Le stockage sur disques

Présentation au sujet: "Le stockage sur disques"— Transcription de la présentation:

1 Le stockage sur disques
V /10/09 15:52 PS

2 Avant propos Le stockage est une problématique importante en informatique Les disques durs constituent le premier média de stockage de par son bon compromis performances/capacité/coût Les besoins exponentiels en terme de stockage sont à l’origine de plusieurs problématiques que nous aborderons ici : la capacité de stockage double tous les 18 mois

3 Historique IBM 1956 : 30 Mo disques 8 ou 14 pouce
1984 : IBM PC XT : DD 5 Mo/100 ms – Seagate Interface ST 506

4 Les unités de capacité les unités de stockage (Ko, Mo, Go, To, ..) utilisaient anciennement le coefficient 1024 (210)‏ depuis 1998, l'IEC recommande (norme IEEE 1541) d'utiliser les préfixes Kibi (Ki), Mebi (Mi), Gibi (Gi) et Tebi (Ti)‏ les Ko (KB), Mo (MB), Go (GB), To (TB) se réfèrent maintenant aux multiples décimaux (1000)‏ par exemple : 100 GB ~ 93 Gi les fabricants de disque utilisent les valeurs réglementaires

5 La technologie des disques dur
Les standards des interfaces : ATA SATA SCSI

6 L’interface ATA Dernière version Ultra-ATA 133 : 133 Mo/s
Gère 4 unités : 1 maître et un esclave sur chacun des ports primaires et secondaires Nappe de connexion 80 ou 40 connecteurs – 45 cm maxi Pas de périphériques externes Installée en standard dans la plupart des CM de PC Relativement peu efficace (1 seul transfert de données sur une nappe)‏ Pas de hot-swap ni de hot-plug

7 L’interface SCSI - 1 Small Computer System Interface (Apple 1986)‏
Différentes versions depuis Actuellement : SCSI 3 Utilise un bus parallèle avec des terminaisons (bouchons)‏ Câble 16 bits (Wide) ou 8 bits (Narrow)‏ 15 périph + carte en 16 bits 7 périph + carte en 8 bits Les unités sont identifiées par des ID SCSI : LUN (Logical Unit Number) tous différents Nécessite une carte spécifique

8 L’interface SCSI - 2 Différents débits (40, 80, 160, 320 Mo/s )‏
Actuellement : Ultra Mo/s Câble : LVD (Low Voltage Différential) : 12,5 maxi Périphériques internes ou externes Utilisable en Hot Plug ou Hot Swap Excellentes performances : stocke les requêtes disque (256), rend la main et les exécute en optimisant l’ordre d’exécution SCSI : protocole complexe à structure en couches comme les piles réseau Très adapté aux hauts débits

9 L’interface SCSI - 3 Serial Attached SCSI (SAS-SCSI)‏
SCSI sur bus série 3 Gb/s par périphérique (<> SCSI //)‏ et du SATA Câble fin 8 m utilisation de connecteurs SATA Jusqu’à 128 périphériques (ou + )‏ utilisable pour les SAN (Storage Area Network)‏ gestion des commandes en file d'attente a remplacé le SCSI parallèle

10 L’interface SATA -1 SATA/150 : 2003 (150 Mo/s)‏
Câble jusqu’à 1 m (4 connecteurs)‏ Alimentation spécifique Hot-plug et hot-Swap Pas de maître-esclave Bande passante complète par disque (<> ATA)‏ Depuis 2004 : SATAII/300 Actuellement SATA III/600

11 L’interface SATA -2 Gère le NCQ Native Queue Command : gestion des files d’attentes de commande (similaire au SCSI mais en Half-duplex – SCSI : full-duplex) => meilleures perfs en environnement serveur (~ 10%)‏ Alimentation spécifique non fournie eSATA : SATA pour périphériques externes 300 Mo/s théorique Câbles de 2 m. Connecteur solide

12 Quelques chiffres DD SATA-3 1 To 7200 t/mn - 32 Mo - : 70 €
DD SATA Go t/mn 16 Mo : 230 € DD SAS2 450 Go t/mn 16 Mo : 350 €

