Аппаратные средства хранения и обработки данных : технические средства хранения данных

Москва  2018

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ

Кафедра автоматизированных систем управления

И.О. Темкин
И.В. Баранникова
И.С. Конов

АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ХРАНЕНИЯ 
И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 3060

УДК 004.3 
 
Т32

Р е ц е н з е н т 
канд. техн. наук И.И. Свистунов

Темкин И.О.
Т32  
Аппаратные средства хранения и обработки данных : технические средства хранения данных : учеб. пособие / И.О. Темкин, И.В. Баранникова, И.С. Конов. – М. : Изд. Дом НИТУ 
«МИСиС», 2018. – 44 с.
ISBN 978-5-906953-33-9

Является справочной теоретической информацией по курсу «Аппаратные средства хранения и обработки данных. Технические средства хранения 
данных» для студентов технических вузов. Детально рассматривает основные технические аспекты информационных технологий со стороны полного 
цикла обработки данных, включая общие подходы к реализации серверных 
платформ и технологий хранения данных. Описывает техническую составляющую серверной платформы на примере Intel Xeon. Каждый раздел содержит 
контрольные вопросы. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 
09.03.01 «Информатика и вычислительная техника», 02.04.02 «Фундаментальная информатика и информационные технологии».

УДК 004.3


И.О. Темкин,  
И.В. Баранникова,  
И.С. Конов, 2018
ISBN 978-5-906953-33-9

НИТУ «МИСиС», 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ....................................................................................................4
1.  Основные понятия и направления развития  
информационно-коммуникационных технологий .............................6
1.1. Понятия и определения .................................................................... 6
1.2. Сети передачи данных ...................................................................... 6
1.3. Виртуализация вычислительных ресурсов .................................... 8
1.4. Облачные технологии ....................................................................... 9
2. Концепция серверной системы .......................................................... 11
2.1. Характеристики серверов................................................................11
2.2. Классификация серверов по форм-фактору ................................. 13
2.3. Классификация серверов по степени масштабирования ........... 13
2.4. Классификация серверов по типу используемого  
процессора .............................................................................................. 15
2.5. Классификация серверов по назначению, выполняемым 
функциям или ролям .............................................................................. 17
3. Логическая архитектура сервера на базе Intel Xeon ........................20
3.1. Аппаратная архитектура сервера .................................................. 20
3.2. Интеллектуальный интерфейс управления платформой............ 22
4. Технологии хранения данных ............................................................26
4.1. Развитие технологий хранения данных  
и их классификация ............................................................................... 26
4.2. Жесткие магнитные диски ............................................................. 28
4.3. Оптические диски ........................................................................... 31
4.4. Твердотельный накопитель ............................................................ 32
Библиографический список ...................................................................43

ВВЕДЕНИЕ

Привычный образ жизни миллионов людей в современном мире 
заметно изменился в результате бурного развития средств вычислительной техники и появления новых информационных технологий, 
обеспечивающих хранение, обработку и высокоскоростную передачу 
на огромные расстояния больших объемов разнородной информации. 
Изменения, происходящие в достаточно быстром темпе, неизменно 
затрагивают не только образ жизни, особенности экономического и 
социального поведения отдельных индивидуумов, но и приводят к заметным изменениям в политическом и экономическом развитии большинства стран мира.
По данным многих аналитиков (например, издание CNews, исследовательская компания Gartner) основными трендами в сфере информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) в период 2016–
2020 гг. будут такие направления исследований и разработок, как:
 – развитие облачных технологий;
 – расширение возможностей мобильного бизнеса;
 – технологии хранения и обработки больших данных;
 – рост числа умных устройств и реальное развитие интернета вещей; 
 – аддитивные технологии;
 – развитие онлайн-обучения.
Развитие этих направлений, в рамках которых активно используются ресурсы открытого доступа, потребует новых подходов к организации всех информационно-технологических процессов в части 
информационной безопасности, электронной коммерции.
Одной из важнейших задач в условиях необходимости хранения 
и обработки больших объемов разнородной информации, а также решения на основе этой информации различных функциональных задач 
является задача системной интеграции.
Системная интеграция – это деятельность по объединению разрозненных автоматизированных средств (устройств, информационных массивов, программ) и процессов управления объектом (корпорация, производство, регион) в единую информационную систему, а 
также введение в эту систему новых внешних подсистем и процессов 
для улучшения старых и формирования новых свойств системы. 
Цели, которые могут быть достигнуты в результате интеграции:
 – повышение возможностей управления внутренней и внешней 
эффективностью и продуктивностью в краткосрочной, среднесроч

