 3 Festplatten realisierbar
Wird bei mittelgrossen meistens eingesetzt
RAID Level 5 arbeitet ebenso wie RAID 4 mit einer blockweisen Verteilung der Nutzdaten.
Aber es verzichtet auf ein dediziertes Parity- Laufwerk und verteilt die ECC -Daten zusammen mit den Nutzdaten gleichmäßig über die Laufwerke. Damit sinkt die Wahrscheinlichkeit,
dass gleichzeitig zwei Schreiboperationen auf dieselbe Platte erfolgen. Schreibzugriffe lassen sich also weitgehend parallelisieren. Zudem verteilt sich die mechanische Belastung der
Platten gleichmäßig, da keine eine Sonderstellung als Parity- Laufwerk einnimmt.
1.7.4
Software vs. Hardware-Raid
Die etwas irreführenden Begriffe Hard- beziehungsweise Software- RAID (letztlich benötigen
beide Varianten zum Betrieb Software) beziehen sich auf die Art und Weise der Implementierung.
Beim Software- RAID übernimmt eine auf der CPU des Hosts laufende Software die Steuerung des Plattenverbunds. Oft bringt bereits das Betriebssystem entsprechende Komponenten mit. So beherrscht Windows NT sowohl RAID 0 als auch RAID 1 und 5 - letztere allerdings nur in der Server-Version. Linux verwaltet generell Arrays der Level 0,1, 4 und 5.
Software- RAID stellt also meist die preisgünstigste und einfachste Lösung dar. Zudem lässt
es sich - etwa per Prozessor-Upgrade am Host - relativ schnell an erhöhte Anforderungen
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anpassen. Andererseits verursacht es eine hohe CPU-Belastung und arbeitet naturgemäß
plattform- und betriebssystemgebunden. Auch stehen zur Ansteuerung der Laufwerke meist
nur ein oder zwei Anschlüsse zur Verfügung. Dies beschränkt die mögliche Parallelisierung
der Plattenzugriffe und damit auch die Performance.
Dagegen übernimmt bei Hardware- RAID ein eigener Control- Software- vs. Hardware-RAID
Software-RAID
Hardware-RAID
ler die Ansteuerung des Arrays.
Implementationskosten
niedrig
hoch
Das bringt eine Entlastung der
Performance
niedrig
hoch
Host- CPU und eine höhere
CPU-Last am Host
hoch
niedrig
Performance mit sich. Zudem
Plattformabhängigkeit
ja
nein
binden
RAID-Controller
die
Ja
Laufwerke über mehrere Kanäle Betriebssystemabhängigkeit ja
an, was gleichzeitige Laufwerkszugriffe und damit hohe Transferraten ermöglicht. Dafür gilt es aber, einen deutlich
höheren Preis zu zahlen. Hardware- RAIDs arbeiten zwar plattformunabhängig. Auch sie
benötigen aber zur Verwaltung Software, die natürlich auf ein bestimmtes Betriebssystem
zugeschnitten ist.
1.7.5
Auswahlkriterien für RAID
Die Auswahl eines geeigneten RAID-Levels
erfordert eine genaue Abwägung zwischen
den Faktoren Verfügbarkeit, Performance und
Kosten pro MByte. Eine Organisation der
Platten als JBOD (nur eine Gruppe von Festplatten) verursacht die geringsten Kosten,
lässt jedoch in Sachen Ausfallsicherheit und
Geschwindigkeit zu wünschen übrig. Ein Array des Levels 1 garantiert dagegen höchste
Verfügbarkeit. Es produziert jedoch den
höchsten Kapazitäts- Overhead - und somit
auch die höchsten relativen Kosten. Fasst man diese Faktoren in einem Diagramm zusammen, ergibt sich das typische RAID-Dreieck wie in der nebenstehenden Abbildung.
Die Abhängigkeiten zwischen RAID-Level, Performance und Ausfallsicherheit fasst die Tabelle RAID- Level im Vergleich noch einmal zusammen. Wie sich deutlich erkennen lässt,
bringt jedes der RAID-Verfahren dabei spezifische Vor- und Nachteile auf die Waagschale.
