Жесткие диски

Жесткие диски являются очень важной частью любого современного компьютерного устройства, к числу которых относятся и цифровые видеорегистраторы, используемые в видеонаблюдении. Следовательно, необходимо понимать принципы их работы, основные технические характеристики и знать об ограничениях, накладываемых технологией. Жесткий диск или накопитель на жестких магнитных дисках (это полное название) предназначен для долговременного хранения информации. В отличие от оперативной памяти (ОЗУ, RAM), которая теряет всю информацию после выключения питания компьютера, жесткий диск хранит информацию постоянно, что позволяет сохранять на нем программы, файлы и другую нужную информацию. Кроме того, жесткие диски имеют значительно больший объем, чем оперативная память. Сейчас на одном жестком диске уже может храниться около 400 Гбайт информации.

Жесткий диск состоит из 4 основных элементов: пластинки, шпиндель, считывающие/записывающие головки и интегрированная электроника. Пластинки представляют собой твердые диски из металла или пластика, обе стороны которого покрыты тонким слоем оксида железа или другого намагничиваемого материала. Эти пластинки надеты на центральную ось или шпиндель, который вращает все пластинки с одинаковой скоростью. Считывающие/записывающие головки закреплены на специальных держателях по обе стороны каждого диска и могут перемещаться от центра до края пластинки. Это движение в сочетании с высокой скоростью вращения пластинок, позволяет головкам получить доступ ко всем областям пластинок. Интегрированная электроника позволяет переводить команды, поступающие от компьютера, и позиционировать головки в соответствующие области пластинок, осуществляя процесс считывания и записи нужной информации.

Компьютеры записывают данные на жесткие диски в виде последовательности двоичных битов. Каждый записанный на жестком диске бит закодирован ориентацией частиц оксидного слоя пластинки. При записи данных компьютер посылает серию битов на жесткий диск. Когда диск принимает эту последовательность, то он использует записывающую головку, чтобы намагнитить соответствующие области оксидного слоя пластинки и таким образом осуществляет запись. Биты не обязательно хранятся в той последовательности, в какой они были отправлены на жесткий диск. Например, данные одного файла могут быть записаны в разных областях и на разных пластинках жесткого диска, а когда компьютер требует информацию, записанную на жестком диске, головки жесткого диска будут спозиционированы на все нужные участки пластинки. В процессе считывания информации головки жесткого диска определяют ориентацию элементов оксидного слоя на пластинке, затем эта информация декодируется и пересылается компьютеру. Считывающие/записывающие головки жесткого диска могут получить доступ к любому участку пластинок в любое время, что позволяет считывать и записывать данные произвольно, а не последовательно, как в случае с магнитной лентой. Поскольку жесткие диски характеризуются произвольным доступом, они могут считать или записать информацию в течение нескольких миллисекунд.

Рис. 9.57. Основные механические детали жесткого диска

Для того чтобы операционная система компьютера «знала», где искать нужную информацию на жестком диске, он разбивается на отдельные области, что позволяет компьютеру легко и быстро найти нужные последовательности битов.

Такой способ разметки жесткого диска называется форматированием. Форматирование подготавливает жесткий диск к записи файлов таким образом, что нужная информация может быть быстро считана, когда это потребуется.

Прежде чем можно будет использовать новый жесткий диск, его необходимо отформатировать. Форматирование – это метод организации записанной на диск информации, зависящий от операционной системы.

Существует два вида форматирования жестких дисков: низкоуровневое и высокоуровневое. Низкоуровневое форматирование осуществляется прежде, чем высокоуровневое.

Рис. 9.58. Два основных формата жестких дисков: жесткие диски 3.5" используются в настольных компьютерах, а жесткие диски 2.5" применяются в ноутбуках

Форматирование осуществляется разметкой поверхности на секторы, кластеры (группа секторов) и дорожки в соответствии с используемой операционной системой. Дорожки представляют собой окружности, отмеченные на каждой стороне пластинки (такие же дорожки можно видеть на виниловой пластинке или компакт‑диске). Дорожки отличаются номерами. Их нумерация начинается с нулевой дорожки, расположенной ближе других к внешнему краю пластинки. Дорожки разделяются на меньшие участки – секторы, используемые для хранения фиксированных объемов данных. Секторы обычно форматируются таким образом, что содержат 512 байтов данных (1 байт состоит из 8 бит). Цилиндр состоит из набора дорожек, которые находятся на одном и том же расстоянии от шпинделя на всех сторонах магнитных пластинок. Например, третья дорожка на каждой стороне у каждой магнитной пластинки находится на одном и том же расстоянии от шпинделя. Если представить, что эти дорожки вертикально соединены, то мы получим форму цилиндра. Программное и аппаратное обеспечение компьютера очень часто работает, используя цилиндры. Когда данные организованы на жестком диске цилиндрами, к ним можно быстро получить доступ без многократного позиционирования головок жесткого диска. Поскольку позиционирование головок производится достаточно медленно по сравнению со скоростью вращения магнитных пластинок и переключением между головками, запись цилиндрами значительно сокращает время доступа к информации на жестком диске.

Рис. 9.59. Цилиндры формируются из дорожек на обеих сторонах магнитных пластинок

После того как жесткий диск был отформатирован на низком уровне, магнитные свойства покрытия пластинки с течением времени постепенно ухудшаются. Со временем головкам жесткого диска становится все труднее считывать и записывать информацию в секторы магнитной пластинки. Секторы, которые стали непригодны для хранения данных, называют дефектными (bad sectors). К счастью, качество современных жестких дисков таково, что дефектные секторы на них встречаются относительно редко. Более того, современные компьютеры умеют определять, когда сектор испортился и отмечать его как дефектный. После этого сектор больше не будет использоваться для хранения данных, а вместо него будет выбран другой сектор из резервной области.

После того как жесткий диск был отформатирован на низком уровне, требуется произвести высокоуровневое форматирование, которое помещает на диск файловую систему, что позволяет операционной системе, такой, как Windows или Linux, использовать доступное пространство для хранения файлов.