ной и долгосрочной перспективах; повышения вероятностей достижения оперативных, тактических и стратегических целей за счет создания синергетических эффектов;
 – повышение адаптивности и гибкости к внешним условиям, ускорение проектирования и создания новых ценностей, своевременной 
утилизации устаревших;
 – создание распределенных бизнес-процессов, получение синергетических эффектов от внешнего взаимодействия в цепочках поставок;
 – получение возможности интеллектуальной обработки данных, 
выявления скрытых закономерностей для решения проактивных задач коммуникаций с различными социальными группами и адресно 
на базе поведенческих моделей и потребительских профилей, среднесрочного и долгосрочного прогнозирования и планирования.
Системная интеграция сегодня реализуется исходя из концепции 
сервисно-ориентированной архитектуры объекта (предприятия), которая изменяется в зависимости от уровня интеграции.
Сервисно-ориентированная архитектура (SOA) – архитектурный 
стиль для создания ИТ-архитектуры объекта (предприятия), использующий принципы ориентации на сервисы для достижения тесной 
связи между бизнесом и поддерживающими его информационными 
системами.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И НАПРАВЛЕНИЯ 
РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННОКОМУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

1.1. Понятия и определения

Информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) – это термин начала XXI в., введенный с понятием информационного общества. ИКТ – это совокупность приемов, аппаратных средств, программного обеспечения для осуществления хранения, обработки, 
передачи и управления: данными, информацией, знаниями.
В ИКТ, в зависимости от точки зрения профессионалов, решающих определенные функциональные задачи, могут включаться следующие компоненты:
– аппаратные средства;
– программное обеспечение;
– методики и методологии;
– процессы и процедуры.
В зависимости от степени обобщения из категории аппаратных 
средств может выделяться отдельная самостоятельная категория – 
сети и оборудование передачи данных.
Фактически ИКТ представляют собой совокупность физических 
и программных средств, направленную на решение задач, связанных 
с хранением, обработкой и передачей информации.

1.2. Сети передачи данных
По мере развития технологий вычислений и переноса части вычислений на узлы пользователей (появление персональных компьютеров) 
возникла необходимость в организации систем передачи данных, отличающихся от переноса информации на каких-либо физических носителях. В результате появились локальные сети. В числе первых технологий, связанных с локальными сетями, можно указать ArcNet (Attached 
Resource Computer NETwork, 1977 г.) и Token Ring (IBM, 1985 г.).
Эталонной моделью взаимодействия устройcтв в сети принято 
считать стандартизированную в 1984 г. семиуровневую модель ОSI 
(ISO 7498, CCITT X.200, ГОСТ Р ИСО/МЭК 7498-1–99 «Информационная технология. Взаимосвязь открытых систем. Базовая эталонная 
модель.), которая декларирует базовые принципы сетевого взаимодействия, но в то же время носит рекомендательный характер.

