ГЛABA 10  Управление внешней памятью

ГЛABA 10  Управление внешней памятью

Термин внешняя память (storage) относится к носителям, применяемым в самых разнообразных устройствах, в том числе к магнитным лентам, оптическим дискам, гибким дискам, локальным жестким дискам и сети устройств хранения данных (storage area networks, SAN). Windows предоставляет специализированную поддержку для каждого класса носителей внешней памяти. Поскольку основное внимание в этой книге уделяется компонентам ядра, мы рассмотрим лишь фундаментальные принципы работы той части подсистемы управления внешней памятью, которая имеет дело с жесткими дисками. Существенную часть поддержки сменных носителей и удаленных устройств внешней памяти Windows реализует в пользовательском режиме.

B этой главе мы исследуем, как драйверы устройств режима ядра взаимодействуют с драйверами файловой системы и дисками. Мы также рассмотрим разметку дисков на разделы, принципы абстрагирования и управления томами, применяемые диспетчером томов, а также реализацию средств управления дисками с несколькими разделами в Windows, включая репликацию и распределение данных файловой системы между физическими дисками для большей надежности и производительности. B заключение мы опишем, как драйверы файловой системы монтируют свои тома.

Базовая терминология

Чтобы полностью усвоить материал этой главы, вы должны четко понимать базовую терминологию.

• Диск — физическое устройство внешней памяти, например жесткий диск, 3,5-дюймовая дискета или компакт-диск (CD-ROM).

• Диск делится на секторы, блоки фиксированного размера. Размер сектора определяется аппаратно. Например, размер сектора жесткого диска, как правило, составляет 512 байтов, а размер сектора CD-ROM — обычно 2048 байт.

• Раздел (partition) — набор непрерывных секторов на диске. Адрес начального сектора раздела, размер и другие характеристики раздела хранятся в таблице разделов или иной базе данных управления диском, которая размещается на том же диске, что и данный раздел.

• Простой том (simple volume) — объект, представляющий секторы одного раздела, которым драйверы файловых систем управляют как единым целым.

• Составной том (multipartition volume) — объект, представляющий секторы нескольких разделов, которыми драйверы файловых систем управляют как единым целым. По таким параметрам, как производительность, надежность и гибкость в изменении размеров, составные тома превосходят простые.

Драйверы дисков

Драйверы устройств, участвующие в управлении конкретным устройством внешней памяти (накопителем), обобщенно называются стеком драйверов внешней памяти (storage stack). Ha рис. 10-1 показаны все типы драйверов, которые могут присутствовать в стеке. B этой главе мы описываем поведение драйверов устройств, расположенных в стеке ниже уровня файловой системы. (O драйвере файловой системы см. главу 12.)

Ntldr

Как вы уже видели в главе 4, первой частью процесса загрузки операционной системы Windows дирижирует Ntldr. Хотя с технической точки зрения Ntldr не является частью стека внешней памяти, он участвует в управлении ею, поскольку предоставляет поддержку для доступа к дисковым устройствам до того, как начнет работать подсистема ввода-вывода Windows. Он находится на системном томе и запускается кодом, размещенным в загрузочном секторе этого тома. Ntldr считывает с системного тома файл Boot.ini и предлагает пользователю выбрать вариант загрузки. Имена разделов в Boot.ini представлены в виде multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(l). Эти имена являются частью стандартной схемы именования разделов Advanced RISC Computing (ARC), используемой микрокодом Alpha и других RISC-процессоров. Ntldr транслирует имя выбранного пользователем элемента Boot.ini в имя загрузочного раздела и загружает в память системные файлы Windows (начиная с реестра, Ntoskrnl.exe и загрузочных драйверов). Bo всех случаях Ntldr использует BIOS для чтения диска, содержащего системный том, но, как описано в главе 4, иногда полагается на функции минипорт-драйвера диска для чтения с диска, где находится загрузочный том.

Драйвер класса дисков, порт- и минипорт-драйверы

При инициализации диспетчер ввода-вывода запускает драйверы жестких дисков. Драйверы устройств внешней памяти в Windows соответствуют архитектуре «класс-порт-минипорт». Согласно этой архитектуре, Microsoft предоставляет драйвер класса внешней памяти, который реализует функциональность, общую для всех устройств внешней памяти, и порт-драйвер, который поддерживает функциональность, общую для конкретной шины, например SCSI (Small Computer System Interface) или IDE (Integrated Device Electronics). A изготовители оборудования поставляют минипорт-драйверы, подключаемые к порт-драйверам и формирующие интерфейс между Windows и конкретными устройствами.

B архитектуре драйверов дисковой памяти только драйверы класса имеют стандартные интерфейсы драйверов устройств Windows. Минипорт-драйверы вместо интерфейса драйверов устройств используют интерфейс порт-драйверов, который просто реализует набор процедур, служащих интерфейсом между Windows и минипорт-драйверами. Такой подход упрощает разработку минипорт-драйверов, поскольку Microsoft предоставляет порт-драйверы, специфичные для операционной системы, а также обеспечивает переносимость минипорт-драйверов на уровне двоичного кода между Windows 98, Windows Millennium Edition и Windows.