Различные операционные системы используют разные файловые системы, поэтому высокоуровневое форматирование определяется используемой операционной системой.

Рис. 9.60. Разбивка жесткого диска на разделы (партиции)

Если мы форматируем весь жесткий диск только под одну файловую систему, то это автоматически ограничивает количество и типы операционных систем, которые могут быть установлены на него. Но если мы разбиваем диск на несколько разделов (партиций), то каждый из разделов может быть отформатирован под разные файловые системы, что позволит установить на один жесткий диск несколько разных операционных систем. Кроме того, разбивка жесткого диска на разделы позволяет использовать дисковое пространство более эффективно.

Для того чтобы считывать или записывать данные, головка жесткого диска должна быть позиционирована над нужной дорожкой вращающейся магнитной пластинки. Те значения времени поиска (seek time ), которые указывают производители жестких дисков, обычно учитывает еще и время, нужное для того, чтобы магнитная головка перестала вибрировать после перемещения (время стабилизации, settling time ).

Затем учитывается время, которое потребуется, чтобы нужный сектор оказался под магнитной головкой (задержка вращения, rotational latency ). Современные диски используют позиционирование с ускорением, это означает что, получив команду сменить дорожку, магнитная головка начинает ускоряться до тех пор, пока она не пройдет половину пути до искомой дорожки, затем до подхода к нужной дорожке происходит замедление. Поэтому среднее время поиска всего лишь в несколько раз больше минимального времени поиска. Максимальное время поиска обычно примерно в два раза больше среднего времени поиска, поскольку головка достигает максимальной скорости перемещения, прежде чем дойдет до средней дорожки. Минимальное время поиска дорожки – это время, которое тратится на перемещение головки на соседнюю дорожку. При чтении больших блоков информации, как, например, при считывании архивных записей нашим цифровым видеорегистратором, именно этот параметр будет определять производительность жесткого диска. Среднее время доступа более важно при произвольном считывании небольших объемов информации (например, при перемещении по дереву директорий).

Время доступа складывается из времени переключения между головками, времени поиска нужной дорожки, задержки вращения и времени считывания сектора. Большее количество головок сокращает время, уходящее на механическое позиционирование на новую дорожку. При повышении скорости вращения увеличивается максимальная скорость передачи данных и сокращается задержка вращения, которая представляет собой дополнительное время ожидания появления нужного сектора под магнитной головкой. Приведенная таблица показывает различия между жесткими дисками с разной скоростью вращения и максимальную скорость передачи данных (на этом мы остановимся чуть позже), которая является самым важным параметром, отвечающим за то, какой максимальный объем информации мы можем записать на жесткий диск за единицу времени.

(Задержка вращения в данном случае рассчитывалась следующим образом. Например, для 7200 об/мин скорость вращения (7200) делится на 60 секунд = 120 об/сек и берется обратное значение, но это будет максимальная задержка вращения… Когда же говорят об этом параметре, то очень часто подразумевается среднее значение. Так как время ожидания случайного сектора будет иметь равномерное распределение, то средняя задержка вращения будет равна половине максимальной. Прим. ред .)

_{* Высокая скорость вращения требует дополнительного охлаждения жесткого диска}

Для каждого жесткого диска определена скорость вращения, которая выражается в оборотах в минуту (revolutions per minute, rpm , об/мин). Этот параметр, кстати, дает очень хорошее представление о производительности жесткого диска. Жесткие диски для настольных ПК обычно имеют 5400 об/мин или 7200 об/мин. При этом жесткие диски с 7200 об/мин работают на 10 % быстрее дисков с 5400 об/мин, но они и дороже на 10–30 %. Старшие серии моделей жестких дисков, которые имеют 10,000 об/мин или 15,000 об/мин, позволяют добиться лишь незначительного прироста в производительности, а их стоимость будет отличаться значительно и в большую сторону, так как в большинстве случаев они имеют SCSI‑интерфейс и функции для повышения надежности. Кроме того, высокая скорость вращения шпинделя жесткого диска требует большего энергопотребления, что приводит к большему нагреву жестких дисков. Охлаждение очень важно для всех жестких дисков, но особенно важно оно именно для дисков с высокой скоростью вращения. Таким образом, для обычного цифрового видеорегистратора жесткие диски со скоростью вращения 5400 или 7200 об/мин будут вполне приемлемы и окажутся удачным компромиссом между достаточной скоростью и разумной стоимостью.

Если два жестких диска имеют одинаковую скорость вращения шпинделя, то предпочтительнее окажется тот из них, у которого время поиска меньше. Разница во времени поиска, которая варьируется от 3.9 миллисекунды для сверхбыстрых жестких дисков со SCSI‑интерфейсом до 12 миллисекунд у более медленных дисков с IDE‑интерфейсом, может быть заметна при работе с большими базами данных, когда головки жесткого диска «бегают» по всем дорожкам, но это также будет заметно при поиске архивных записей в цифровом видеорегистраторе по событиям или по времени записи.

Рис. 9.61. Расположение загрузочных областей

Кэш‑память (cache ) – это еще один параметр, который характеризует жесткий диск. Он обозначает объем внутренней памяти жесткого диска. Предназначенная для того чтобы сократить количество обращений к жесткому диску, кэш‑память содержит комбинацию часто запрашиваемой и недавно запрошенной с диска информации. Большой объем кэш‑памяти в целом позволяет повысить производительность жесткого диска, когда к нему одновременно обращаются несколько пользователей. Хотя незначительная разница в объеме кэш‑памяти не имеет большого значения для производительности, малый объем кэш‑памяти говорит о том, что мы столкнулись со старым и медленным жестким диском. Операционные системы стараются повысить общую производительность, сокращая избыточную активность жесткого диска. Для этого наиболее часто используемые данные помещаются в оперативную память, что сильно сокращает количество обращений к жесткому диску. Запись новых данных тоже может производиться с задержкой, в более удобное для этого время. Существуют и другие способы сокращения обращений к жесткому диску. Например, при буферизации дорожки жесткого диска, при задержке вращения считываются все сектора этой дорожки в ожидании появления нужного сектора под магнитной головкой, так как с большой долей вероятности они потребуются сразу после чтения нужного сектора. В современных жестких дисках буферизацией дорожек занимается кэш‑память встроенного контроллера диска.