В соответствии с территориальным расположением (дистанцией 
между элементами) выделяют следующие типы сетей:
 – локальные сети, элементы в которых находятся в пределах одного или двух зданий;
 – региональные сети, элементы в которых находятся в пределах 
одного географического региона (области);
 – глобальные сети, элементы в которых находятся в любой точке 
мира.
В соответствие с решаемыми задачами выделяют:
 – локально-вычислительные сети (ЛВС);
 – сети хранения данных (СХД);
 – конвергированные сети.
Локально-вычислительные сети чаще всего построены на основе 
стека протоколов TCP/IP и ориентированы на обмен информацией и 
управляющими сигналами между устройствами в сети. Самым распространенным семейством технологий на физическом уровне взаимодействия является семейство технологий Ethernet со скоростями 
передачи данных 10 Мбит/c … 40 Гбит/c.
Сети хранения данных направлены на подключение внешних 
устройств, обеспечивающих хранение данных к элементам сети.
В настоящее время в сетях хранения используются следующие 
технологии:
– Fibre Channel, со скоростями передачи 1…16 Гбит/с;
– Infiniband – коммутируемая сеть передачи данных, обеспечивающая низкие задержки. Используется, в основном, при построении вычислительных кластеров – через нее соединяются между собой узлы 
кластера. Поддерживается подключение серверов к системам хранения (зависит от производителя системы хранения). Скорость передачи на порт – до 25 Гбит/с, поддерживается агрегация.
Конвергированные сети – это сети, выполняющие подключение 
внешних систем хранения данных через локально-вычислительные 
сети путем слияния стеков протоколов ЛВС и Сетей хранения данных. Технологии, на которых базируются подобные сети:
– iSCSI, организация сети хранения на основе протокола TCP/IP. 
Последний, в свою очередь, чаще всего передается через коммутируемые сети Ethernet;
– FCoE, наложение технологий FC (за исключением физического 
уровня передачи) на сети Ethernet (скорости 100 Mбит/с … 40 Гбит/с).

Хотя подобные технологии не получили широкого распространения из-за особенностей организации физических протоколов ЛВС, 
перспективы у подобных технологий огромны.

1.3. Виртуализация вычислительных ресурсов

Достаточно большое количество исследований, в которых оценивался уровень загруженности серверов и компьютеров пользователей, 
показывает, что большинство процессоров и других элементов ЭВМ 
были нагружены незначительно в рамках продолжительного периода 
наблюдения, средняя нагрузка составила 3...5 % от максимума. Большие дисковые пространства, отведенные для хранения данных, были 
заполнены недостаточно.
Подход «одна задача – один сервер» исчерпал себя достаточно быстро, поскольку по мере развития ИКТ в организациях оказывалось, 
что следующий новый сервер не может быть установлен в серверное 
помещение, так как отсутствует свободное место или достигнут лимит мощности энергоснабжения.
Развитие технологий виртуализации позволило как начать оптимизацию нагрузок на серверы, когда на базе одной физической 
платформы устанавливались несколько виртуальных серверов, выполнявших каждый свою задачу, так и минимизировать расходы на 
эксплуатацию ЭВМ, поскольку использование «тонких клиентов» 
с доступом к инфраструктуре виртуальных рабочих столов (Virtual 
Desktop Infrastructure) позволяло минимизировать время замены неисправных устройств, сократить время распространения обновлений 
программного обеспечения. Можно выделить следующее направления виртуализации: виртуализация серверов, виртуализация сети и 
виртуализация рабочих станций.
Виртуализация серверов – подход, в котором на одном физическом 
сервере запускаются несколько операционных систем в виде виртуальных машин, каждая из которых имеет определенный доступ к вычислительным ресурсам.
Виртуализация сети – подход, в котором физические сети реализуются программными методами. Подобный подход обеспечивает подключение рабочих нагрузок к таким виртуальным сетевым устройствам и службам, как порты маршрутизатора, балансировка нагрузки 
и т.д. Следовательно, приложения в виртуальных сетях работают так 
же, как и в физических.

