"Серверные технологии хранения данных в среде Windows® 2000 Windows® Server 2003" - читать интересную книгу автора (Дайлип Наик)

1.7 Иерархия драйверов систем хранения и типы драйверов

Как описывалось в предыдущем разделе, Windows NT основана на архитектуре, в которой драйверы формируют многоуровневую иерархию. Преимущество такой архитектуры состоит в расширяемости архитектуры и возможности добавления новых драйверов на любой уровень иерархической структуры. Таким образом, благодаря поуровневому размещению драйверов можно реализовать различные функциональные возможности. В контексте выполняемого модуля Windows NT все драйверы имеют аналогичную структуру, поэтому функции драйвера используются схожим образом вне зависимости от его типа.

В этом разделе представлен обзор стека драйверов устройств хранения Windows NT. Обратите внимание, что речь идет только о базовых, а не обо всех драйверах, связанных с подсистемой хранения данных. Например, драйверы, связанные со службами удаленного хранения (RSS), рассматриваются в главе 7.

На рис. 1.5 демонстрируется стек драйверов подсистемы хранения данных Windows NT. Обратите внимание: здесь представлена многоуровневая архитектура драйверов, однако в зависимости от ситуации те или иные уровни приобретают более важное значение. Ниже приведены примеры подобных ситуаций.

При вводе-выводе данных на физический диск, подключенный через интерфейс IDE или SCSI, необходимы уровни класса и порта, а также уровни файловой системы и управления томами. Все эти уровни рассматриваются далее в главе.

При вводе-выводе данных посредством накопителя на магнитной ленте уровни управления томами и файловой системы не требуются.

В следующих подразделах рассматриваются драйверы шины, порта, класса, управления томами, файловой системы и фильтрации, представленные на рис. 1.5.

Драйвер шины Windows NT предоставляет функции шины другим драйверам. Термин шина используется в универсальном смысле, обозначая любое виртуальное или физическое устройство, к которому подключаются другие устройства. Драйверы шины необходимы для поддержки процедур перебора, которые вызываются диспетчером Plug and Play для перечисления устройств, подключенных к шине. Кроме того, от драйверов шины требуется предоставление кода обработки РпР, а также пакетов IRP для управления энергопитанием. Компания Microsoft предоставляет драйверы ввода-вывода для всех физических шин персональных компьютеров (например, SCSI, PCI, 1394, USB), хотя независимые поставщики оборудования также могут по мере необходимости предоставлять собственные драйверы шин. Драйвер шины создает объект физического устройства (physical device object – PDO) для каждого устройства, указанного процедурой перечисления устройств.

Рис. 1.5. Стек драйверов хранения Windows NT

Драйвер порта реализует специфичные для устройства функциональные возможности и изолирует драйвер класса от влияния особенностей аппаратного обеспечения. Драйвер порта должен реализовать набор указанных функций для драйвера класса и может реализовать дополнительные возможности. Драйвер порта получает пакеты IRP и передает блоки запросов SCSI с встроенными блоками дескрипторов команд драйверу мини-порта, который динамически подключается к драйверу порта. Драйверы мини-портов не создают объектов устройств, а используют созданные драйверами порта. Как отмечалось в разделе 1.4.2, драйверы порта создают объект физического устройства, необходимый для взаимодействия с устройством.

В Windows NT предоставляются некоторые драйверы порта, включая SCSIPort и IEEE 1394. В свою очередь, Windows Server 2003 поставляется

с дополнительным драйвером порта, который называется Storport. На данный момент достаточно сказать, что драйвер SCSIPort используется для работы с устройствами SCSI-2 и более старыми устройствами, а драйвер Storport – с устройствами SCSI-3 и Fibre Channel. Дополнительная информация о драйвере Storport приводится в главе 2.

Драйверы порта, в свою очередь, содержат драйверы мини-портов, которые предоставляются независимыми поставщиками оборудования. Мини- порт обеспечивает функции уровня устройства, которые зависят от конкретного поставщика и не обеспечиваются драйвером порта. Драйверы мини-пор- та создаются с помощью инструментария разработки драйверов Windows NT.

Драйвер класса обеспечивает универсальную, не зависящую от устройства поддержку целого диапазона устройств. Драйвер класса зависит от драйверов мини-класса или мини-порта, которые предоставляют конкретные функции устройства. Драйверы класса хранения данных используются для работы с устройствами SCSI и устройствами, подключаемыми через другие интерфейсы. Ниже перечислены другие функции драйверов классов.

Создание объекта функционального устройства (FDO). Такой объект необходим для непосредственного использования устройства. В FDO могут содержаться такие данные, как структура организации диска (таблица разделов) или номер региона DVD.