Современные жесткие диски имеют кэшпамять объемом от 2 до 4 Мбайт для буферизации дорожек, что убирает задержку вращения. Некоторые жесткие диски высокого класса имеют 8 или даже 16 Мбайт кэш‑памяти. Впрочем, скорость вращения по‑прежнему ограничивает максимальную скорость передачи данных.

Рис. 9.62. Жесткие диски большого объема обычно имеют несколько головок и пластинок

Несмотря на «умную» электронику, которая позволяет повысить производительность жестких дисков, в первую очередь она определяется именно механическими характеристиками накопителя. По этой причине факторы, влияющие на производительность механических частей жесткого диска, также будут влиять на его надежность и срок службы. Высокая температура, пыль, влажность, сотрясения, вибрации могут послужить причиной поломки жесткого диска. Наиболее частыми причинами сбоев жесткого диска, с которыми мы сталкиваемся на практике в видеонаблюдении, являются перегревы и пыль.

Не будет преувеличением, если мы скажем, что жесткие диски в некоторых цифровых видеорегистраторах эксплуатируются более интенсивно, чем жесткие диски во многих интернет‑серверах. К сожалению, культуре обращения с оборудованием у пользователей цифровых видеорегистраторов далеко до пользователей, устанавливающих корпоративные серверы и интернет‑серверы. С цифровыми видеорегистраторами очень часто обращаются так, словно стремятся от них поскорее избавиться, устанавливая их в помещениях с минимальной вентиляцией, где много пыли и высокая влажность. При проектировании систем видеонаблюдения мы всегда должны настаивать, чтобы с жесткими дисками обращались, как если бы они были установлены в корпоративном сервере.

Рис. 9.63. Один из немногих производителей, который заботится о жестких дисках в цифровых видеорегистратораях. Для этого устанавливаются воздушные фильтры и датчики мониторинга вентиляторов, внешней и внутренней температуры

В современной конкурентной гонке производители цифровых видеорегистраторов стараются достичь более высоких скоростей записи и более высокого уровня компрессии при том же качестве, что и у их конкурентов. Но только очень немногие уделяют должное внимание условиям эксплуатации своей продукции и улучшают их за счет установки фильтров воздуха, температурных датчиков и датчиков скорости вращения внутренних вентиляторов. Все это вместе с использованием стабильной операционной системы увеличивает срок службы цифровых видеорегистраторов. Кроме того, будет очень мало пользы от самой высокой скорости записи и самого лучшего и быстрого алгоритма сжатия, если полученные кадры мы не можем записать на рабочий жесткий диск.

Существует несколько разных стандартов интерфейсов, которые позволяют вести обмен данными между компьютером и жесткими дисками. Сейчас применяются такие интерфейсы, как ATA, SCSI, RAID и SATA. Их мы подробнее рассмотрим далее в книге. Каждый интерфейс имеет свои преимущества и недостатки, но производительность в первую очередь зависит от самого жесткого диска, а не от его интерфейса. Внутренняя скорость передачи данных (sustained transfer rate или internal transfer rate ) жесткого диска определяет и то, сколько телекамер и с какой скоростью мы сможем записывать на наш цифровой видеорегистратор. Внутренняя скорость передачи данных, которая в современных жестких дисках варьируется в пределах 14–60 Мбайт/с, показывает то, с какой скоростью можно считывать данные в кэш‑память с внешней (то есть самой дальней от шпинделя) дорожки жесткого диска. В целом, она определяет общую скорость передачи данных в тех случаях, когда кэш‑память не используется или не влияет на быстродействие (например, при считывании очень больших файлов, таких, как архивные записи цифрового видеорегистратора). Внутренняя скорость передачи данных очень сильно зависит от скорости вращения шпинделя, и, разумеется, она всегда будет ниже внешней скорости передачи данных (external data transfer rate или burst data transfer rate ), которая показывает, с какой скоростью происходит обмен данными между кэш‑памятью жесткого диска и оперативной памятью компьютера. Внутренняя скорость передачи данных является важным параметром для жестких дисков цифрового видеорегистратора, и от него зависит скорость записи и воспроизведения. Впрочем, производительность цифрового видеорегистратора зависит от многих других параметров, таких, как операционная система, центральный процессор, скорость сжатия изображений, размер видеопотоков и т. д., но если жесткий диск не справляется с потоками информации, то и скорость записи цифрового видеорегистратора тоже окажется значительно ниже теоретического максимума.

А теперь рассмотрим эту проблему в практической плоскости на конкретном примере. Предположим, что мы достаточно «консервативны» в выборе оборудования и у нас имеется не очень быстрый жесткий диск, внутренняя скорость передачи данных которого составляет только 14 Мбайт/с. Если нам привычнее считать в мегабитах в секунду, то данное значение нужно умножить на 8, что даст нам скорость передачи данных 112 Мбит/с. Теперь давайте предположим, что мы ведем запись на цифровой видеорегистратор с алгоритмом компрессии JPEG, а размер изображения приемлемого качества составляет, допустим, 40 килобайт.