13 La fiabilité Caractéristique primordiale des disques durs
Dispositif physique : usure => pannes MTBF : Mean Time Beetween Failure De (57 ans) à heures Plutôt envisager la durée de vie (LifeTime) la garantie : 3 ans pour ATA/SATA, 5 ans pour SCSI Nombre de cycles Démarrage/Arrêt : entre et + plus élevé sur les disques de portables

14 Les performance Tps d’accès moyen : de 4 à 12 ms
Débit : de 40 à 200 Mo/s Accès disque : Positionnement du bras (Seek Time)‏ Temps de latence : attente que le secteur se positionne sous le bras => ½ tour (7200 t/mn => 4ms)‏ Lecture La vitesse de rotation joue un rôle très important Attention : débit interface <> débit du disque

15 Perspectives Pendant longtemps, il y a eu une dichotomie marquée entre ATA (grand public) et SCSI (serveurs)‏ Le SATA succède à l’ATA et joue le rôle du « SCSI du pauvre » : coût peu élevé, perfs convenables, possibilité d’intégrer un grand nombre de disques dans un boîtier : 5 x 500 Go => 2,5 To

16 I - La technologie magnétique
Les principes de base Un disque recouvert d’un oxyde métallique passe devant une tête magnétique en lecture : l’alternance de particules magnétisées différemment produit un champ électromagnétique traduit en 0 ou 1 en écriture : on envoie un courant dans la tête => magnétisation des particules (1) ou pas de magnétisation (0)‏

17 Mode d’enregistrement
enregistrement longitudinal : c'est le type le plus utilisé actuellement, l'aimantation a lieu dans le plan de la couche, tangentiellement à la piste, enregistrement transversal : l'aimantation se fait encore dans le plan de la couche mais perpendiculairement à la piste enregistrement perpendiculaire : avec ce type d'enregistrement, qui se développe actuellement on atteint des densités d'enregistrement allant jusqu'à 20 milliards de bits par pouce carré. L’aimantation se fait perpendiculairement au plan de la couche.

18 Les modes d’enregistrement

19 Les technologies - 1 La technologie magnétorésistive ou MR (MagnetoResistive) plus récente sépare la tête de lecture de celle d'écriture ce qui autorise une densité de stockage sur le plateau de 1 Giga bits/pouce2. La technologie GMR (Giant MagnetoResistive ou spin valve) permet d'atteindre, depuis 1997, une densité de 5 Gbits/inch2. Cette technologie est encore assez chère et réservée pour l'instant aux disques dur “ haut de gamme ”.

20 Les technologies - 2 Une technique de lecture PMRL (Partial Response Maximum Likehood) est également utilisée en complément de ces technologies car elle améliore la qualité du signal. La méthode PMRL autorise une lecture plus rapide que la méthode classique de détection de pics (Peak Detection Read Channel) en éliminant la plupart des parasites et bruits captés par la tête de lecture. Le signal est lu comme un signal analogique puis converti en numérique.

21 Cylindres/Secteurs et Pistes
Les disques magnétiques sont constitués de pistes concentriques chaque piste est divisée en secteurs habituellement de 512 octets Ex: Seagate Medalist 3305 cyl, 16 têtes, 63 secteurs => 1705 Mo le LBA : on utilise le Logical block Addressing (N° de bloc à partir de 0 pour s'affranchir de l'architecture CHS (Cylinder, Head, Sector)‏

22 Organisation d’un disque

23 Formatage A l’origine , un support magnétique est électriquement neutre, l’opération de formatage est indispensable pour inscrire les repères que sont les pistes et les secteurs Attention : le formatage est une opération destructrice qui efface le contenu d ’un support magnétique

24 disques logiques : partie d’un disque physique
Partitions disques logiques : partie d’un disque physique les clusters: plus petite unité d’allocations : nbre entier de secteurs. Certains SE permettent de choisir la taille des clusters petite taille : peu de perte de place, mais débit peu élevé grande taille : débit élevé pour les gros fichiers, mais place perdue ex : FAT 16 : taille cluster jusqu ’à 32 Ko !!!

25 Les disques durs Matériau : aluminium ou substrat de verre- céramique. Recouvert d'une couche magnétique. Plusieurs plateaux superposés. Sous tension, tournent en permanence à vitesse constante dans une enveloppe scellée et étanche => technologie dite Winchester (IBM 3030). les têtes de lecture/écriture frôlent la surface magnétique sans la toucher, à une fraction de micromètre (1000 fois inférieure à l'épaisseur d'un cheveu : 0,25 à 1 µ : hauteur de vol). Si la tête touche  : atterrissage de tête : crash !!

