Reprezentacja dysku

Jednym z powszechniejszych, a zarazem bardziej złożonych fundamentalnych pojęć w dzisiejszych systemach komputerowych jest koncepcja reprezentacji dysku — innymi słowy, czegoś, co wygląda jak dysk twardy. Może to brzmieć prosto i w większości takie jest, ale może być podchwytliwe.

Po pierwsze, czym jest dysk twardy? To powinno być proste. Zazwyczaj mamy na myśli tradycyjne urządzenie z obracającymi się talerzami typu Winchester, produkowane od dziesięcioleci w standardowych formatach 3,5 cala i 2,5 cala. Zawierają talerze magnetyczne, głowicę przesuwającą się wzdłuż ich powierzchni i łączą się za pomocą złączy ATA lub SCSI. Większość z nas może wziąć dysk twardy do ręki i mieć pewność, że trzyma dysk twardy. To właśnie nazywamy fizyczną manifestacją dysku.

Jednak komputer nie widzi obudowy dysku ani złączy. Komputer musi zajrzeć przez swoje układy elektroniczne i “zobaczyć” dysk cyfrowo. Jest to bardzo, bardzo różne od tego, jak ludzie postrzegają fizyczny dysk. Dla komputera dysk twardy pojawia się jako urządzenie ATA, SCSI lub Fibre Channel na najbardziej podstawowym poziomie fizycznym i jest generalnie abstrahowany na wyższym poziomie jako urządzenie blokowe. To właśnie nazywamy logiczną reprezentacją, a nie fizyczną. Na nasze potrzeby będziemy traktować wszystkie te interfejsy dysków jako urządzenia blokowe. Różnią się one od siebie, ale tylko nieznacznie i bez istotnego znaczenia dla naszych rozważań. Ważne jest, że istnieje standardowy interfejs lub zestaw blisko spokrewnionych interfejsów, które komputer postrzega jako dysk twardy.

Inny sposób myślenia o logicznej reprezentacji dysku: wszystko, co wygląda jak dysk twardy dla komputera, to coś, na czym komputer może sformatować system plików. Systemy plików nie są same w sobie dyskami, ale wymagają dysku, na którym zostaną umieszczone.

Koncepcja interfejsu jest tu najważniejsza. Dla komputera to “wszystko, co implementuje interfejs dysku twardego” jest naprawdę postrzegane jako dysk twardy. Jest to jednocześnie prosta i potężna koncepcja.

Właśnie dzięki zastosowaniu standardowego interfejsu byliśmy w stanie wziąć pamięć flash, podłączyć ją do kontrolera dysku, który prezentuje ją za pomocą standardowego protokołu (dziś powszechne są implementacje SATA i SAS standardów ATA i SCSI) i stworzyć dyski SSD, które dla komputera wyglądają i działają dokładnie jak tradycyjne dyski Winchester, mimo że nie mają z nimi nic wspólnego fizycznie. Mogą, ale nie muszą mieć znajomego fizycznego formatu, ale z pewnością nie posiadają talerzy ani głowicy. Patrząc na budowę tradycyjnego dysku twardego i nowoczesnego dysku SSD, nie domyślilibyśmy się, że pełnią tę samą funkcję.

Ta koncepcja ma zastosowanie do wielu urządzeń. Oczywiście karty SD i pamięci USB działają w ten sam sposób. Co jednak ważne, tak samo działają partycje na dyskach twardych. System partycjonowania wykorzystuje koncepcję interfejsu reprezentacji dysku po jednej stronie, aby móc być zastosowany do urządzenia, a po drugiej stronie prezentuje interfejs reprezentacji dysku temu, co chce go użyć — zwykle systemowi plików. Ta idea czegoś, co korzysta z interfejsu reprezentacji dysku po obu stronach, jest bardzo istotna. Dzięki temu otrzymujemy jednolity i uniwersalny zestaw bloków konstrukcyjnych do budowania złożonych systemów pamięci masowej!

Koncepcję “dysk wchodzi; dysk wychodzi” widzimy w wielu przypadkach. Najbardziej znany jest prawdopodobnie RAID. System RAID pobiera zestaw dysków twardych, stosuje jeden z wielu algorytmów, aby dyski działały jako zespół, a następnie prezentuje je jako pojedynczą reprezentację dysku dla następnego systemu w “stosie”. Ta enkapsulacja jest tym, co nadaje RAID jego moc: systemy wyżej w stosie patrzące na macierz RAID dosłownie widzą dysk twardy. Nie widzą zestawu dysków, nie wiedzą, co znajduje się poniżej RAID. Widzą jedynie wynikowe dyski prezentowane przez system RAID.