RAID-Level im Vergleich
RAID 0 RAID 1 RAID 3 RAID 4 RAID 5
Anzahl Laufwerke
Redundante Laufwerke
Kapazitäts-overhead (Prozent)
Parallele Lese-operationen
Parallele Schreib-operationen
Maximaler Lese-durchsatz
Maximaler Schreibdurchsatz
n>1
0
0
n
n
n
n
n=2
1
50
2
1
2
1
n>2
1
100 / n
n-1
1
n-1
1
n>2
1
100 / n
n-1
1
n-1
1
n>2
1
100 / n
n-1
n/2
n-1
n/2
2
Leistungsmerkmale/Kenngrössen, Standards, Normen
2.1
Technische Kenngrössen
2.1.1
Geschwindigkeit
2.1.1.1 Umdrehungsgeschwindigkeit der Platte/Plattenstapel (U/min)
Im Gegensatz zu modernen CD-ROM-Laufwerken besitzen Festplatten eine konstante Umdrehungsgeschwindigkeit (Angabe in U/Min oder Rpm). Diese reicht typischerweise von
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4500 über 5400, 7200, 10000 bis zu 15000 U/Min. Bei gewöhnlichen 3,5" großen Festplatten
für Desktop-Computer sind 7200 U/Min heute Standard. Diese Geschwindigkeit bietet recht
hohe Transferraten und ermöglicht einen relativ niedrigen Geräuschpegel.
2.1.1.2 Mittlere Zugriffszeit / Track to Track
Die Zugriffszeit ist der Zeitraum, den ein Schreib-/Lesekopf benötigt, um von einem Track
zum anderen zu wechseln. Diese kann sehr unterschiedlich sein, je nachdem ob es sich um
einen benachbarten Tracks (ca. 2ms) handelt oder aber ein sehr langer Weg von der äusseren zu den inneren Tracks zurückgelegt werden muss (ca. 20ms). Beide Werte lassen sich
exakt messen und sind in technischen Datenblättern von Festplatten zu finden. Der Vergleichswert der mittleren Zugriffszeit ist dagegen eher statistischer Natur und wird über eine
längere Messung von Zufallszugriffen gewonnen. Er liegt bei heute üblichen Festplatten zwischen 8 und 14ms.
2.1.1.3 Einstellzeit
Sämtliche Schreib-/Leseköpfe einer Festplatte sind an einem Arm befestigt und werden deshalb immer gleichzeitig bewegt. Jedoch kann nur immer einer von ihnen aktiv sein, das
heisst, Daten lesen oder schreiben. Auch beim Wechsel von einem Kopf auf den anderen
vergeht Zeit. Sie wird Einstellzeit genannt und in ms
Latenzzeit
gemessen.
2.1.1.4 Latenzzeit
Umdrehungsgeschw. (U/min)
Latenzzeit (ms)
4500
6.7
Ist der Schreib-/Lesekopf auf den richtigen Track 5400
5.7
positioniert worden, können Daten erst dann gele- 6300
4.8
sen werden, wenn sich der richtige Sektor unter
7200
4.2
dem Kopf befindet. Im ungünstigsten Fall trifft der
3.0
Kopf gerade einen Sektor zu spät auf einem Track 10000
ein. Er muss dann fast eine volle Umdrehung der 12000
2.5
Platte abwarten, bis die Lese- oder Schreiboperation ausgeführt werden kann. Misst man den Durchschnitt bei realen Datenzugriffen, kommt
man auf eine halbe Plattenumdrehung, die für jede Operation anfällt. Diese Verzögerung fällt
um so geringer aus, je schneller sich eine Festplatte dreht.
2.1.1.5 Datenzugriffszeit
Bei der Datenzugriffszeit wird gemessen, wie lange es insgesamt dauert, den Schreib/Lesekopf über den richtigen Sektor zu positionieren. Sie setzt sich also aus mittleren
Zugriffszeit, der Einstellzeit und der Latenzzeit zusammen. Dieser Wert ist für die Geschwindigkeit der Festplattenmechanik viel charakteristischer als die mittlere Zugriffszeit
2.1.1.6 Datentransferrate und Cache
Die Datentransferrate gibt an mit welcher Geschwindigkeit Daten von und zur Platte übertragen werden können. Sie wird in Megabyte pro Sekunde gemessen und hängt von zwei Faktoren ab: von der Transferrate zwischen Festplatte und Controller (Disktransferrate) sowie
von der Transferrate zwischen Controller und CPU (Hosttransferrate).
Um die Datentransferrate zu steigern befindet sich auf jeder Festplatte ein Cachespeicher.
Er dient zur Pufferung der Daten. Zwei Faktoren können die Transferrate zwischen HD und
CPU stören: entweder muss die CPU auf Daten von der viel langsameren HD warten oder
aber das BS kann Daten nicht so schnell annehmen, wie sie der Festplattencontroller liefert.