26 Disques rigides : Caractéristiques
capacité : de 6,4 à 3 To Vitesse de rotation Temps d’accès Taux de transfert géométrie : nombre de disques (plateaux) et de têtes taille du buffer MTBF (Mean Time Beetween Failure ) : indicateur de fiabilité 1 million d heures

27 Caractéristiques : vitesse de rotation
c’est un très bon indicateur global des performances d ’un disque varie entre 4200 t/mn et t/mn les disques durs t/mn sont les plus performants mais consomment beaucoup d’électricité et chauffent beaucoup : nécessité d’avoir une ventilation étudiée => limité aux serveurs Cheetah X15 de Seagate : t/mn

28 Caractéristiques : temps d’accès
Temps d’accès : tps pour positionner le bras sur le secteur désiré Temps d’accès moyen : entre 5 et 10 ms Temps d’accès piste à piste : beaucoup plus court le temps d’accès est constitué de deux parties le temps de positionnement du bras puis tps de stabilisation le temps de latence : tps d’attente du secteur : lié uniquement à la vitesse de rotation (50% du tps d’accès)‏

29 Caractéristiques : taux de transfert ou débit
exprimé en Mo/s de 10 Mo/s à 200 Mo/s (lié à a la vitesse de rotation et au type d’interface)‏ Cheetah X15 : 100 Mo/s ne pas confondre le temps de transfert du disque et tps de transfert de l’interface ex: 40 à 200 Mo/s pour le disque et 600 Mo/s en SATA2

30 Caractéristiques : densité I
La densité linéaire ou densité d'enregistrement : nombre de bits par pouce sur une même piste. Elle s'exprime en BpI (bit per inch) et va jusqu'à BpI (IBM 1999). varie selon la position de la piste sur le plateau, la valeur fournie est une valeur moyenne. La densité radiale : c'est le nombre de pistes par pouce. Elle s'exprime en Tpi (track per inch) et peut aller jusqu'à Tpi (113M 1999). On envisage d'atteindre Tpi dans un avenir proche grâce à la technologie OAW.

31 Caractéristiques : densité II
La densité surfacique : c'est le rapport des deux densités linéaires et radiales. Actuellement nous trouvons de 5 à 10 Giga bits par inch carré (Gbpi2) dans le commerce et 35,3 Gbpi2 (IBM 1999) en laboratoire. Cette densité est en constante et forte évolution - environ 60 % par an. De 1991 à 1997 la capacité des disques multipliée par 18 et leur prix est passé d'environ 31 francs le Mo à moins de 1 franc par Mo.

32 Caractéristiques : spécification Audio/Vidéo (AV)‏
les disques durs ont fréquemment besoin d’effectuer une opération de recalibrage thermique qui prend un peu de temps et qui peut poser problème dans le cas d ’applications audio ou vidéo (montage) : de légers décalages se produisent pour remédier à ce problème, on doit utiliser des disques AV la plupart des disques SCSI haut de gamme sont conformes AV.

33 Caractéristiques : buffer
la taille du buffer ou mémoire cache influence fortement les performances la plupart des disques dur disposent de 8 Mo voire même 16 Mo de mémoire cache. Cache multi-segment : cache divisé dynamiquement en plusieurs espaces. Les données y sont réparties en fonction de leur provenance cahe read-cache, read-ahead-cache, write- back-cache

34 Caractéristiques : plateaux et têtes
nombre de plateaux : de 2 à 12 nombre de têtes : habituellement 2 par plateau

35 Caractéristiques : facteur de forme
Taille physique 5,25 " (rare) => 47 To 3,5 "  (standard )  => 3 To 2,5 " pour les portables => 360 Go 1,8 «  pour les ultra-portables => 160 Go

36 Caractéristiques : facteur d ’entrelacement
les disques durs sont parfois trop rapides pour les possibilités de certains ordinateurs => ralentir la vitesse de transfert entre média et ordinateur : les données ne sont pas toujours écrites de manière continue mais avec un facteur d'entrelacement. En effet, si on lit le secteur 1 et que le système doive attendre un peu avant de lire le secteur 2 - alors que le disque tourne : on ne place ce secteur immédiatement après le 1 mais à une certaine distance (de 3 à 9 secteurs), variant en fonction du système.