Если, кроме записи, мы больше ничего не делаем на цифровом видеорегистраторе (т. е. не просматриваем архив), то максимальная (теоретическая скорость записи) такого устройства рассчитывается делением скорости 14 Мбайт/с на размер одного кадра (40 килобайт), что даст нам примерно 350 кадров в секунду. Если к цифровому видеорегистратору подключено 16 телекамер, то теоретическая скорость записи одной телекамеры будет 350/16=21 кадр в секунду. Это будет теоретическим максимумом только в том случае, если цифровой видеорегистратор не выполняет никакой другой работы, кроме записи. На практике цифровой видеорегистратор «тратит время» и на временную коррекцию, то есть синхронизирует несинхронизированные телекамеры. Это уменьшает скорость записи еще примерно в два раза до 10 кадров в секунду для одной телекамеры. Если мы захотим воспроизвести архивную запись или провести архивацию, то это тоже уменьшит скорость записи не менее чем на 50 %, что с выбранным жестким диском нам позволит получить максимум 5 кадров в секунду для одной телекамеры. Кроме того, нужно учитывать различные служебные обращения операционной системы к жесткому диску. При этом наши рассуждения будут справедливы только тогда, когда в цифровом видеорегистраторе применяется аппаратная компрессия, которая освобождает центральный процессор от сжатия изображений. Вы часто будете встречать утверждения, что в цифровом видеорегистраторе применяется очередной алгоритм программного сжатия, «имеющий лучшие характеристики среди всех известных». На практике это означает, что теоретический максимум скорости записи будет ограничен еще и производительностью центрального процессора и в нашем случае снизится еще более, упав до 1–2 кадров в секунду. И есть еще один важный, но практически незаметный фактор, который необходимо учитывать в нашем примере. Это фрагментация файлов, которая увеличивается тем больше, чем дольше мы ведем запись. Фрагментация файлов может значительно снизить скорость записи, хотя и не влияет на внутреннюю скорость передачи данных жесткого диска. Впрочем, в численном выражении ее выразить затруднительно, так как эта фрагментация будет зависеть от типа файловой системы, операционной системы, особенностей ПО и хранения данных в цифровом видеорегистраторе. При высоком уровне фрагментации файлов жесткий диск будет затрачивать много времени для поиска фрагментов файла на разных дорожках.

Как это следует из приведенного выше примера, на скорость записи цифрового видеорегистратора влияет очень много факторов и процессов. Жесткие диски оказываются начальным и конечным звеном в цепочке этих процессов.

Различные файловые системы

Для записи информации на жесткие диски и сменные носители каждая операционная система использует какую‑нибудь файловую систему, чтобы при необходимости эту информацию можно было найти и считать. Эта фундаментальная и важная концепция определяет гибкость, емкость и безопасность различных систем, поэтому в данном разделе мы перечислим основные файловые системы, используемые в настоящее время.

Все файловые системы состоят из структур, необходимых для хранения и управления информацией.

Файловая система выполняет три основные функции: она следит за свободным дисковым пространством и пространством, выделенным для хранения файлов; она поддерживает структуру директорий и файловых имен; и она хранит ссылки на физическое расположение файлов на жестком диске.

Различные операционные системы используют различные файловые системы. Некоторые операционные системы, такие, как Windows, могут работать только со своими файловыми системами. Другие ОС (Linux и Mac OS X) умеют работать не только со своими, но и с другими файловыми системами.

Приведем список часто встречающихся файловых систем:

– Ext – (Extended file system ), файловая система, предназначенная для операционных систем Linux

– Ext2 – (Extended file system 2 ), файловая система, предназначенная для операционных систем Linux

– Ext3 – (Extended file system 3 ), файловая система, предназначенная для операционных систем Linux (Ех12+протоколирование)

– FAT – (File allocation table 32 ), 12‑ и 16‑разрядная файловая система, которая используется в DOS и Windows

– FAT32 – (File allocation table 32 ), 32‑разрядная файловая система, которая используется в Windows

– HFS – (Hierarchical File System ), файловая система, применявшаяся в старых версиях Mac OS

– HFS+ – (Hierarchical File System+), файловая система, применяющаяся в новых версиях Mac OS

– HPFS – (High Performance File system ), файловая система, применявшаяся в IBM OS/2

– ISO 9660 – используется на дисках CD и DVD‑ROM (Rock Ridge и Joliet – это ее расширения)

– JFS – (IBM Journaling File system ), файловая система, применяемая в Linux, OS/2 и AIX, которая использует журналирование

– NTFS – файловая система, применяющаяся в операционных системах семейства NT (Windows NT, 2000 и ХР)

– ReiserFS – файловая система для Linux и Unix, которая использует журналирование О UDF – пакетно‑ориентированная файловая система для записываемых и перезаписываемых носителей, таких, как CD‑RW и DVD‑R

– UFS – файловая система Unix и Mac OS X

Рис. 9.64. Типичные цифровые видеорегистраторы, применяемые в настоящее время в видеонаблюдении, имеют 16 видеовходов, но существуют модели с 18, 24 или 32 видеовходами

FAT (File Allocation Table)

Предложенная компанией Microsoft в1983 году файловая система FAT была разработана для операционной системы MS‑DOS и использовалась в несерверных версиях Microsoft Windows вплоть до Windows ME (включительно). Даже при размере кластера 512 байт эта файловая система позволяла адресовать до 32 Мбайт дискового пространства, чего вполне хватало для жестких дисков объемом 10 и 20 Мбайт, которые были стандартом во времена персональных компьютеров XT. Но время шло, и были выпущены диски размером свыше 32 Мбайт, поэтому пришлось использовать кластеры с большим размером. Так использование кластеров размером 8192 байт (8 килобайт) позволило файловой системе адресовать пространство размером 512 Мбайт. Впрочем, такие большие размеры кластеров привели к проблеме внутренней фрагментации, когда большое количество маленьких файлов очень неэффективно использовали дисковое пространство. Так в этом случае 1 файл размером один байт занимал весь кластер размером 8192 байт, что означало потерю 8191 байта дискового пространства, а когда таких файлов было несколько тысяч, то дисковое пространство просто уменьшалось в размерах в несколько раз.

Файловая система FAT считается относительно простой и поэтому она очень часто используется для форматирования дискет. Кроме того, она поддерживается практически всеми операционными системами для персональных компьютеров, поэтому ее часто используют в том случае, когда на компьютере установлено несколько разных операционных систем. Также файловая система FAT используется для сменных носителей, таких, как флэш‑память и т. п.

В системе FAT используется корневая директория, которая имеет ограничение на количество записей и должна находиться в строго определенном месте на диске или в разделе диска.

Хотя файловая система FAT является одной из старейших, ее будут использовать еще довольно долго, так как она идеально подходит для сменных носителей небольшого объема, таких, как дискеты. Помимо компьютеров, она с успехом используется на сменных носителях других устройств (память для цифровых фотоаппаратов и другой бытовой электроники).