Über den Cache kann die Gefahr solcher Flaschenhälse minimiert werden. Moderne Festplatten haben 0,5 bis 2Mbyte, gute Modelle bis zu 4Mbyte Cache. Dieser Cache befindet
sich auf der Festplatte dient einzig und allein der Pufferung der Daten bei der Kommunikation zwischen Festplatte und Hostadapter.
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SEMESTERARBEIT CT2
2.1.1.7 Datendurchsatzrate (kbyte/s)
In die Datendurchsatzrate fliessen sowohl die
Datenzugriffszeit als auch die Datentransferrate
ein.
Man
misst
einfach,
mit
welcher
Geschwindigkeit die Daten zwischen CPU und
Festplatte ausgetauscht werden. Das Ergebnis
wird in Kilobyte pro Sekunde angegeben. Für ein
Rechnersystem ist die Datendurchsatzrate der
eigentlich relevante Wert. Alle anderen Messungen stellen nur Teilaspekte bei der Datenübertragung von und zur Festplatte dar. Die
Datendurchsatzrate ist aber auch abhängig von
der Leistung des Rechners, in dem die Festplatte betrieben wird. Er kann nur dann als Perfomancewert gemessen werden, wenn alle anderen Systemkomponenten des verwendeten
Rechners in der Lage sind, die Daten so schnell zu verarbeiten, wie sie von und zur Festplatte gelangen.
2.1.2
Speicherkapazität
Wie viel Kapazität eine Festplatte besitzt, hängt einerseits von der Anzahl der magnetischen
Scheiben und der Köpfe ab. Der zweite wichtige Wert ist die Dichte, mit der Daten auf die
Oberfläche geschrieben werden können. Für die Messung der Oberflächendichte ist die
Masseinheit <<Bits per square Inch>> (Bits pro Quadratzoll, BPSI) üblich. Dieses Mass wird
errechnet, indem man ermittelt, wie viele Bits pro Zoll (Bits per Inch, BPI) auf einen Track
untergebracht werden können. Der BPI- Wert wird schliesslich mit der Anzahl der Tracks
multipliziert, die auf einem Zoll nebeneinander angeordnet werden können (Tracks per inch,
TPI), um die BPSI zu erhalten.
Dies ist die theoretisch maximale Kapazität des Laufwerkes. Sie ergibt sich aus der Multiplikation von
Bit-(Byte-)dichte in der Spur mit Spurlänge, Spuranzahl und Zahl der Plattenoberflächen.
Bruttokapazität:
Formel zur Berechnung der Bruttokapazität:
Anzahl Zylinder * Sektoren pro Spur * Bytes pro Sektor *Anzahl Köpfe = Kapazität der HD
Nettokapazität:
Die Nettokapazität gibt an, wie viel Platz tatsächlich auf einem Laufwerk nutzbar ist.
Diese Zahl unterscheidet sich erheblich von der vom Hersteller angegebenen Nettokapazität.
Nutzbare Nettokapazität:
Das hat unterschiedliche Gründe:
Einerseits werden etwa 10 - 20 % der Kapazität für Fehlerkorrektur- und Adressinformationen benötigt.
Andererseits belegt auch das Dateisystem einigen Platz für Verwaltungsdaten.
Angabe in Mio.
Byte anstatt
Mbyte
Doch damit nicht genug, muß man sich auch noch darüber den Kopf zerbrechen, was nun genau
unter einem Megabyte (oder Gigabyte) zu verstehen ist:
Die meisten Plattenhersteller rechnen:
1 MB = 1.000.000 Bytes
Für ein Betriebssystem besteht ein Megabyte aber aus 1.048.576 Bytes.
Das ist bei einer Kapazität von 10 GByte ein Unterschied von etwa 490 Megabyte.
2.1.3
Interface Geschwindigkeit
2.1.3.1 PIO-Modus
Der PIO-Modus einer Festplatte legt fest, wie schnell Sie über ihre Schnittstelle Daten übertragen kann. PIO steht für Programmed Input/Output und bedeutet, dass die Festplatte vom
Rechner selbst gesteuert wird, die CPU also für den Transfer sorgt. Die Daten selbst werden
zwischen dem PC und der Festplatte über ein spezielles Register im BIOS ausgestauscht.
Folgende Tabelle zeigt die definierten Standards:
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SEMESTERARBEIT CT2
PIO-Modus
0
1
2
3
4
Zykluszeit (ns)
600
383
240
180
120
PIO- Modus
Transferrate (MB/s)
3.3
5.2
8.3
11.1
16.6
Schnittstelle
ATA
ATA
ATA
ATA-2
ATA-2
2.1.3.2 DMA-Transfermodi
Der DMA Transfermodus entlastet die CPU, die sonst ihre Rechenleistung dem Datentransfer zur Verfügung stellen müsste.