Виртуализация рабочих станций – подход, в котором рабочие 
места сотрудников реализуются через виртуальные машины. Такой 
подход помогает компаниям снизить расходы и повысить уровень 
обслуживания, поскольку виртуализированные рабочие станции и 
приложения одинаково доступны всем сотрудникам не зависимо от 
географического расположения. 
Программное хранилище – виртуализация хранилища абстрагирует диски и флэш-накопители на серверах и объединяет их в высокопроизводительные пулы хранилищ с предоставлением ресурсов 
в виде ПО. Программное хранилище является новым подходом к хранению данных, который обеспечивает гораздо более эффективную 
модель эксплуатации.
Преимущества виртуализации:
 – повышение адаптивности, гибкости ИТ-среды;
 – легкая масштабируемость;
 – сокращение капитальных и эксплуатационных расходов;
 – минимизация или исключение простоев;
 – повышение скорости реагирования, эффективности и производительности ИТ-среды;
 – ускоренная инициализация приложений и ресурсов;
 – обеспечение непрерывности бизнеса и аварийного восстановления;
 – упрощенное управление ЦОД;
 – решение на базе программного ЦОД.

1.4. Облачные технологии

Облачные технологии реализуют такой механизм взаимодействия, в котором заказчик платит за определенную услугу у провайдера, избегая других эксплуатационных расходов, с возможностью 
увеличения или уменьшения объема услуг по запросу пользователя. 
Основными качествами, характеризующими облачные технологии, 
являются скорость, гибкость и масштабируемость.
Можно выделить следующие тенденции облачных услуг:
 – предоставление серверов (VPS);
 – облачное хранение данных;
 – доступ к программному обеспечению;
 – выделение инфраструктур компаний в удаленные дата-центры;
 – предоставление вычислительных мощностей.

В целом, концепция облачных технологий является логическим 
развитием систем виртуализации и потребности рынка в уменьшении 
издержек.
Многие крупные предприятия перенесли частично или полностью 
свою информационную инфраструктуру в «облако» для уменьшения 
издержек. Хотя облачные технологии обладают довольно внушительными достоинствами, но также накладывают существенные ограничения к уже созданной инфраструктуре и к техническим специалистам.

Контрольные вопросы

1. Что включает в себя понятие «инфокоммуникационные технологии»?
2. Назовите базовые технологии, с помощью которых организуется 
работа сетей передачи данных.
3. Назовите область применения технологий Ethernet.
4. В чем особенности технологий виртуализации вычислительных 
ресурсов?
5. Назовите технологии, используемые в сетях хранения.
6. Перечислите тенденции облачных услуг.

2. КОНЦЕПЦИЯ СЕРВЕРНОЙ СИСТЕМЫ

2.1. Характеристики серверов

Сервер – компьютер и/или специализированное оборудование для 
работы на нем специального программного обеспечения (в том числе 
серверов тех или иных задач).
Сервером называется компьютер, выделенный из группы персональных компьютеров (или рабочих станций) для выполнения какойлибо специальной задачи без непосредственного участия человека. 
Сервер и рабочая станция могут иметь одинаковую аппаратную конфигурацию, так как различаются лишь по участию в своей работе человека за консолью.
Некоторые специальные задачи могут выполняться на рабочей 
станции параллельно с работой пользователя. Такую рабочую станцию условно называют невыделенным сервером.
Консоль (обычно – монитор/клавиатура/мышь) и участие человека необходимы серверам только на стадии первичной настройки, при 
аппаратно-техническом обслуживании и управлении в нештатных ситуациях (штатно, большинство серверов управляются удаленно). Для 
нештатных ситуаций серверы обычно обеспечиваются одним консольным комплектом на группу серверов (с коммутатором, например 
KVM-переключателем, или без такового).
Специализация серверного оборудования идет несколькими путями. Выбор того, в каком направлении идти, каждый производитель 
определяет для себя сам. Большинство специализаций введет к удорожанию оборудование.
Сервер имеет несколько определенных характеристик:
Надежность – характеризуется свойством серверной платформы 
сохранять во времени в установленных пределах значения всех компонентов и способностью выполнять требуемые функции в заданных 
режимах.
Доступность – характеризуется долей времени, в течении которого 
серверная система доступна для использования.
Масштабирование – характеризуется возможностью расширения 
серверной платформы с целью увеличения его ресурсной базы.
Удобство в использовании – характеризуется легкостью и простотой поддержания и восстановления серверного оборудования и программного обеспечения, как отдельной серверной платформы, так и 
в рамках группы серверов.