Windows включает драйвер класса дисков (WindowsSystem32Drivers Disk.sys), реализующий стандартную функциональность дисков. Windows также предоставляет разнообразные порт-драйверы дисков. Например, Scsi-port.sys — это порт-драйвер дисков, подключаемых к SCSI-шине, a Atapi.sys — порт-драйвер для систем на базе IDE. B Windows Server 2003 введен порт драйвер Storport.sys, заменяющий Scsiport.sys. Storport.sys был разработан для реализации функциональности высокопроизводительных аппаратных RAID-контроллеров и адаптеров Fibre ChanneI. Модель Storport аналогична Scsiport, что упрощает изготовителям задачу переноса существующих SCSI-минипортов под Storport. Минипорт-драйверы, создаваемые разработчиками для использования Storport, используют преимущества нескольких механизмов Storport, повышающих производительность, в частности поддержки параллельной инициации и завершения запросов на ввод-вывод в многопроцессорных системах, более управляемой архитектуры очереди запросов на ввод-вывод и выполнения большей части кода при более низком уровне IRQL, чтобы свести к минимуму длительность маскирования аппаратных прерываний.

Драйверы Scsiport.sys и Atapi.sys реализуют версию алгоритма планирования дисковых операций, известную под названием C–LOOK. Эти драйверы помещают запросы на дисковый ввод-вывод в списки с сортировкой по первому сектору, которому адресован запрос; этот сектор также называется номером логического блока (logical block number, LBN). C помощью функций KeInsertByKeyDeviceQueue и KeRemoveByKeyDeviceQueue (документированных в Windows DDK) они представляют запросы ввода-вывода как элементы (items) и используют начальный сектор запроса в качестве ключа, требуемого этими функциями. Обслуживая запросы, драйвер проходит по списку с самого младшего сектора до самого старшего. Достигнув конца списка, он возвращается в его начало, так как за это время в список могли быть вставлены новые запросы. Если адреса запросов распределены по всему диску, этот подход приводит к постоянному перемещению головок из начальной области диска к его концу. Storport.sys не реализует планирование дисковых операций, поскольку он в основном применяется для управления вводом-выводом, адресованным массивам накопителей, где нет четкого определения начала и конца диска.

C Windows поставляются некоторые минипорт-драйверы, включая Aha 154x.sys для SCSI-контроллеров семейства Adaptec 1540. B системах, где установлено минимум одно IDE-устройство на основе ATAPI, функциональность минипортов предоставляют драйверы Pciidex.sys и Pciide.sys. Один или несколько упомянутых драйверов присутствует в большинстве систем Windows.

Драйверы iSCSI

iSCSI — это транспортный протокол для дисковых устройств, который интегрирует протокол SCSI с TCP/IP, благодаря чему компьютеры могут взаимодействовать с блочными накопителями, включая диски, по IP-сетям. Архитектура сети устройств хранения данных (storage area networking, SAN) обычно базируется на сети Fibre ChanneI, но администраторы могут использовать iSCSI для создания сравнительно недорогих SAN на основе таких сетевых технологий, как гигабитная Ethernet, что позволяет обеспечить масштабируемость, защиту от катастроф, эффективное резервное копирование и защиту данных. B Windows поддержка iSCSI реализуется в виде Microsoft iSCSI Software Initiator, который можно скачать с сайта Microsoft и который работает в Windows 2000, Windows XP и Windows Server 2003.

Microsoft iSCSI Software Initiator включает несколько компонентов.

• Initiator (инициатор) Этот необязательный компонент, состоящий из порт-драйвера iSCSI (WindowsSystem32DriversIscsiprt.sys) и мини-порт-драйвера (WindowsSystem32DriversMsiscis.sys), использует драйвер TCP/IP для реализации программного iSCSI поверх стандартных Ethernet и TCP/IP при наличии сетевых адаптеров с аппаратным ускорением сетевых операций.

• Initiator Service (служба инициатора) Эта служба, реализованная в WindowsSystem32Iscsiexe.exe, управляет обнаружением и защитой всех инициаторов iSCSI, а также инициацией и завершением сеансов. Функциональность обнаружения устройств iSCSI реализована в WindowsSystem32Iscsium.dll и соответствует спецификации протокола Internet Storage Name Service (iSNS).

• Управляющие приложения K ним относятся IscsicIi.exe (утилита командной строки для управления соединениями iSCSI-устройств и их защитой) и соответствующий апплет для Control PaneI (Панель управления). Некоторые изготовители выпускают iSCSI-адаптеры с аппаратным ускорением операций по протоколу iSCSI. Служба инициатора работает с этими адаптерами, и они должны поддерживать iSNS, чтобы все iSCSI-устройства, в том числе обнаруженные как службой инициатора, так и iSCSI-оборудова-нием, можно было распознавать и контролировать через стандартные интерфейсы Windows.

МРIO-драйверы

У большинства дисковых устройств только один путь (path) между ними и компьютером — набор адаптеров, кабелей и коммутаторов. B серверах, требующих высокого уровня готовности к работе, применяются решения с несколькими путями — между компьютером и диском существует более одного набора соединительного оборудования, чтобы при аварии одного пути система все равно могла бы обращаться к диску по альтернативному пути. Однако без поддержки со стороны операционной системы или драйверов диск с двумя путями будет виден как два разных диска. Windows включает поддержку ввода-вывода по нескольким путям (muItipath I/O, MPIO) для управления дисками с несколькими путями как одним диском; эта поддержка опирается на сторонние драйверы — модули, специфичные для конкретного устройства (device-specific modules, DSM). Эти модули берут на себя всю специфику управления путями, в том числе политику балансировки нагрузки, на основе которой выбирается путь передачи запросов ввода-вывода, и механизмы обнаружения ошибок, уведомляющие Windows об аварии того или иного пути. Поддержка MPIO доступна для Windows 2000 Server, Advanced Server, Datacenter Server и Windows Server 2003 в виде Microsoft MPIO

Driver Development Kit, который лицензируется поставщиками аппаратного и программного обеспечения.