DMA Modus
Singleword 0
Singleword 1
Singleword 2
Multiword 0
Multiword 1
Multiword 2
Ultra-DMA/16
Ultra-DMA/33
Ultra-DMA/66
Ultra-DMA/100
Serial-ATA
2.1.4
Zykluszeit (ns)
960
480
240
480
150
120
120
60
30
40
NA
DMA- Modus
Transferrate (MB/s)
2.1
4.2
8.3
4.2
13.3
16.6
16.6
33.3
66.6
100
150
Schnittstelle
ATA
ATA
ATA
ATA
ATA-2
ATA-2
Ultra-ATA
Ultra-ATA
Ultra-ATA
ATA-6
ATA-7
Lebensdauer
2.1.4.1 MTBF(Mean Time Between Failure)
Diese Angabe zeigt auf wie viele Betriebsstunden zwischen zwei ausfällen liegen kann. Diese Zeit liegt in der Regel zwischen 20000 bis 50000 und mehr. Diese Zahlen sind aber mit
Vorsicht zu geniessen, denn diese sind nur theoretische Werte und keine statistisch ermittelten Werte. Ausfall wird folgendermassen definiert: Ein Ausfall ist ein Fehler, der die Rücksendung des Laufwerks an den Hersteller notwendig macht, nicht aber ein Fehler, der sich
auf Schreib- und Lesefehler einer zufälligen Datei bezieht. Diese Test sind von Hersteller zu
Hersteller verschieden. Bei grossen Anschaffungen ist es nützlich, die ermittelten Werte zu
studieren und die Berechnungsgrundlage nachzuvollziehen, um ein besseres Produkt zu
evaluieren. Es kann sein dass damit Zeit und beim Service und Support gespart werden
kann.
2.2
Normen/Standards
2.2.1
Gremien
ANSI
American National Standards Institute
NCITS
National Commitee for Information Technology Standards
T13
Technical Committee 13
Hinter diesen drei Gremien, stehen natürlich die grossen Festplattenhersteller.
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SEMESTERARBEIT CT2
2.2.2
ATA-Spezifikationen
ATA Standards Übersicht
PIO Mode 0
PIO Mode 1
PIO Mode 2
Transfer
Rate
3.3 MB/s
5.2 MB/s
8.3 MB/s
Cycle
Time
600 nsec
383 nsec
240 nsec
ATA-2
PIO Mode 3
11.1 MB/s
180 nsec
ATA-2
PIO Mode 4
16.7 MB/s
120 nsec
ATA-1
Multiword DMA Mode 0
4.2 MB/s
480 nsec
ATA-2
Multiword DMA Mode 1
13.3 MB/s
150 nsec
ATA-2
Multiword DMA Mode 2
16.7 MB/s
120 nsec
Naming
Standard
Mode
ATA
Fast ATA /EIDE
ATA-1
ATA-1
ATA-1
ATA-3
UltraDMA/33
ATA-4
Ultra-DMA Mode 0
16.7 MB/s
240 nsec
UltraDMA/66
ATA-4
ATA-4
ATA-5
Ultra-DMA Mode 1
Ultra-DMA Mode 2
Ultra-DMA Mode 3
25 MB/s
33 .3MB/s
44.4 MB/s
160 nsec
120 nsec
60 nsec
ATA-5
Ultra-DMA Mode 4
66.6 MB/s
60 nsec
UltraATA/100
ATA-6
Ultra-DMA Mode 5
100 MB/s
50 nsec
Serial ATA
ATA-7
Serial Gen 1
150 MB/s
NA
ATA-?
Serial Gen 2
300 MB/s
NA
2.2.3
Features
Base
Base
Base
Break 528 MB
barrier, Power
Modes
Break 528 MB
barrier, Power
Modes
DMA
Break 528 MB
barrier, Power
Modes
Break 528 MB
barrier, Power
Modes
S.M.A.R.T, LBA,
Security Modes
UDMA, CRC,
LBA, Queuing,
ATAPI
none
80-pin Cable
None
Host Protected
Area
AAM, 48-bit
LBA, AV, DCO
Serial Interface
Hot Plugging,
1meter cable,
point to point
Advanced Queuing, New capabilities
Gehäuse-Abmessungen
Die Primäre Masszahl von Festplatten bezieht sich auf die Magnetscheibe. Wenn man von
5.25", 3.5" oder 2.5" Zoll redet, meint man eigentlich den Durchschnitt der Magnetscheibe.