Ponieważ system RAID przyjmuje dowolną liczbę dysków i prezentuje je jako standardowy dysk, mamy teoretyczną możliwość układania RAID wielokrotnie. Oczywiście byłoby to skrajnie niepraktyczne w dużym stopniu. Jednak właśnie dzięki tej koncepcji możliwe są zagnieżdżone macierze RAID. Na przykład, jeśli mamy wiele fizycznych dysków twardych podzielonych na pary, z każdą parą w macierzy RAID 1. Każda z tych wynikowych macierzy jest prezentowana jako pojedynczy dysk. Każdy z tych wynikowych dysków logicznych można połączyć w kolejną macierz RAID, np. RAID 0. W ten właśnie sposób budowany jest RAID 10. Idąc dalej, moglibyśmy wziąć kilka macierzy RAID 10, przedstawić je wszystkie innemu systemowi RAID, który ponownie łączy je w RAID 0, uzyskując RAID 100 i tak dalej w nieskończoność.

Podobnie warstwa woluminów logicznych korzysta z tego samego rodzaju enkapsulacji co RAID. Menedżery woluminów logicznych, takie jak LVM w Linux i Dynamic Disks w Windows, znajdują się na wierzchu dysków logicznych i zapewniają warstwę, w której można wykonywać zaawansowane operacje zarządcze, takie jak elastyczne rozszerzanie urządzeń czy włączanie migawek, a następnie prezentują dyski logiczne (tj. interfejs reprezentacji dysku) następnej warstwie stosu.

Dzięki jednorodnej naturze reprezentacji dysków stos może być budowany w dowolnej kolejności. Menedżer woluminów logicznych może znajdować się na wierzchu RAID, albo RAID może znajdować się na wierzchu menedżera woluminów logicznych — oczywiście można też pominąć jedno lub drugie, albo oboje!

Koncepcja reprezentacji dysków lub dysków logicznych jest potężna w swojej prostocie i daje nam ogromne możliwości dostosowywania systemów pamięci masowej do naszych potrzeb.

Oczywiście istnieją też inne zastosowania koncepcji dysku logicznego. Jednym z najpopularniejszych i najmniej rozumianych jest SAN. SAN to nic innego jak urządzenie, które pobiera jeden lub więcej dysków fizycznych i prezentuje je jako dyski logiczne (ta prezentacja dysku logicznego z SAN nazywana jest LUN) przez sieć. To, dosłownie, wszystko, czym jest SAN. Większość SANów będzie zawierać warstwę RAID i prawdopodobnie warstwę menedżera woluminów logicznych przed prezentacją końcowych LUN — czyli reprezentacji dysków — w sieci, ale nie jest to wymagane, aby być SANem.

Oznacza to oczywiście, że wiele jednostek LUN z SAN można łączyć w jednej macierzy RAID lub kontrolować za pomocą warstwy woluminów logicznych. I oczywiście oznacza to, że LUN z SAN, fizyczny dysk twardy, macierz RAID, wolumin logiczny, partycja… mogą wszystkie zostać sformatowane systemem plików, gdyż są różnymi sposobami osiągnięcia tego samego rezultatu. Wszystkie zachowują się identycznie. Wszystkie mają wspólny interfejs reprezentacji dysku.

Aby podać rzeczywisty przykład, jak wszystkie te elementy często współdziałają, przyjrzyjmy się jednemu z najczęstszych “stosów pamięci masowej” spotykanemu w środowiskach korporacyjnych. Oczywiście istnieje wiele sposobów budowania stosu pamięci masowej, więc nie zdziw się, jeśli Twój wygląda inaczej. Na dole stosu niemal zawsze znajdują się fizyczne dyski twarde, w tym potencjalnie dyski SSD. Są one fizycznie zlokalizowane wewnątrz SAN. Przed opuszczeniem SAN stos będzie prawdopodobnie zawierał właściwą warstwę pamięci masowej dysków, następnie warstwę RAID łączącą te dyski w jedną całość. Potem warstwę woluminów logicznych umożliwiającą funkcje takie jak rozbudowa i migawki. Następnie istnieje fizyczna granica między SANem a serwerem, która jest prezentowana jako LUN. Do LUN po stronie serwera / systemu operacyjnego stosowany jest następnie menedżer woluminów logicznych. Na wierzchu tego LUN umieszczony jest system plików — to nasz ostatni krok, gdyż system plików nie kontynuuje prezentacji interfejsu reprezentacji dysku, lecz zamiast tego interfejsu plikowego.

Rozumienie reprezentacji dysków — czyli dysków logicznych — i tego, jak umożliwiają one interfejsowanie komponentów ze sobą w celu budowania złożonych podsystemów pamięci masowej, jest kluczowym elementem wiedzy IT i ma szerokie zastosowanie w dużej liczbie działań IT.