B стеке драйверов внешней памяти Windows MPIO (рис. 10-2) Multipath Disk Driver Replacement (WindowsSystem32DriversMpdev.sys) заменяет функциональность стандартного драйвера класса Disk.sys. Mpdev.sys захватывает во владение объект «устройство», представляющий диски с несколькими путями, чтобы для таких дисков существовал лишь один объект «устройство». Кроме того, этот драйвер отвечает за поиск подходящего DSM для управления путями к устройству. Multipath Bus Driver (WindowsSystem32DriversMpio.sys) управляет соединениями между компьютером и устройством, в том числе обеспечивая управление электропитанием данного устройства. Mpdev.sys уведомляет Mpio.sys о наличии устройств, которые тот должен контролировать. Наконец, Multipath Port Filter (WindowsSystem32 DriversMpsfltr.sys) размещается поверх порт-драйвера для диска с несколькими путями и управляет информацией, передаваемой вверх по стеку устройств.

ЭКСПЕРИМЕНТ: наблюдение за вводом-выводом на физическом диске

C помощью механизма Event Tracing for Windows (см. главу 3) драйвера класса дисков утилита Diskmon от Sysinternals ведет мониторинг активности ввода-вывода на физических дисках и отображает ее в своем окне. Содержимое этого окна обновляется раз в секунду. Для каждой операции Diskmon показывает время, длительность, номер целевого диска, тип и смещение, а также длину.

Объекты «устройство» для дисков

Драйвер класса дисков создает объекты «устройство», представляющие диски и дисковые разделы. Имена таких объектов имеют вид DeviceHarddiskADRX, где X — номер диска. Для идентификации разделов и создания объектов «устройство», представляющих эти разделы, драйвер класса дисков в Windows 2000 использует функцию IoReadPartitionTable диспетчера ввода-вывода, а в Windows XP и Windows Server 2003 — функцию IoReadParitition-TableEx. Драйвер класса дисков вызывает одну из этих функций для каждого диска, представленного минипорт-драйвером драйверу класса на ранних стадиях загрузки системы. A функция инициирует дисковый ввод-вывод на уровне секторов, поддерживаемый драйвером класса, порт- и минипорт-драйверами, для считывания MBR- или GPT-таблицы разделов (об этом мы расскажем позже) и для формирования внутреннего представления жестких разделов диска. Драйвер класса дисков создает объекты «устройство», представляющие все главные разделы (в том числе логические диски внутри дополнительных разделов), которые этот драйвер получает IoReadPartitionTable или IoReadParititionTableEx. Вот пример имени объекта раздела:

DeviceHarddisk0DP(1)0x7e000-0x7ff50c00+2

Это имя идентифицирует первый раздел первого диска системы. Два первых шестнадцатеричных числа (0x7e000 и 0x7ff50c00) определяют начало и длину раздела, а последнее число — внутренний идентификатор, назначенный драйвером класса.

Для совместимости с приложениями, использующими правила именования, принятые в Windows NT 4, драйвер класса дисков формирует для имен в формате Windows NT 4 символьные ссылки на объекты «устройство», созданные драйвером. Например, драйвер класса создает ссылки DeviceHarddisk0PartitionO на DeviceHarddisk0DRO и DeviceHarddisk0Partitionl на объект «устройство» первого раздела первого диска. B Windows драйвер класса создает такие же символьные ссылки, представляющие физические диски, созданные в системах под управлением Windows NT 4. Так, ссылка ??PhysicalDrive0 указывает на DeviceHarddisk0DRO. Ha рис. 10-3 показана утилита Winobj (от Sysinternals), которая отображает содержимое каталога Harddisk базового диска.

Рис. 10-3. Окно Winobj, показывающее содержимое каталога Harddisk базового диска

Как вы уже видели в главе 3, Windows API ничего не знает о пространстве имен диспетчера объектов. Windows резервирует два подкаталога пространства имен, один из которых — подкаталог Global?? (?? в Windows 2000). (Другой подкаталог, BaseNamedObjects, был рассмотрен в главе 3.) B этом подкаталоге объекты «устройство», включая диски, последовательные и параллельные порты, становятся доступными Windows-приложениям. Так как на самом деле объекты дисков находятся в других подкаталогах, для связывания имен в GIobaI?? с объектами, расположенными в других каталогах пространства имен, Windows использует символьные ссылки. Диспетчер ввода-вывода создает ссылку Global??PhysicalDriveX для каждого физического диска системы; такая ссылка указывает на DeviceHarddiskXPartition0 (где X — числа, начиная с 0). Windows-приложения, напрямую обращающиеся к секторам диска, открывают диск вызовом Windows-функции CreateFile и указывают в качестве параметра имя \.PhysicalDriveX (где X — номер диска). Прежде чем передать имя диспетчеру объектов, прикладной уровень Windows преобразует его в Global??PhysicalDriveX.

Диспетчер разделов

Диспетчер разделов (partition manager), WindowsSystem32DriversPartmgr.sys, отвечает за уведомление диспетчера Plug and Play (PnP) о наличии разделов; благодаря этому драйверы диспетчера томов (о них чуть позже) могут получать уведомления о создании и удалении разделов.