FAT32 (File Allocation Table 32)

В 1997 году компания Microsoft разработала новую файловую систему FAT32, которая была дальнейшим развитием концепции FAT, так как в рамках самой FAT возможность увеличения размеров кластеров была уже физически исчерпана. Для FAT самым большим допустимым размером кластера было 32 килобайта, что позволяло адресовать 2 гигабайта дискового пространства. Компания Microsoft решила применить 32‑битную файловую систему, в которой сейчас фактически используются 28 бит для адресации кластеров.

Теоретически, это должно давать 268,435,438 доступных кластеров (2 в степени 28), что позволяет поддерживать жесткие диски объемом во много терабайт, но на практике ограничение утилиты ScanDisk (программа от Microsoft, которая используется для проверки жестких дисков), не позволяет использовать более 4,177,920 кластеров, что не позволяет использовать диски размером свыше 124.55 гигабайт.

Таким образом, FAT32 представляет собой 32‑битную версию предыдущей 16‑битной файловой системы FAT В результате FAT32 поддерживает значительно большие жесткие диски или разделы жестких дисков (до 2 терабайт). Эта файловая система уже может использоваться в Windows 95 (Service Pack 2) и в Windows 98/2000/ХР. Предыдущие версии DOS и Windows не смогут распознать FAT32, и поэтому они не смогут произвести загрузку или использовать файлы с диска или раздела жесткого диска, которые отформатированы с использованием файловой системы FAT32. Среди других характерных отличий от FAT можно назвать меньший размер кластеров, дублирование загрузочной записи, а корневая директория в FAT32 может быть любого размера и располагаться где угодно на жестком диске или его разделе.

NTFS (New Technology File System)

NTFS (New Technology File System) является стандартной файловой системой для Microsoft Windows NT и последовавших за ней Windows 2000, Windows XP и Windows Server 2003. NTFS во многом копирует концепцию HPFS, файловой системы, которая была создана Microsoft и IBM для замены устаревшей файловой системы FAT, унаследованной от MS‑DOS. В файловой системе HPFS было реализовано несколько усовершенствований для повышения производительности и более рационального использования дискового пространства: поддержка метаданных (metadata ) и использование дополнительных структур данных (advanced data structures). Все это есть и в NTFS, но кроме этого имеется журналирование и списки управления доступом к файлам.

В файловой системе NTFS есть все, что имеет хоть какое‑то отношение к файлам (имя, дата создания, права доступа и даже тип информации). Все это записывается как метаданные. Для хранения данных файловой системы используются двоичные деревья. Несмотря на сложность реализации, такой подход позволяет получить более быстрый доступ к данным и уменьшает фрагментацию. Журнал используется для того, чтобы гарантировать целостность самой файловой системы, но не каждого отдельного файла.

Операционные системы, которые используют NTFS, имеют повышенную надежность, что было очень важным требованием, учитывая нестабильность первых версий Windows NT.

Поскольку детали реализации закрыты, независимые разработчики столкнулись с рядом проблем при попытке создания инструментов для работы с NTFS. В настоящее время ядро операционной системы Linux включает в себя модуль, которые позволяет считывать данные из разделов NTFS. Впрочем, общая сложность файловой системы и ограниченность ресурсов очень долго не позволяли реализовать поддержку записи в разделы NTFS.

На жестких дисках небольшого объема не рекомендуется использовать файловую систему NTFS, так как она использует значительные объемы дискового пространства для хранения своих структур. Центральная структура этой файловой системы называется главной файловой таблицей (master file table , MFT). NTFS хранит несколько копий критически важных частей главной файловой таблицы, чтобы предотвратить повреждение файловой системы и потерю данных. Так же, как FAT и FAT32, NTFS использует кластеры для хранения данных файла. Впрочем, размер кластера не зависит от размера жесткого диска или раздела жесткого диска. Можно использовать и маленькие кластеры размером по 512 байт независимо от того, какого размера раздел жесткого диска. Такие кластеры можно использовать с разделом объемом как 6 Гбайт, так и 60 Гбайт. Использование маленьких кластеров не только повышает эффективность использования дискового пространства, но и уменьшает фрагментацию, (то есть распределение одного файла по нескольким кластерам, которые не являются соседними, что значительно увеличивает время считывания файла).

За счет использования небольших размеров кластера NTFS обеспечивает хорошую производительность и экономное расходование дискового пространства даже на жестких дисках очень большого объема. И, наконец, файловая система NTFS поддерживает функцию горячего исправления (hot fixing), которая позволяет автоматически определять дефектные секторы жесткого диска и помечать их, чтобы они более не использовались файловой системой.

Ext2

Ext2 (extended file system 2 ) была на протяжении нескольких лет стандартной файловой системой для операционной системы Linux и до сих пор остается популярной. Изначально она была разработана Реми Кард на основе концепции расширенной файловой системы. Ее быстродействие достаточно высоко для того, чтобы ее использовали в качестве эталона для сравнения. Основным недостатком этой файловой системы было отсутствие журналирования. Ext2 поддерживает жесткие диски или разделы жестких дисков объемом до 4 терабайт. Ее усовершенствованная версия Ext3 имеет функцию журналирования и совместима с Ext2.

Ext3

Ext3 (extended file system 3 ) – это файловая система с журналированием, которая становится все более популярной среди пользователей операционной системы Linux. Хотя по масштабируемости и производительности она уступает своим конкурентам, таким, как ReiserFS и XFS, у нее есть одно существенное преимущество, которое заключается в том, что пользователи могут сразу перейти на нее с другой популярной файловой системы Ext2 без необходимости копирования данных, хранящихся на жестком диске.

В новой файловой системе добавлена функция журналирования, без которой Ext3 представляет собой полный аналог Ext2. Кроме того, раздел с Ext3 может быть подключен и использоваться, как если бы он был с файловой системой Ext2, что автоматически означает, что для работы с новой файловой системой Ext3 у вас в распоряжении окажется большой выбор проверенных утилит, чем не могут похвастаться ее прямые конкуренты.