Bedenke vor 40 Jahr war es üblich, über 20“ Zoll zu reden. Hier nun ein Überblick was heute
standardmässig gebraucht wird:
Weitere Gründe warum die Abmessungen kleiner werden:
Schockresistenter und vibrationsarmer, einfacher in der Produktion, Reduktion der Masse,
geringerer Stromverbrauch, Lärm und Hitze Reduktion, bessere Performance.
2.2.3.1 Speisung
Festplatten benötigen in der Regel einen Standard 4-Pin male
Stromanschluss. Das Gegenstück liefert das Netzteil und kann die
Festplatte mit +5 und +12 Volt unterstützen. Bei Notebooks und
speziellen SCSI Festplatten kann die Stromversorgung schon in der
Schnittstelle integriert sein.
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SEMESTERARBEIT CT2
3
Klima und physikalische Umgebung
3.1
Physikalische Umgebung
3.1.1
Schallpegel
Festplatten erzeugen einerseits durch die hohe Umdrehungszahl der Platten einen Schallpegel, andrerseits durch Diskzugriffe bei der Bewegung des Aktuators. In Desktop PC werden
daher meist Festplatten mit Umdrehungszahlen bis 7200 U/min eingesetzt, wenn nicht einen
speziell hohen Datendurchsatz benötigt wird. Diese Festplatten sind relativ leise. In der Theorie können die Schallpegel der Laufwerke gemessen werden, in der Praxis aber hängt die
tatsächliche Geräuschemission von vielen Faktoren ab:
•
Umdrehungszahl der Festplatte
•
Schallisolation des Gehäuses
•
Montage der Festplatte
Schnellerdrehende Festplatten werden meist nur im Serverbereich oder in Power- Workstations eingesetzt und erzeugen ein sehr stärkeres Betriebsgeräusch.
3.1.2
Erschütterung
Festplattenlaufwerke müssen im Betrieb grundsätzlich vor Erschütterungen geschützt werden. Im Desktop- und Server- Einsatz ist dies einfacher realisierbar als z.B. in Notebooks.
Die in Notebooks eingesetzten 2,5“ Festplatten weisen aber eine um ein Vielfaches höhere
Schockresistenz auf, als die grösseren Modelle. Dies liegt an der geringeren Masse der beweglichen Teile und spezielle Vorkehrungen der Hersteller zur Sicherung der Daten. Vom
Hersteller werden oft Angaben zur Schockresistenz gemacht. Grundsätzlich ist aber immer
Vorsicht mit dem Umgang mit Festplatten geboten, auf eine richtige Montage im Gehäuse (4
Schrauben) oder mit Einbaurahmen sollte immer geachtet werden.
Wird eine Festplatte zu stark erschüttert, kann es zu lese oder Schreibfehler kommen. Im
schlimmsten Fall schlägt der Schreib-/Lesekopf auf der Platte auf und macht die Daten unbrauchbar, das Laufwerk ist somit zerstört.
Ist die Festplatte ausser Betrieb, wird der Schreib-/Lesekopf auf einer Parkspur positioniert
und gesichert, so verträgt die Festplatte erheblich höher Erschütterungen.
3.2
Klima
3.2.1
Betriebstemperatur
Bei Festplatten mit Umdrehungszahlen ab 7200 U/min. sollte ein direkter, zusätzlicher Lüfter
für die Festplatten eingesetzt werden, um die Wärme abzutransportieren. Vor allem, wenn
mehrere Festplatten übereinander mit kleinem Abstand eingebaut werden. Komfortabel sind
Einbaurahmen mit integrierter Belüftung. Auf die Qualität der Lüfter sollte immer geachtet
werden.
3.2.2
Luftfeuchtigkeit
Der maximal zulässige Betriebswert der Luftfeuchtigkeit sollten beim Hersteller abgefragt
werden, da es hier starke Unterschiede gibt. Die normale Luftfeuchtigkeit hierzulande stellt
kein Problem dar.
3.2.3
Lagerung/Aufbewahrung
Festplatten können ohne Problem bei Raumtemperatur in einer antistatischen Verpackung
zum Schutz der Elektronik gelagert werden. Wechsel-Medien wie Diskette, ZIP etc. sollten
vor Staub und zu grosser Feuchtigkeit geschützt, aufbewahrt werden.
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SEMESTERARBEIT CT2
3.2.4
Klimaänderungen
Zu starken Temperaturunterschieden kommt es oft bei tragbaren Computern. Hier sollte das
Gerät auf jeden Fall vor dem Betrieb zuerst an die Umgebungstemperatur angepasst werden.