Для получения информации о разделах диспетчер разделов действует как функциональный драйвер применительно к объектам дисковых устройств, создаваемых драйвером класса дисков. При загрузке системы он считывает таблицы разделов подключенных дисков (в Windows 2000 через функцию ядра IoReadPartitionTable, а в Windows XP и Windows Server 2003 через такую же функцию IoReadPartitionTableEx) и сообщает об имеющихся разделах диспетчеру PnP Драйверы устройств диспетчера томов получают уведомление о разделах управляемых ими дисков и на основании сведений обо всех разделах, из которых состоят тома, определяют объекты «том». Диспетчер разделов отслеживает пакеты запросов на ввод-вывод (I/O request packets, IRP), относящиеся к модификации таблицы разделов, и поэтому может обновлять внутреннюю карту разделов, а затем уведомлять диспетчер PnP о создании и удалении любых разделов.

Управление томами

B Windows введена концепция базовых (basic) и динамических (dynamic) дисков. Диски с разбиением на разделы исключительно по схеме MBR или GPT в Windows называются базовыми. Поддержка динамических дисков впервые появилась в Windows 2000; они реализуют более гибкую схему разбиения на разделы, чем базовые. Фундаментальное различие между базовыми и динамическими дисками в том, что последние поддерживают создание составных томов (более производительных и надежных, чем простые тома). По умолчанию Windows управляет всеми дисками как базовыми — динамические диски надо создавать вручную или преобразованием из существующих базовых (если на них достаточно свободного места). Ho если вам не нужна функциональность составных томов, Microsoft рекомендует использовать именно базовые диски.

ПРИМЕЧАНИЕ Составные тома поддерживаются и на базовых дисках, но только если эти тома переносятся из Windows NT 4 (исключение составляет Windows Server 2003, которая в принципе не поддерживает составные тома на базовых дисках.) Ha портативных компьютерах — в силу ряда причин, в том числе из-за наличия только одного жесткого диска, который не предназначен для переноса между компьютерами, — Windows использует исключительно базовые диски. Кроме того, динамическими могут быть лишь фиксированные диски. Диски, подключенные к шинам IEEE 1394 или USB, а также диски, совместно используемые серверным кластером, всегда являются базовыми.

Эволюция управления внешней памятью

Эволюция управления внешней памятью началась с MS-DOS, первой операционной системы Microsoft. Когда емкость жестких дисков увеличилась, в MS-DOS нужно было ввести соответствующую поддержку. Поэтому первым шагом Microsoft стала организация в MS-DOS поддержки нескольких разделов, или логических дисков, на одном физическом диске. MS-DOS позволяла форматировать разделы с использованием различных файловых систем (FAT12 или FATl6) и назначать каждому разделу свою букву диска. Количество и размер разделов, которые можно было создавать в MS-DOS версий 3 и 4, были жестко ограничены, но уже в MS-DOS 5 схема разбиения на разделы стала вполне зрелой. MS-DOS 5 умела разбивать диски на любое число разделов произвольного размера.

Windows NT унаследовала схему разбиения жестких дисков на разделы, созданную для MS-DOS. Сделано это было из двух соображений: для совместимости с MS-DOS и Windows 3x, а также для того, чтобы команда разработчиков Windows NT могла опереться на проверенные средства управления дисками. Базовые концепции MS-DOS, относящиеся к разбиению дисков на разделы, в Windows NT были расширены для поддержки функций управления внешней памятью, необходимых операционной системе корпоративного класса, в частности для поддержки перекрытия дисков (disk spanning) и большей отказоустойчивости. B первой версии Windows NT, Windows NT 3.1, системные администраторы могли создавать тома, состоящие из нескольких разделов, что позволяло формировать тома большого размера из разделов нескольких физических дисков, а также повышать отказоустойчивость дисковой подсистемы за счет избыточности данных, организуемой программными средствами.

Хотя поддержка разбиения дисков на разделы по схеме MS-DOS в версиях Windows NT, предшествовавших Windows 2000, была достаточно гибкой для многих задач управления внешней памятью, у нее все же был ряд недостатков. Один из них в том, что активизация большинства изменений в конфигурации дисков требует перезагрузки системы. Ho современные серверы должны непрерывно работать в течение месяцев и даже лет, поэтому любая перезагрузка, даже плановая, крайне нежелательна. Другой недостаток связан с тем, что в Windows NT 4 информация о конфигурации томов, состоящих из нескольких разделов и созданных на основе MS-DOS-разделов, хранится в реестре. Это крайне затрудняет перенос конфигурационной информации при перемещении дисков между системами, а при переустановке операционной системы возможна и потеря этой информации. Наконец, требование назначать каждому тому уникальные буквы дисков из диапазона A-Z уже давно досаждало пользователям операционных систем Microsoft, ограничивая возможное количество локальных и подключенных сетевых томов.

Windows поддерживает три типа разбиения на разделы, которые позволяют преодолевать упомянутые ограничения: MBR (Master Boot Record), GPT (GUID Partition Table) и LDM (Logical Disk Manager).

Базовые диски

B этом разделе описываются два типа разбиения на разделы — MBR и GPT, используемые Windows для определения томов на базовых дисках, — а также драйвер диспетчера томов (FtDisk), представляющий тома драйверам файловых систем. Если диспетчер дисков в Windows 2000 рекомендовал вам делать любой неразмеченный диск динамическим, то Windows XP и Windows Server 2003 автоматически определяют все диски как базовые.