Проверка действительности параметров IRP.

Повторная отправка запросов, обработка которых завершилась неудачно.

В частности, драйверы класса хранения данных выполняют описанные ниже операции.

Разбивка больших запросов чтения/записи (полученных с помощью IRP IRP_MJ_READ и IRP_MJ_WRITE) на меньшие множественные запросы, которые соответствуют возможностям физического адаптера шины.

Получение пакетов IRP и их трансляция в подходящие блоки запросов SCSI (SCSI request blocks – SRB), которые содержат встроенные блоки дескрипторов команд. После этого блоки запросов SCSI отправляются следующему драйверу в цепочке стека, который может оказаться драйвером фильтрации или драйвером порта. Блоки запросов SCSI при этом будут незавершенными, так как драйвер класса не заполняет информацию об адресации в блоке запроса SCSI и в этом зависит от драйвера более низкого уровня.

■ Участие в управлении питанием, добавление и удаление устройств, а также установка тайм-аута для ввода-вывода данных на устройства. Другими словами, драйверы класса устройств хранения активно принимают участие в реализации РпР и управлении энергопитанием.

Драйверы класса взаимодействуют с драйверами порта на следующем нижнем уровне стека хранения данных. Интерфейс между драйверами классов и драйверами порта формируется посредством частного интерфейса управления вводом-выводом, а также обмена блоками запросов SCSI. Некоторые элементы блоков запроса SCSI Используются только для интерфейса класса или интерфейса порта, а некоторые предназначены для использования драйвером порта.

К драйверам класса устройств хранения в Windows NT относятся, например, драйверы дисков, приводов компакт-дисков и накопителей на магнитной ленте; они могут работать с различными устройствами, в том числе подключенными к шинам SCSI, IDE, USB и 1394.

В контексте диспетчера ввода-вывода драйвер класса устройства хранения – это такой же драйвер, как и все остальные, поэтому он должен соответствовать определенным требованиям, например предоставлять процедуры инициализации ввода-вывода, выгрузки и завершения.

Драйверы класса устройства хранения обычно работают аналогично драйверам шины, перечисляя дочерние устройства. Хорошим примером может служить драйвер класса диска (disk. sys), который считывает таблицу разделов диска и создает объекты устройств для каждого найденного дискового раздела.

Некоторые драйвера класса определяют интерфейс драйвера мини-класса. Драйвер мини-класса, который обычно создается независимым поставщиком оборудования, представляет собой динамически подключаемую библиотеку режима ядра, которая взаимодействует с драйвером класса, предоставляемым Microsoft. Драйвер мини-класса регистрирует адаптеры аппаратного обеспечения с помощью драйвера класса, а последний, в свою очередь, создает объект устройства для каждого зарегистрированного адаптера. Драйвер мини-класса не содержит объектов устройств и использует объект устройства, который создается драйвером класса. Обычно драйвер мини-класса помогает вносить дополнительную информацию в блоки запросов SCSI, которые создаются драйвером класса. В качестве примера можно привести драйвер мини-класса для накопителя на магнитной ленте.

Интересно отметить, что Microsoft добавила в Windows 2000 новую библиотеку, которая называется ClassPnP. Эта библиотека реализует функциональные возможности РпР, общие для всех драйверов класса. При этом некоторые функции полностью реализуются драйвером класса. Для других функций драйвер, который использует библиотеку класса, должен предоставить процедуры обратного вызова, используемые драйвером класса при необходимости. Все драйверы класса, предоставляемые Microsoft (драйверы дисков, накопителей на магнитной ленте и драйверы приводов компакт-дисков), пользуются услугами библиотеки ClassPnP (она реализована в виде файла classpnp. sys). Та же ситуация сохранилась и в Windows XP/Windows Server 2003.

Описание различных уровней, показанных на рис. 1.5, все еще остается неполным. Однако немного отвлечемся перед обсуждением уровней управления томами и файловыми системами и рассмотрим дерево устройств, которое создается операционной системой. Знакомство с объектной моделью дерева устройств упрощает понимание тем, связанных с многопоточным вводом-выводом данных в отказоустойчивых устройствах хранения (см. главу 9) и с точками повторной обработки (см. главу 6). Поэтому имеет смысл рассмотреть данную тему сейчас, пока еще не забылась информация об объектах устройств, драйверах классов и портов, приведенная в предыдущих разделах.

Как уже отмечалось, технология РпР играет вареную роль в идентификации устройств. Интерфейс РпР загружает драйверы шины и инициирует обнаружение устройств, подключенных к этой шине. При обнаружении устройств РпР используется для загрузки соответствующих драйверов. В частности, перечисление устройств начинается с драйвера виртуальной (корневой) шины. Драйвер корневой шины отвечает за перечисление устаревших драйверов DOS и обычно используется для идентификации шин PCI. Драйверы, загруженные драйвером корневой шины, часто называют прошедшими корневое перечисление. К ним относится, например, драйвер шины МРIO (рассматривается в главе 9).