Temperaturänderungen zwischen Ruhephasen und Volllastbetrieb sorgen für Längenänderung im Material. Dadurch wird die geometrische Position des Kopfes am Arm (Aktuator)
verändert. Das heißt, der Kopf schreibt eine Spur neben der Ideallinie oder er wird beim Lesen neben die geschriebene Spur positioniert.
4
Typenübersicht und Einsatzgebiete, weitere magnetische
Speichergeräte
4.1
Bernoulli
In den früheren 80Jahren stellte Iomega das Bernoulli Laufwerk vor. Zuerst wurden 3 ½ Zoll
Diskettenkassetten mit einer Speicherkapazität von 20 MB und anschliessend 5 ¼ Zoll Diskettenkassetten bis 230 Mbyte auf den Markt gebracht. Dieser Laufwerkstyp gilt grundsätzlich als veraltet.
4.2
Disketten
Die Diskette ist eine mit ferromagnetischem Material (Kobalt) beschichtete Folienscheibe als
Datenträger. Sie befindet sich, entsprechend geschützt, in einer quadratischen Kunstoffhülle.
Die Informationsaufzeichnung erfolgt in 80 konzentrischen Spuren je Seite. Die formatierte
Speicherkapazität beträgt bei 3 ½ Zoll Disketten i. Allg. 1.44 MByte.
Einige Hersteller versuchen die Diskette mit Ihren Neuentwicklungen vom Markt zu verdrängen. Jedoch konnte sich bis heute mehr oder weniger nur die Firma Iomega mit Ihren 100
MByte Zip Drives entgegenwirken. Ziele dabei sind grössere Kapazität und höhere Geschwindigkeiten. Ein neuer potentieller Nachfolger der heutigen Diskettenlaufwerke ist die
HiFD von der Firma Sony. Es kann ebenfalls normale Disketten lesen und schreiben. Diese
Disketten haben eine Kapazität von 200 MB.
4.3
Zip-Laufwerk
Das Zip- Laufwerk arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie das
Bernoulli-Laufwerk. Jedoch wird die Speicherscheibe durch
die Zip- Diskette von beiden Seiten stabilisiert. Es ist ein 3,5Zoll Laufwerk, das aber nur speziell dafür hergestellte Disketten lesen und schreiben kann. Eine Zip- Diskette ist etwa doppelt so dick wie eine herkömmliche Diskette. Somit ist das
Laufwerk nicht kompatibel zu 3,5-Zoll Diskette. Die ZipDisketten
ketten
sindsind
in zwei
in zwei
Versionen
Versionen
erhältlich.
erhältlich.
Mit 100
MitMByte
100 MByte
Speicherkapazität oder 250 MByte,
wobei das 250 MByte Laufwerk auch 100 MByte Disketten lesen und schreiben kann, was
umgekehrt nicht möglich ist. Das Laufwerk kann über den Paralell- Port, über SCSI, IDE und
USB angeschlossen werden. Das Laufwerk besitzt eine mittlere Zugriffszeit von 29 ms und
eine Datenübertragungsrate von minimal 0,8 MByte/s bis maximal 1,4 MByte/s. Das interne
Zip- Laufwerk wird über die IDE-Schnittstelle angeschlossen.
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SEMESTERARBEIT CT2
5
Installation/Wartung
5.1
Tools
5.1.1
Partitionierer
5.1.1.1 FDISK
Rudimentäres Partitionierungs-Tool von Microsoft, wurde praktisch nie überarbeitet und ist
deshalb in seinem Funktionsumfang sehr eingeschränkt. Anwendungsbereich ist eher der
Home Bereich.
5.1.1.2 Partitions Magic
Ist der eigentliche Standard in professionellen Umgebungen. Partitionen können zusammengeführt werden, konvertiert werden usw. Auch das Anlegen von 4 primären Partitionen ist bei
diesem Tool kein Problem. Neben diesen Produkten gibt es noch einige Menge andere
Tools, was wir aber noch erwähnen möchten ist das es sehr wenige Tools für Server Version
auf dem Markt erhältlich ist. Eines davon ist von Powerquest, der Volume-Manager.
5.1.1.3 Hersteller-spezifische Test-Tools
Falls man vermutet, dass die Platte eine Macke hat und das OS keine Fehlermeldungen
preisgibt, kann man versuchen, mit Hersteller spezifischen Tools die Festplatte gründlich zu
kontrollieren. Vorbildlich agiert unserer Meinung nach die Firma IBM
5.1.2
Firmware
Falls mal gravierende Mängel oder neue Features eingebunden werden sollten, kann man
beim Hersteller nachschauen ob da ein Firmware-Update vorhanden ist.