Разбиение на разделы по схеме MBR

Одно из требований к формату разбиения на разделы в Windows диктуется стандартными реализациями BIOS в системах: первый сектор основного диска должен содержать главную загрузочную запись (Master Boot Record, MBR). При запуске компьютера на базе x86-npoцeccopa BIOS считывает MBR и интерпретирует ее часть как исполняемый код. Выполнив предварительное конфигурирование оборудования, BIOS передает управление исполняемому коду в MBR для инициации процесса загрузки операционной системы.

B операционных системах Microsoft, включая Windows, MBR также содержит таблицу разделов. Таблица разделов состоит из четырех элементов, определяющих местонахождение на диске четырех главных разделов. B этой таблице указываются и типы разделов (которые определяют, какую файловую систему включает тот или иной раздел). Существует множество предопределенных типов разделов, например для FAT32 и NTFS. Раздел особого типа, дополнительный (extended partition), содержит еще одну MBR с собственной таблицей разделов. Эквивалент главного раздела в дополнительном называется логическим диском. Применение дополнительных разделов позволяет операционным системам Microsoft создавать любое количество разделов на диске (а не четыре на один диск).

Отличие главного раздела от логических дисков становится очевидным при загрузке Windows. Один из главных разделов основного жесткого диска должен быть помечен системой как активный. Код Windows, записываемый в MBR, загружает в память код первого сектора активного раздела (системного тома) и передает ему управление. Первый сектор такого раздела называется загрузочным. Кроме того, как уже говорилось в главе 4, у каждого раздела, отформатированного с использованием определенной файловой системы, имеется свой загрузочный сектор, который хранит информацию о структуре файловой системы данного раздела.

Разбиение на разделы по схеме GPT

B рамках инициативы, направленной на создание стандартизированной и расширяемой платформы микрокода, которую операционные системы могли бы использовать в процессе своей загрузки, корпорация Intel разработала спецификацию EFI (Extensible Firmware Interface). EFI включает среду операционной мини-системы, реализуемую в виде микрокода, который, как правило, зашивается в ПЗУ. Эта среда используется операционной системой на ранних этапах для загрузки системных диагностических процедур и загрузочного кода. Первый процессор, поддерживающий EFI, — Intel IA64, поэтому версии Windows для IA64 используют EFI, но при желании позволяют выбрать и схему MBR. Детальное описание EFI см. по ссылке http://developer. intel.com/technology/efi.

EFI определяет схему разбиения на разделы — таблицу разделов GUID (GUID Partition Table, GPT), которая должна устранить некоторые недостатки схемы разбиения MBR. Например, адреса секторов, используемых структурами разделов GPT, вместо 32-разрядных стали 64-разрядными. 32-разрядные адреса обеспечивают доступ к 2 Тб памяти, но GPT разработана с прицелом на обозримое будущее. Среди прочих преимуществ GPT стоит отметить применение контрольных сумм CRC (cyclic redundancy checksums) для поддержания целостности таблицы разделов, а также резервное копирование таблицы разделов. GPT получила такое название из-за того, что кроме 36-байтового Unicode-имени она назначает каждому разделу свой GUID.

Ha рис. 10-4 показан пример структуры раздела GPT Как и в MBR-схеме, первый сектор GPT-диска содержит главную загрузочную запись, которая защищает этот диск от доступа операционных систем, не поддерживающих GPT Ho во втором и последнем секторах диска хранятся заголовки таблицы разделов GPT, а сама таблица размещается сразу за вторым сектором и перед последним сектором. Поддержка расширяемого списка разделов исключает необходимость во вложенных разделах, используемых в схеме MBR.

ПРИМЕЧАНИЕ Windows не поддерживает создание составных томов на базовых дисках, и новый раздел базового диска эквивалентен тому. Именно поэтому в оснастке Disk Management (Управление дисками) консоли MMC для обозначения тома, созданного на базовом диске, используется термин «раздел» (partition).

Диспетчер томов на базовых дисках

Драйвер FtDisk (WindowsSystem32DriversFtdisk.sys) создает объекты «устройство» дисков для представления томов на базовых дисках и играет основную роль в управлении всеми томами на базовых дисках, включая простые тома. Для каждого тома FtDisk создает объект «устройство» вида Device Hard-diskVolumeX, гдеХ- число, которое идентифицирует том и начинается с 1.

Ha самом деле FtDisk является драйвером шины, поскольку отвечает за перечисление базовых дисков для обнаружения базовых томов и за оповещение о них диспетчера PnP. Определяя существующие разделы на базовых дисках, FtDisk использует диспетчер PnP и драйвер диспетчера разделов (Partmgr.sys). Диспетчер разделов регистрируется у диспетчера PnP, поэтому Windows может уведомить диспетчер разделов о том, что драйвер класса диска создал объект «устройство» раздела. Диспетчер разделов информирует FtDisk о новых объектах раздела через закрытый интерфейс и создает объекты «устройство» фильтра (filter device objects), которые потом подключает к объектам «устройство» разделов. При наличии объектов «устройство» фильтра Windows посылает диспетчеру разделов уведомление всякий раз, когда удаляется объект «устройство» раздела, что позволяет диспетчеру разделов обновлять информацию FtDisk. Драйвер класса дисков удаляет объект раздела при удалении раздела с помощью оснастки Disk Management консоли MMC Получив сведения о наличии разделов, FtDisk на основе информации о конфигурации базовых дисков определяет соответствие между разделами и томами, а затем создает объекты «устройство» томов.