37 Caractéristiques : fiabilité
le MTBF est habituellement supérieur à un million d ’heures les disques SCSI haut de gamme sont garantis 5 ans.

38 Caractéristiques : influence de la géométrie
le débit du disque est fortement lié à la position (intérieur ou extérieur du disque)‏ il peut ainsi doubler selon la position extérieur : 70 Mo/s intérieur : 35 Mo/s Il sera donc judicieux d’en tenir compte pour l’implantation des partitions sur une machine : on implantera une partition de swap de préférence à l ’extérieur

39 Disques durs : les interfaces
A l ’origine: ST506 de Seagate (1980) DD jusqu ’à 100 Mo Ensuite ESDI : évolution du ST506 plus performant ATA/EIDE : encore utilisée : (16 Mo/s maxi) - contrôleur intégré sur la carte mère - 4 périph. Maxi - fonctionne en mode PIO (de 0 à 4)‏

40 Disques durs : les interfaces - Suite
Ultra-Dma : Double le débit par rapport à EIDE (33 Mo/s maxi)‏ Ultra-DMA 66 : 66 Mo/s Ultra-DMA 100 : 100 Mo/s puis 130 Mo/s SCSI : plus chère et plus performante. Très utilisée sur les PC haut de gamme et les serveurs. Nécessite une carte spéciale (Ultra320 ou SAS). (320 Mo/s maxi)‏

41 L’évolution de l’interface ATA

42 SMART - 1 Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology
Technologie permettant de « détecter les erreurs » grâce à des indicateurs pouvant annoncer un risque éventuel Développée par Compaq Norme respectée par la majorité des fabricants de disque

43 SMART - 2 Quelques données recueillies par les systèmes SMART
Nombre d'heures de fonctionnement Nbre de cycles marche/arrêt Taux d'erreur en lecture Température Débit Nbre de secteurs réalloués Taux d'erreurs de positionnement ...

44 Point forts - Points faibles
Rapides Fiables coût au Mo peu élevé Non interchangeables

45 Un exemple : le Seagate Cheetah 15k
vitesse de rotation : t/mn temps d ’accès moyen : 3,9 ms débit : jusqu’à 80 Mo/s en mode soutenu 16 Mo de mémoire cache interface : FC-AL Gb/s ou SAS-3Gb/s prix : 700 € pour 146 Go version 15k.6 : 400 Go et 164 Mo/s MTBF 1,6 Mh Tx d'erreurs : 1/ 10 E16

46 Quelques fabricants Seagate/Maxtor (Medalist, Barracuda, Cheetah)‏
Samsung Fujitsu Western-Digital

47 Perspectives - I les disques durs restent irremplaçables (coût/Go le plus intéressant)‏ le capacité continue à doubler tous les 18 mois/2 ans (enreg. perpendiculaire.)‏ problèmes de fiabilité en perspective : 1 To = 1012 Octets tx erreurs non récupérable: Seagate Barracuda : 1 pour 10 E14 la capacité risque de rattraper le tx d'erreurs

48 Perspectives - II la capacité augmente mais pas les performances => problème de vérification des systèmes de fichiers (fsck sur partition 1 To : plusieurs heures) => nécessité de repenser/reconcevoir les systèmes de fichiers (ZFS Sun)‏ Les SSD (Solid State Disks)‏

49 Perspectives - III apparition des SSD (Solide State Disks)‏
utilisation de mémoire NAND(cf. clés USB)‏ pas de pièces en mouvement => pas de bruit, ni pannes consommation très faible => peu de chaleur tps d'accès quasi nul : 0,1 ms débit intéressant : 280 Mo/s et 220 Mo/s en ecriture‏ pour les plus performants coût élevé (200 € pour 64 Go – format 2,5”/ATA)‏

50 Perspectives - IV Les SSD (Solide State Disks)‏ Pas de fragmentation
nbre de cycles d'écriture limité : 100 à ou 1 à 5 M pour les meilleures => pb de veillissement (Static Wear)‏ Algorithme de Wear Leveling pour repartir les écritures sur l’ensemble du disque => SF spécifiques. Densité de stockage < celle des DD classiques MTBF : h coût élevé (200 € pour 64 Go – format 2,5 »/ATA)‏