5.1.2.1 Defragmenter/Scandisk
Fragmentierung liegt vor, wenn eine Datei physisch nicht am Stück auf dem Datenträger
liegt, sondern in mehrere Teile zersplittert ist. Fragmentierung verlangsamt den Zugriff auf
Dateien, da der Schreib-/Lesekopf öfter bewegt werden muss. Unter DOS wurde defrag von
Microsoft eingesetzt. Auch in diesem Bereich gibt es verschiedene Produkte von diversen
Herstellern. Erwähnt werden sollte noch das NT 4.0 keine Defragmentierung zulässt, und
deshalb Produkte von Drittanbietern nötig sind.
Ist das Dateisystem beschädigt, greift meist ein Bordmittel-Tool ein. Bei Microsoft ist das
Scandisk oder CHKDSK. Diese Tools versuchen dann die Dateien wiederherzustellen. Ergebniss können in den Dateien mit den Endungen .CHK eingesehen werden. Einige Hersteller haben gar eigene Tools entwickelt um die Dateistruktur zu überprüfen(IBM).
5.1.2.2 Data-Recovery-Tools
Datenrettungstools gibt es en masse. Beschränken möchten wir uns auf das NT-Backup von
W2k. Das besondere an diesem Tool ist, dass man das komplette System sichern kann. Einfache intuitive Bedienung und eine breite Unterstützung von Massenspeichern sind einige
Vorteile. Ein wesentlicher Nachteil ist, dass erstellte Backups, auch nur aus diesem BS zurückgespielt werden können.
5.2
Fehler, Störungen, Reparatur
Grundsätzlich lassen sich an Festplatten und anderen magnetischen Speicher- Geräten keine mechanischen Reparaturen durchführen. Wird bei Festplatten die versiegelte HDA geöffnet, verfällt jegliche Garantie des Herstellers und die Harddisk wir sehr wahrscheinlich keinen Dienst mehr tun. Für das Wiederherstellen von Daten von defekten Festplatten haben
sich einige Firmen spezialisiert. Auf jeden Fall ist es mit hohen Kosten verbunden.
www.datenrettung.de
http://www.ontrack.com/datarecovery
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SEMESTERARBEIT CT2
5.3
Mechanische Installation
5.3.1
Einbauarten
Computer- Gehäuse haben einen oder mehrere genormte Aufnahmen für 3,5“ Festplatten.
Ist es aus Platzgründen nicht möglich eine Festplatte dort einzubauen, können mit 5.25“Adapter, die Festplatten auch in einem 5,25“- Schacht eingebaut werden. Es gibt auch Einbaurahmen mit Festplatten- Einschüben, mit denen man komfortabel und ohne Schrauben
die Festplatte tauschen kann. Diese Festplatten- Einschübe sind meist noch mit Lüftern versehen, um die Kühlung der Festplatte zu gewährleisten.
5.3.2
Einbaulage
Festplatten sollten nicht kopfüber ( mit der Platine nach oben) betrieben werden, dies kann
der Festplatte schaden.
5.3.3
Verkabelung
Für die Datenverbindung werden Flachbandkabel eingesetzt die sehr viel Platz in Anspruch
nehmen. Beachtenswert ist, das durch sauberes Verkabeln verhindert wird, dass es zu einer
Störung der Luftzirkulation kommt.
Beim Einsatz vieler Laufwerke gemeinsam, sollte man die Leistung des Netzteils überprüfen,
ob bei einem Betrieb noch genügen Leistung geliefert werden kann.
5.3.3.1 SCSI
Bei SCSI werden die Geräte mit einer eindeutigen ID konfiguriert, dies kann entweder per
Software oder mit Jumper gemacht werden. Am letzten Gerät im SCSI- Bus muss ein Terminatorwiederstand eingesetzt sein.
5.3.3.2 IDE
An einem IDE- Port lassen sich 2 Geräte anschliessen. Sind zwei Geräte an einem Port
muss das erste als Master und das zweite als Slave geschaltet werden. Dies kann über
Jumper an dem IDE-Gerät eingestellt werden. Es gibt ausserdem noch die Option CableSelect (CS) wobei aber das IDE- Kabel speziell dafür konfektioniert sein muss.
5.4
Einstellen der Parameter
5.4.1
Einstellung des Controllers/BIOS
Bei einer E-IDE- Schnittstelle erkennen alle aktuellen BIOS die Harddiskgeometrie automatisch. Einzig die Bootsequenz muss eventuell noch angepasst werden. Bei SCSI sollte der
Host- Controller ebenfalls die am SCSI-Bus angeschlossenen SCSI- Geräte erkennen.