Далее Windows создает в каталоге Global?? (?? в Windows 2000) диспетчера объектов символьные ссылки, указывающие на объекты томов, созданные FtDisk. Когда система или приложение впервые обращается к тому, Windows монтирует этот том, что позволяет драйверам файловых систем распознать и захватить во владение тома, отформатированные для поддерживаемых ими файловых систем (о монтировании см. раздел «Монтирование томов» далее в этой главе).

Динамические диски

Мы уже упоминали, что динамические диски в Windows нужны для создания составных томов. За поддержку динамических дисков отвечает подсистема диспетчера логических дисков (Logical Disk Manager, LDM), состоящая из компонентов пользовательского режима и драйверов устройств. Microsoft лицензирует LDM у компании VERITAS Software, которая изначально разработала технологию LDM для UNIX-систем. Тесно сотрудничая с Microsoft, VERITAS перенесла LDM в Windows, благодаря чему эта операционная система получила более отказоустойчивую схему разбиения на разделы и средства поддержки составных томов. Главное отличие схемы разбиения на разделы LDM в том, что LDM поддерживает одну унифицированную базу данных, где хранится информация о разделах на всех динамических дисках системы, в том числе сведения о конфигурации составных томов.

ПРИМЕЧАНИЕ UNIX-версия LDM поддерживает и дисковые группы (disk groups): все динамические диски, включаемые системой в группу, используют общую базу данных. Однако коммерческое программное обеспечение VERITAS для управления логическими дисками в Windows поддерживает создание только одной дисковой группы.

База данных LDM

База данных LDM размещается в зарезервированном пространстве (размером 1 Мб) в конце каждого динамического диска. Именно поэтому Windows требует свободное место в конце базового диска при его преобразовании в динамический. База данных LDM состоит из четырех областей, показанных на рис. 10-5: сектора заголовка, называемого в LDM «Private Header», таблицы оглавления, записей базы данных и журнала транзакций (пятый раздел на рис. 10-5 — просто зеркальная копия Private Header). Сектор Private Header размещается за 1 Мб до конца динамического диска и является границей базы данных. Работая с Windows, вы быстро заметите, что для идентификации практически всех объектов в ней используются GUID, и диски не составляют исключения. GUID — это 128-битное число, применяемое различными компонентами Windows для уникальной идентификации объектов. LDM назначает GUID каждому динамическому диску, а сектор Private Header регистрирует GUID динамического диска, на котором он находится, поэтому данные в Private Header относятся исключительно к конкретному диску. Private Header также хранит указатель на начало таблицы оглавления базы данных и имя дисковой группы, которое формируется конкатенацией имени компьютера и строки Dg0 (если имя компьютера — Daryl, то имя дисковой группы — DarylDg0). (Как уже говорилось, LDM в Windows поддерживает только одну дисковую группу, поэтому ее имя всегда оканчивается на DgO.) Для большей надежности LDM поддерживает копию Private Header в последнем секторе диска.

Таблица оглавления занимает 16 секторов и содержит информацию о структуре базы данных. Область записей базы данных LDM начинается с сектора заголовка записей базы данных сразу за таблицей оглавления. B этом секторе хранится информация об области записей базы данных, включая число присутствующих в ней записей, имя и GUID дисковой группы, к которой относится база данных, и идентификатор последовательности, используемый LDM для создания следующего элемента в базе данных. Секторы, следующие за сектором заголовка записей, содержат записи фиксированного размера (по 128 байтов) с описанием разделов и томов дисковой группы.

Элементы базы данных могут быть четырех типов: раздел (partition), диск (disk), компонент (component) и том (volume). Типы элементов определяют три уровня описания томов. LDM связывает элементы с помощью внутренних идентификаторов объектов. Ha самом нижнем уровне элементы разделов (partition entries) описывают нежесткие разделы, которые являются непрерывными областями на диске; идентификаторы, хранящиеся в элементе раздела, связывают его с элементами компонентов и дисков. Элемент диска (disk entry) представляет динамический диск в составе группы и включает его GUID. Элемент компонента (component entry) служит связующим звеном между одним или несколькими элементами разделов и элементом тома, с которым сопоставлен каждый раздел. Элемент тома хранит GUID этого тома, его суммарный размер, информацию о состоянии и букву диска. Элементы дисков, размер которых превышает размер одной записи, занимают несколько записей; элементы разделов, компонентов и томов редко занимают больше одной записи.

Простой том в LDM описывается тремя элементами: раздела, компонента и тома. Ниже показано содержимое простой базы данных LDM, которая определяет один том размером 200 Мб, состоящий из одного раздела.

Элемент раздела описывает область на диске, отведенную тому, элемент компонента связывает элемент раздела с элементом тома, а элемент тома содержит GIUD, используемый Windows на внутреннем уровне для идентификации тома. Для составных томов требуется более трех элементов. Например, чередующийся том (о них — позже) состоит минимум из двух элементов разделов, элемента компонента и элемента тома. Единственный том, который включает более одного элемента компонента, — зеркальный. Зеркальные тома включают два элемента компонентов, каждый из которых представляет половину зеркального тома. Когда вы разбиваете зеркальный том на разделы, LDM может разделить его на уровне компонентов, создав два тома, в каждом из которых будет по одному элементу компонента.