ReiserFS

ReiserFS представляет собой компьютерную файловую систему, которую разработала и реализовала группа из Namesys под руководством Ганса Райзера. В настоящее время эта файловая система поддерживается Linux. Возможно, ReiserFS будет поддерживаться и в других операционных системах.

Появившись в ядре Linux с версии 2.4.1, ReiserFS была самой первой файловой системой с функцией журналирования, которую включили в стандартную поставку ядра. По сравнению с Ext2, другой файловой системой, которая включалась прежде в стандартную поставку ядра, ReiserFS обладала несомненным преимуществом, так как она использовала журнал транзакций для документирования всех изменений структуры файловой системы. Функция журналирования позволяет файловой системе быстро вернуться в стабильное состояние после непредвиденной перезагрузки в связи со сбоем электропитания или операционной системы. Эта функция позволяет значительно снизить вероятность повреждения файловой системы (а также необходимость продолжительных по времени проверок файловой системы). ReiserFS позволяет очень эффективно работать с директориями, содержащими большое количество небольших по размеру файлов. К сожалению, пользователям файловой системы Ext2, переходящим на ReiserFS, потребуется полностью переформатировать свои жесткие диски, что является значительным неудобством по сравнению с ее основным конкурентом Ext3. Впрочем, ряд очевидных преимуществ позволил ReiserFS стать файловой системой по умолчанию для многих дистрибутивов Linux.

HFSuHFS+

HFS Plus или HFS+ была разработана компанией Apple Computer для замены Hierarchical File System (HFS), файловой системы, используемой на компьютерах Macintosh. Кроме того, она используется как один из форматов файловой системы для жестких дисков МРЗ‑плееров iPod. Файловая система HFS Plus появилась 19 января 1998 года с выходом операционной системы Mac OS 8.1. Иногда эту файловую систему называют Mac OS Extended. HFS Plus является улучшенной версией файловой системы HFS, поддерживает большие файлы (длина 64 бит вместо 32 бит) и использует Unicode (вместо MacRoman) для имен элементов (файлов и папок). HFS Plus использует полностью 32‑битную таблицу размещения файлов, вместо 16‑битной, используемой в HFS (это было серьезным ограничением, так как диск мог содержать не более 65,536 секторов, что сперва само по себе было не страшно, но после того как жесткие диски перешагнули рубеж 1 Гбайт, пришлось увеличивать размеры секторов до такой степени, что потери на фрагментацию стали неприемлемыми). Также, как и HFS, HFS+ использует двоичные деревья для хранения большинства метаданных тома. 11 ноября 2002 года с появлением версии Mac OS 10.2.2 Apple добавила и функцию журналирования для повышения надежности хранения данных. Все это было доступно изначально и в Mac OS X Server, но в несерверной версии – только через командную строку.

Впрочем, к 2003 году с появлением версии Mac OS X 10.3 все тома HFS Plus на всех компьютерах Macintosh имели функцию журналирования, которая была включена по умолчанию.

XFS

– это мощная файловая система с функцией журналирования. XFS была разработана компанией SGI (Silicon Graphics Inc.) для своей операционной системы Их (одна из реализаций Unix). В мае 2000 года SGI выпустила XFS в рамках лицензии открытого кода. Эта файловая система поставляется с версиями 2.5.хх и 2.6.хх ядра Linux, но она была доступна для версий ядра 2.4.хх только в виде патча вплоть до выхода версии ядра 2.4.25, когда она стала достаточно стабильной.

UFS

UFS (UNIX file system) используется многими операционными системами Unix. Она произошла от файловой системы Berkeley Fast File System (FFS), которая в свою очередь является производной от файловой системы FS, которая использовалась в первых версиях Unix, разработанных в Bell Labs.

Почти все BSD‑производные операционные системы UNIX, включая FreeBSD, NetBSD, OpenBSD, NeXTStep и Solaris используют вариации UFS. В Mac OS X ее также можно использовать как альтернативу HFS. В Linux реализована частичная поддержка UFS support, а сама файловая система Ext2, входящая в ядро Linux, произошла от UFS.

Mac OS X – это самая последняя версия операционной системы Mac OS для компьютеров Macintosh. Разработанная компанией Apple Computer, эта операционная система имеет стабильность операционной среды Unix и традиционный популярный графический интерфейс Macintosh. Впервые Mac OS X была выпущена в 2001.

АТА, SCSI, RAID и SATA

Тип соединения (интерфейс) между жестким диском и системой (системная плата и центральный процессор компьютера) определяется одним из нескольких стандартов. EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics ) является одним из самых популярных интерфейсов. Его также называют АТА (Advanced Technology Attachment ).

Еще один распространенный стандарт SCSI (Small Computer System Interface ) в настоящее время стал утрачивать популярность. Причина, по которой SCSI все реже используется в видеонаблюдении, заключается в том, что жесткие диски АТА при меньшей стоимости уже практически сравнялись по скорости и надежности с жесткими дисками SCSI.

Жесткие диски АТА доминируют в компьютерной индустрии, и то же самое можно сказать о жестких дисках АТА, которые используются в видеонаблюдении в цифровых видеорегистраторах.

Большинство современных компьютеров позволяют подключить до 4 жестких дисков с интерфейсом EIDE без какого‑либо дополнительного аппаратного обеспечения, так как контроллер EIDE обычно уже встроен в системную плату.

Хотя SCSI‑контроллеры тоже могут быть встроены в системную плату, это не так часто встречается (особенно в последнее время, когда скорость жестких дисков АТА стала сопоставима со SCSI). Поэтому во многих цифровых видеорегистраторах (на базе платформы Intel), может быть установлено до 4 внутренних жестких дисков (если, конечно, для них найдется достаточно места внутри корпуса).

Современные накопители EIDE обычно соответствуют спецификациям АТА/100 или АТА/133. Число 100 означает, что максимальная скорость интерфейса составляет 100 Мбайт/с, и то же самое показывает число 133 в спецификации АТА/133, для которой 133 Мбайт/с будет внешней скоростью передачи данных.