6
Zukünftige Entwicklung
Vor einigen Monaten hat eine US-Zeitschrift zusammen mit Platten- und Komponenten- Herstellern ein hypothetisches Laufwerk mit 50 GBit/in² Flächendichte konzipiert. Mit 12 Scheiben ergibt sich eine theoretische Kapazität von 900 GByte. Je Scheibe entspräche dies etwa
75 GByte bei 600.000 BPI und 84.000 TPI. Bei Drehzahlen von 10.000 U/min ließen sich
Datenraten von fast 120 MByte/s erreichen. Die Autoren dieser Studie denken, dass ein solches Laufwerk in Kürze herstellbar wäre, allerdings zu einem inakzeptablen Preis. Die Erhöhung der Flächendichte bei Festplatten von heute etwa 50 GBit/in² im Labor auf das Doppelte scheint in absehbarer Zeit möglich zu sein. Die Spurdichte soll von jetzt 20.000 bis 30.000
TPI auf 100.000 TPI gebracht werden. Testgeräte dafür gibt es schon. Die Bitdichte von
500.000 BPI innerhalb der Spur wird als nächstes Ziel angesteuert. Heute werden Bitdichten
von 300.000 BPI genutzt. Bei dem Zusammenspiel von Kopf und Scheibenoberfläche
scheint nach Meinung der Experten ebenfalls eine sehr schnelle Weiterentwicklung möglich
zu sein. Dazu gehören magnetische Oberflächen mit einer höheren Koerzivität. Damit gehen
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SEMESTERARBEIT CT2
kleinere magnetische Zellen wie auch eine höhere Datendichte einher. Bis rein optische,
holografische oder auch auf Fluoreszenz basierende Speichertechniken die klassische Festplatte ersetzen, gehen noch einige Jahre ins Land: Der Umstieg auf eine komplett neue
Technologie ist zunächst sehr viel teuer als die Weiterentwicklung einer bestehenden.
7
Glossar
ATA
AT- Attachement. Standardisierung der IDE- Schnittstelle
ATAPI
Standard der ATA- Schnittstelle zur Ansteuerung von Nicht- Fetplatten- Geräten.
CHS
Cylinder, Head, Sector
DMA
Direct Memory Access, Hauptspeicher wird beansprucht
ECC
Error Correction Code, ermöglicht die Fehlersuche und Korrektur in übertragenen Daten
EIDE
Enhanced IDE, Weiterentwicklung des IDE
IDE
Integrated Device Electronics, zeichnet sich dadurch aus, das sich der Controller
auf der Festplatte befinden.
INT13H
Schnittstelle zwischen BIOS und IDE-Controller für die CHS- Adressierung.
LBA
Logical Block Adressing, ermöglicht Adressierung bis 128 GB
MTBF
Mean Time Between Failure. Mittlere Zeitspanne zwischen zwei Fehlern einer
Festplatte.
PIO
Programmed Input/Output, CPU sorgt für den Datentransfer
RAID
Verbund von mehreren Festplatten zur Steigerung der Geschwindigkeit und
Ausfallsicherheit.
S.M.A.R.T
Selbstständige Erkennung von Festplattenfehlern
Sektor
Der Sektor ist die kleinste adressierbare Einheit einer Platte. Er ist 512 Bytes
groß.
TPI
Tracks per Inch. Masseinheit zur Angabe der Speicherdichte von Festplatten.
8
Quellenverzeichnis
Festplatten
Franzis Verlag
Seite13 –25, Seite 60- 80
Festplatten einbauen, DATA BECKER
DATA BECKER
Verkabelung
PC-Hardware Superbibel,
Markt + Technik
Computerlexikon
Markt+Technik
Diverse Begriffe
BS1- Script
IIDV-TS TBZ
Seite 31-34, Dateisysteme
http://www.ata-atapi.com/hist.htm
Übersicht ,Tabelle der ATA- Standards
http://www.storagereview.com
Reference, Diverse Informationen zu Harddisks
http://www.tecchannel.de/hardware/458/index.html
IDE- Grundlagen
http://active-hardware.com/english/benchmarks/benchmarks.htm
Benchmark- Programme und Utilities
http://www.tecchannel.de/hardware/708/index.html
Raid im Überblick
http://www.tu-chemnitz.de/informatik/RA/kompendium
/vortraege_98/festplatte/index.htm
Funktionsweise von Festplatten, Aufzeichnungsverfahren
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