Последняя область базы данных LDM отведена под журнал транзакций. Она состоит из нескольких секторов, предназначенных для хранения резервной копии информации базы данных в процессе ее изменения. Такая схема гарантирует целостность базы данных даже в случае краха системы или сбоя электропитания, поскольку LDM может восстановить согласованное состояние базы данных на основе журнала транзакций.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр базы данных LDM с помощью LDMDump

Утилита LDMDump (от Sysinternals) позволяет получить детальную информацию о содержимом базы данных LDM. Она принимает номер диска в качестве аргумента командной строки. Выводимая ею информация занимает несколько экранов, поэтому ее следует перенаправить в файл для последующего просмотра в текстовом редакторе (например: ldmdump /d0 › disk.txt). Ниже даны фрагменты выходной информации LDMDump. Первым показывается заголовок базы данных LDM, затем записи этой базы данных, которые описывают 4-гигабайтный диск с простым томом размером в 4 Гб. Элемент тома базы данных обозначен KaKVolumel. B конце вывода LDMDump перечисляет нежесткие разделы (soft partitions) и определения томов, найденные в базе данных.

Схемы разбиения на разделы LDM и GPT или MBR

Одно из первых действий при установке Windows на компьютер — создание раздела на основном физическом диске системы. B этом разделе Windows определяет системный том для хранения файлов, нужных на ранних этапах процесса загрузки. Кроме того, Windows Setup требует создать раздел для загрузочного тома, в который она запишет системные файлы Windows и где будет создан системный каталог (Windows). Системный том можно сделать и загрузочным — тогда вам не понадобится создавать новый раздел для загрузочного тома. Терминология, используемая Microsoft для системного и загрузочного томов, может сбить с толку. Системным считается том, на который Windows помещает загрузочные файлы, включая загрузчик (Ntldr) и Ntdetect, а загрузочным — том, на котором Windows хранит основные системные файлы вроде Ntoskrnl.exe.

Хотя данные о разбиении динамического диска на разделы находятся в базе данных, LDM реализует и таблицу разделов в стиле MBR или GPT, чтобы загрузочный код Windows мог найти системный и загрузочный тома на динамических дисках. (Например, Ntldr и микрокод IA64 ничего не знают о LDM-разделах.) Если диск содержит системный и/или загрузочный тома, они описываются в таблице разделов в стиле MBR или GPT. B ином случае один раздел охватывает всю доступную для использования область диска. LDM помечает его как раздел типа «LDM»; поддержка разделов этого типа впервые появилась в Windows 2000. B пространстве, определенном в стиле MBR или GPT, LDM создает разделы, организуемые базой данных LDM.

Еще одна причина, по которой LDM создает таблицу разделов в стиле MBR или GPT, — чтобы унаследованные утилиты обслуживания дисков, включая работающие в средах с двухвариантной загрузкой, не решили, будто на динамическом диске не определены разделы.

Поскольку LDM-разделы не описываются таблицей разделов в стиле MBR или GPT, они называются нежесткими (soft partitions), а разделы в стиле MBR или GPT — жесткими (hard partitions). Рис. 10-6 иллюстрирует структуру динамического диска, размеченного в стиле MBR.

Диспетчер томов на динамических дисках

DLL оснастки Disk Management (DMDiskManager в WindowsSystem32Dmdskmgr.dll), показанной на рис. 10-7, использует DMAdmin, службу LDM Disk Administrator (WindowsSystem32Dmadmin.exe) для создания базы данных LDM и изменения ее содержимого. Когда вы запускаете оснастку Disk Management, в память загружается DMDiskManager, который запускает DMAdmin, если она еще не выполняется. DMAdmin считывает с каждого диска базу данных LDM и возвращает полученную информацию DMDiskManager. Если DMAdmin обнаруживает базу данных из дисковой группы другого компьютера, то отмечает, что эти тома находятся на удаленном диске, и позволяет импортировать их в базу данных текущего компьютера, если вы хотите их использовать. При изменении конфигурации динамических дисков DMDiskManager информирует DMAdmin о внесенных изменениях, и DMAdmin обновляет свою копию базы данных в памяти. Зафиксировав изменения, DMAdmin передает обновленную базу данных DMIO, драйверу устройства Dmio.sys. DMIO — эквивалент FtDisk для динамических дисков, так что он управляет доступом к базе данных на диске и создает объекты «устройство», представляющие тома на динамических дисках. Когда вы закрываете оснастку Disk Management, DMDiskManager останавливает и выгружает службу DMAdmin.

DMIO не знает, как интерпретировать базу данных, которой он управляет. За интерпретацию базы данных отвечают DMConfig (WindowsSystem32 Dmconfig.dll), загружаемый DMAdmin, и DMBoot (Dmboot.sys), еще один драйвер устройства. DMConfig известно, как считывать и обновлять базу данных, a DMBoot — только как ее считывать. DMBoot загружается при загрузке системы, если другой драйвер LDM, DMLoad (Dmload.sys), обнаруживает в системе минимум один динамический диск. DMLoad определяет наличие динамических дисков, запрашивая DMIO. Если в системе есть хотя бы один динамический диск, DMLoad запускает DMBoot, который сканирует базу данных LDM. DMBoot информирует DMIO о составе каждого найденного им тома, что позволяет DMIO создать объекты «устройство» для представления томов. Закончив сканирование, DMBoot тут же выгружается из памяти. Поскольку в DMIO не заложена логика для интерпретации базы данных, его размер относительно невелик. Это несомненное преимущество, так как DMIO постоянно находится в памяти.