Следует отметить, что внутренняя скорость передачи данных будет примерно в два раза меньше.

Обычно диски SCSI, которые требуют отдельный контроллер и стоят недешево, устанавливают только в серверы или в компьютеры, хранящие очень большой объем информации. Интерфейс SCSI устроен таким образом, что к нему можно подключать более 4 жестких дисков (обычно поддерживается до 16 устройств, одно из которых это сам контроллер). Это еще одна причина, из‑за которой диски SCSI используют, когда требуются большие объемы дискового пространства, хотя это получается дорого.

Есть несколько поколений стандарта SCSI. У последних поколений скорость передачи данных, разумеется, выше, чем у первых.

Сейчас распространены последние спецификации Ultra160 и Ultra 320, которые поддерживают очень высокие внешние скорости передачи данных (160 Мбайт/с и 320 Мбайт/с соответственно).

В последнее время в связи с ростом требований, предъявляемых к размеру дискового пространства и надежности хранения данных, в видеонаблюдении получили широкое распространение устройства, называемые RAID‑массивами.

Аббревиатура RAID расшифровывается как избыточный массив недорогих (независимых) дисков (Redundant Arrays of Inexpensive (Independent) Disks), и уже само название очень хорошо описывает его концепцию. RAID объединяет в массив несколько небольших по размеру жестких дисков (обычно АТА) для повышения производительности или надежности. Если один из дисков выходит из строя, то данные не будут потеряны, и вышедший из строя диск обычно можно заменить в процессе работы. Для организации RAID‑массива, как правило, требуется отдельный контроллер (как в случае с дисками SCSI), а сам массив представляется в операционной системе не как набор дисков, а как отдельный логический диск.

Имеется два важных соображения при выборе жестких дисков для RAID‑массива: размер диска и скорость вращения. Современные контроллеры работают в основном с жесткими дисками UltraATA/100 или даже UltraATA/133, поэтому они будут достаточно быстры. Высокая скорость вращения дисков позволяет достичь высокой скорости передачи данных и снизить время доступа, но это всегда сопровождается повышением температуры, а также уровня вибрации и шума. В принципе для RAID‑массива подойдут любые жесткие диски.

Рис. 9.65. Стандарт параллельной передачи данных ATA (EIDE)

Рис. 9.66. RAID‑массив с избыточным резервированием, использующий жесткие диски АТА, с возможностью горячей замены

Сейчас для построения RAID‑массивов используются 6 типов архитектуры, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки в функциональности и производительности. Кроме 6 типов архитектуры RAID с избыточностью (то есть повышенной надежностью), сейчас очень часто архитектуру массива дисков без функции избыточности называют RAID‑0. Далее мы рассмотрим все 7 типов архитектуры RAID.

– RAID‑0 (striping , массив с чередованием)

Это самая быстрая и эффективная архитектура массива, но она не предлагает отказоустойчивости, то есть функция избыточности не реализована. Таким образом, с технической точки зрения RAID‑0 не соответствует принципам RAID, поэтому RAID‑0 не дает никаких преимуществ в надежности хранения данных. В рамках данной архитектуры все данные равномерно распределяются между всеми дисками массива, которые называются набором томов с чередованием (stripe set ). Основное преимущество RAID‑0 заключается в скорости, так как скорость передачи данных увеличивается пропорционально количеству жестких дисков массива. Впрочем, если хотя бы один диск выйдет из строя, то данные всего массива будут утеряны.

– RAID‑1 (mirroring , зеркалирование)

RAID‑1 – это полная противоположность архитектуре RAID‑0. Основная задача здесь не повышение скорости, а обеспечение надежности хранения данных. При записи или считывании данных все диски массива используются одновременно. Таким образом, данные записываются одновременно на два и более диска, что эквивалентно созданию идеальной резервной копии, поскольку информация резервной копии не будет устаревать. RAID‑1 будет лучшим выбором при создании максимально отказоустойчивой системы.

– RAID‑2 (striping , массив с чередованием и коррекцией ошибок)

Принципы архитектуры RAID‑2 те же самые, что и у RAID‑0: данные распределяются по всем дискам массива, но не на уровне блоков, а на уровне битов, что необходимо для того, чтобы при обмене данными использовать код коррекции ошибок (ЕСС). Для этого потребуются дополнительные жесткие диски. Для обеспечения полной надежности хранения данных необходимо отводить 10 дисков для данных и 4 диска ЕСС для коррекции ошибок. Следующий уровень уже потребует 7 дисков для коррекции ошибок при 32 дисках для хранения данных. Это объясняет, почему RAID‑2 никогда не пользовался особой популярностью.

– RAID‑3 (data striping + dedicated parity , массив с чередованием и четностью)

В архитектуре RAID‑3 применяется более разумная коррекция ошибок. Данные байт за байтом распределяются по жестким дискам массива, а отдельный жесткий диск используется для хранения избыточных данных четности. Большинство контрольных дисков, используемых в архитектуре RAID‑2 используются для определения положения сбойного элемента, так как многие RAID‑контроллеры могут самостоятельно определить, где произошел сбой, то количество избыточных дисков можно сократить. В RAID‑3 используется только один избыточный диск, это становится как достоинством, так и недостатком данной архитектуры, поскольку при каждом обращении к массиву необходимо обращаться и к этому избыточному диску. Таким образом, преимущество в скорости от распределения данных по нескольким жестким дискам частично нивелируется. Для массива RAID‑3 потребуется не менее трех дисков и достаточно сложный контроллер. Все вышесказанное объясняет, почему RAID‑3 так же, как и подобные ему RAID‑4 и RAID‑5, никогда не пользовался массовой популярностью. RAID‑3 часто используется в тех случаях, когда требуется считывать и записывать очень большие последовательности данных в однопользовательской среде.

RAID‑3 не позволяет одновременно выполнять множественные операции ввода и вывода.

– RAID‑4 (data striping + dedicated parity , массив с чередованием и четностью)

RAID‑4 очень похож по своим принципам на RAID‑3, но распределение данных по дискам происходит на уровне блоков, а не байтов. Теоретически это должно было значительно повысить производительность, но на практике этого не происходит, так как избыточный диск по‑прежнему остается слабым звеном. Таким образом, RAID‑4 не дает особых преимуществ и не позволяет одновременно выполнять несколько операций записи.

– RAID‑5 (distributed data + distributed parity , массив с чередованием дисков и чередованием четности)

RAID‑5 обычно считается лучшим компромиссом между производительностью и надежностью хранения данных. Не только данные, но и контрольная информация распределяется по всем дискам. В результате RAID‑5 совсем немногим уступает RAID‑3 по производительности.

Впрочем, уровень отказоустойчивости не слишком высок, так как без потери данных только 1 диск массива может выйти из строя. Требуется не менее 3 дисков для организации такого массива.

RAID‑5 лучше всего подходит для многозадачной и многопользовательской среды, так как скорость записи в таком массиве достаточно высока.

– RAID‑6 (distributed data + distributed parity , массив с чередованием дисков и чередованием четности)

RAID‑6 очень похож на RAID‑5 во всем, кроме того, что хранится двойной объем контрольной информации, необходимой для восстановления массива в случае сбоев диска. Хотя такой подход несколько снижает производительность, он позволяет без потери данных пережить сбой даже двух жестких дисков. Но за все нужно платить. Результатом такого подхода стало то, что RAID‑6 требует не менее 5 дисков для организации массива, а скорость записи еще больше снизилась из‑за удвоения избыточной информации.

RAID‑массивы в видеонаблюдении приобретают все большую популярность, так как они позволяют увеличить время записи и повысить надежность хранения информации.

Чаще всего используется RAID‑5, хотя некоторые производители предлагают и RAID‑1 с зеркалированием.

Самый новый интерфейс обмена данными между системной платой и жестким диском получил название Serial ATA(SATA).

Этот стандарт последовательной передачи данных является дальнейшим развитием привычного стандарта АТА, предусматривающего параллельную передачу данных, и имеет три основных преимущества по сравнению со своим предшественником: скорость, удобство подключений и возможность горячей замены.

Первая версия Serial ATA имела скорость передачи данных 150 Мбайт/с, но в этот стандарт изначально заложена возможность ее увеличения. Так ожидается, что вторая версия позволит увеличить скорость передачи данных до 300 Мбайт/с, а 600 Мбайт/с мы получим уже к 2007 году. Впрочем, скорость передачи данных 150 Мбайт/с всего лишь на 17 Мбайт/с выше, чем у самого быстрого интерфейса АТА/133 с параллельной передачей данных. Самая большая проблема параллельной передачи данных заключается в том, что при увеличении скорости передачи очень трудно поддерживать синхронизацию нескольких параллельных линий. Новый последовательный интерфейс использует самые новые стандарты передачи сигналов. Впрочем, необходимость в столь высокоскоростных интерфейсах до сих пор является предметом дискуссии, так как самым слабым звеном по‑прежнему остается жесткий диск с его низкой скоростью внутренней передачи данных, что связано с механической составляющей жесткого диска.

На практике, самым большим преимуществом оказалась замена неудобных IDE‑кабелей на более гибкие кабели, которые имеют только 7 проводников и разъемы шириной 8 миллиметров с каждой стороны. Максимальная длина кабеля может составлять 1 метр, что в сравнении с короткими IDE‑кабелями (45 сантиметров в длину) с 40 или 80 проводниками будет большим подарком для инсталляторов. Кроме того, улучшается вентиляция системного блока, что нельзя недооценивать.

Рис. 9.67. Разъемы жесткого диска Serial АТА

Рис. 9.68. Кабели Serial АТА

Концепция использования на одном шлейфе нескольких устройств (master‑slave ) тоже осталась в прошлом, что не может не радовать, так как теперь можно забыть о многочисленных комбинациях перемычек на жестком диске. Теперь на одном кабеле может находиться только одно устройство. Все разъемы должны быть выполнены таким образом, чтобы их нельзя было подключить неправильно, а эта проблема существовала при подключении жестких дисков АТА.

Настоящие жесткие диски SATA также имеют другой разъем электропитания, который невозможно спутать с чем‑либо еще. В нем имеется 15 контактов с различным напряжением (3.3, 5 и 12 В). Во время перехода от параллельного к последовательному интерфейсу АТА планируется использовать различные адаптеры для подключения одного интерфейса к другому, что, впрочем, будет сказываться на быстродействии. В начале 2003 года проводились тесты, которые показали, что потери в быстродействии составляют от 30 до 50 %. В настоящее время многие производители жестких дисков уже выпускают накопители с полноценным интерфейсом Serial.

Среднее время наработки на отказ (MTBF)

Большинство производителей жестких дисков приводят для своей продукции такое значение, как среднее время наработки на отказ (MTBF, Mean Time Between Failure ). Обычно оно варьируется от 300,000 до 1,000,000 часов. С точки зрения обычного человека это немало (примерно 30‑100 лет). Впрочем, эти значения относятся больше к миру теории, чем гарантируют практическое применение. Развитие технологий не позволяет эффективно использовать жесткие диски на протяжении более чем двух лет: они раньше устаревают. Впрочем, статистика и математические расчеты позволяют получить важные данные о качестве жестких дисков и предполагаемом времени бесперебойной работы.

Практика показывает, что жесткие диски выходят из строя значительно раньше, чем истечет среднее время наработки на отказ. Это связано во многом с неадекватными условиями эксплуатации (удары, вибрации, сотрясения, перегрев вследствие недостаточного охлаждения, пыль), о чем мы уже говорили, но это всегда имеет смысл повторить.

Среднее время наработки на отказ основывается на простом экспоненциальном распределении вероятности сбоя, при этом вероятность сбоя равна

(47)

где е = 2.71, t – время, для которого вычисляется вероятность сбоя, а М – средняя наработка на отказ.

Так, например, при 500,000 часов наработки на отказ жесткого диска имеется 1 % вероятности того, что он выйдет из строя в течение 7 месяцев, 5 % – в течение 3 лет, 10 % – в течение 6 лет, и 50 % – в течение 40 лет.