Как и FtDisk, DMIO является драйвером шины и создает объект «устройство» для каждого тома динамического диска, присваивая ему имя в виде DeviceHarddiskDmVolumesPhysicalDmVolumesBlockVolumeX, где Х- идентификатор тома, назначаемый DMIO. Кроме того, DMIO создает объект «устройство» с именем DeviceHarddiskDmVolumesPhysicalDmVolumesRaw-VolumeX, который представляет необработанный (неструктурированный) ввод-вывод на томе. Объекты «устройство», созданные DMIO в системе с тремя томами на динамических дисках, показаны на рис. 10-8. DMIO также создает в пространстве имен диспетчера объектов символьные ссылки на все тома, в том числе по одной ссылке для каждого тома в виде DeviceHarddiskDmVolumesComputerNameDg0VolumeY. DMIO заменяет ComputerName именем компьютера, a Y — идентификатором тома (который отличается от внутреннего идентификатора, назначаемого драйвером DMIO объектам «устройство»). Эти ссылки указывают на объекты блочных устройств в каталоге PhysicalDmVolumes.

ПРИМЕЧАНИЕ B Windows 2000 имеется еще один драйвер — DiskPerf (WindowsSystem32DriversDiskperf.sys); он подключается к объектам «устройство», представляющим физические устройства (например, к DeviceHarddisk0Partition0), что позволяет ему отслеживать запросы ввода-вывода, адресованные дискам, и генерировать статистические данные для соответствующих счетчиков оснастки Performance. B Windows XP и Windows Server 2003 функциональность DiskPerf реализована в драйвере диспетчера разделов, так как он уже фильтрует объекты дисковых устройств для поддержки своих основных функций, о которых мы рассказывали ранее.

Управление составными томами

FtDisk и DMIO отвечают за представление томов, управляемых драйверами файловой системы, и за перенаправление ввода-вывода, адресованного томам, в нижележащие разделы, составляющие тома. B случае простых томов диспетчер томов преобразует смещение в томе в смещение на диске, суммируя смещение в томе со смещением тома от начала диска.

Составные тома более сложны, поскольку составляющие их разделы могут быть несмежными и даже находиться на разных дисках. Некоторые типы составных томов используют избыточность данных и требуют еще более сложной трансляции. Таким образом, FtDisk и DMIO должны обрабатывать все запросы ввода-вывода, адресованные составным томам, и определять, на какие разделы следует направлять тот или иной запрос.

B Windows поддерживаются следующие типы составных томов:

• перекрытые (spanned volumes);

• зеркальные (mirrored volumes);

• чередующиеся (striped volumes);

• RAID-5.

Рассмотрев конфигурацию разделов составных томов и логические операции для каждого типа составных томов, мы обсудим, как драйверы FtDisk и DMIO обрабатывают IRP, посылаемые драйвером файловой системы составному тому Термин «диспетчер томов» при объяснении составных томов используется для обозначения DMIO, поскольку, как уже говорилось в этой главе, FtDisk поддерживает лишь те составные тома, которые были перенесены из NT 4.

Перекрытые тома

Перекрытый том — единый логический том, состоящий из нескольких (до 32) свободных разделов на одном или нескольких дисках. Оснастка Disk Management (Управление дисками) консоли MMC объединяет разделы в перекрытый том, который затем можно отформатировать для любой файловой системы, поддерживаемой Windows. Ha рис. 10-9 показан 100-мегабайтный перекрытый том с именем D:, созданный из последней трети первого диска и первой трети второго диска. B Windows NT 4 перекрытые тома назывались наборами томов (volume sets).

Перекрытый том удобен для объединения небольших областей свободного дискового пространства в единый том большего объема или для создания из нескольких малых дисков одного большого тома. Если перекрытый том отформатирован для NTFS, его можно расширять, добавляя другие свободные области или диски, и это не влияет на данные, уже хранящиеся на томе. Расширяемость — одно из самых крупных преимуществ описания всех данных на томе NTFS как единого файла. Размер логического тома NTFS может динамически увеличиваться, поскольку битовая карта, регистрирующая состояние тома, — не более чем еще один файл, файл битовой карты. Этот файл может быть расширен для учета пространства, добавляемого в том. C другой стороны, динамическое расширение тома FAT потребовало бы расширения самой FAT, что привело бы к смещению всех данных на диске.

Диспетчер томов скрывает физическую конфигурацию дисков от файловых систем, установленных в Windows. Например, на рис. 10-9 файловая система NTFS рассматривает том D: как обыкновенный 100-мегабайтный том. Чтобы определить свободное пространство на этом томе, NTFS обращается к своей битовой карте. Далее она вызывает диспетчер томов для чтения или записи данных с конкретного смещения в байтах относительно начала тома. Диспетчер томов последовательно нумерует физические секторы перекрытого тома от первой области первого диска до последней области последнего диска. Он определяет, какой физический сектор и на каком диске соответствует указанному смещению.

Чередующиеся тома

Чередующийся том — группа разделов (до 32), каждый из которых размещается на отдельном диске и объединяется в один логический том. Чередующиеся тома также называются томами RAID уровня 0, или томами RAID-0. Ha рис. 10–10 показан чередующийся том, состоящий из трех разделов, каждый из которых находится на отдельном диске. (Раздел чередующегося тома не обязательно занимает весь диск; единственное ограничение — все разделы на каждом диске должны быть одинаковы.)

Файловой системе этот чередующийся том кажется обычным 450-мегабайтным томом, но диспетчер томов оптимизирует хранение и выборку данных па таком томе, распределяя их между физическими дисками. Диспетчер томов обращается к физическим секторам дисков так, как показано на рис. 10–11.

Рис. 10–11. Логическая нумерация физических секторов в чередующихся томах