При загрузке драйверов и перечислении ими соответствующих устройств списки устройств передаются обратно интерфейсу РпР. При этом формируется дерево устройств, демонстрирующее схему их логического и физического взаимодействия. Обратите внимание, что РпР может только создать дерево; граф устройств не поддерживается. Таким образом, при использовании РпР дочерний узел может содержать только один родительский узел.

На рис. 1.6 в верхнем левом углу иллюстрируется несложная системная конфигурация – сервер Windows NT с одним адаптером шины и одним диском, подключенным к этому адаптеру. Другие периферийные устройства, которые обычно подключены к компьютерам под управлением Windows NT, на рисунке не показаны.

Рис. 1.6. Дерево драйверов устройств

На рис. 1.6 представлен подробный обзор лишь некоторых компонентов с рис. 1.5. В частности, на рис. 1.6 не показаны уровень управления томами и уровень файловых систем, в отличие от уровней драйверов классов и портов на рис. 1.5. Начиная с нижней правой области рис. 1.6, последовательность формирования дерева устройств выглядит так, как описано ниже.

Выполняемый модуль Windows NT (в частности, диспетчер РпР) создает объект физического устройства для драйвера шины PCI.

Драйвер шины PCI, в свою очередь, создает объект функционального устройства для шины PCI и подключает его к объекту физического устройства.

Кроме того, драйвер шины PCI идентифицирует (перечисляет) адаптеры и обнаруживает адаптер шины SCSI, после чего создает для него объект физического устройства. Чтобы не усложнять диаграмму на рис. 1.6, другие адаптеры, подключенные к шине PCI, в данный момент не рассматриваются.

Диспетчер РпР загружает драйвер SCSIPort и после инициализации последнего вызывает его через входную точку входа AddDevice. При этом

драйверу в качестве параметра передается объект физического устройства, созданный драйвером шины PCI. Драйвер SCSIPort создает объект функционального устройства для устройства шины. Драйвер порта подключает созданный объект функционального устройства к объекту физического устройства, созданному драйвером шины PCI.

Как уже отмечалось, драйвер может функционировать по-разному, и в данном случае драйвер SCSIPort действует в качестве драйвера шины, перечисляя устройства, которые подключены к шине SCSI. Драйвер обнаруживает диск и сообщает о нем диспетчеру РпР, который загружает драйвер класса диска (disk. sys). После инициализации драйвер класса диска вызывается через входную точку AddDevice и в качестве параметра получает объект физического устройства, который создается драйвером SCSI.

Драйвер класса диска создает объект функционального устройства для диска, подключенного к адаптеру шины, и подключает его к объекту физического устройства, созданному драйвером SCSIPort. На самом деле адаптер шины может быть подключен к промышленному коммутатору Fibre Channel, за счет чего адаптер главной шины перечислит намного больше устройств. В данном случае описываемая ситуация намеренно упрощена. Кроме того, стек устройств на этом не заканчивается. Дальнейшее обсуждение стека устройств, которое затрагивает уровни управления томами и файловых систем, приводится в следующем разделе.

Обратите внимание на взаимодействие двух драйверов для создания экземпляров таких логических устройств, как драйвер шины PCI и драйвер SCSIPort. Это вполне логично, так как устройство, с одной стороны, подключается к шине PCI, а с другой – обеспечивает работу интерфейса шины SCSI. Таким образом, одно устройство имеет характеристики как устройства PCI, так и устройства SCSI, поэтому оно должно обрабатываться одновременно драйвером шины PCI и драйвером SCSIPort.

На этом этапе можно вернуться к рис. 1.5 и рассмотреть уровень управления томами. Тома – это логические элементы, которые создаются, чтобы упростить управление устройствами хранения данных. Физические диски, которые подключаются через интерфейсы IDE или SCSI, могут быть логически разбиты на разделы (partitions). Раздел – это физически непрерывный набор секторов диска. Из разделов определенным образом формируется том. Такая комбинация разделов может предоставлять дополнительные возможности: например, несколько разделов могут быть объединены для создания тома, размер которого превышает размер каждого из физических дисков. Еще одним примером может быть создание зеркального тома на основе двух разделов, размер которых совпадает. Дисковые тома рассматриваются более подробно в главе 6. На данном этапе эта тема затрагивается для описания схемы управления томами в Windows NT с помощью драйвера программного устройства.

Рис. 1.7. Дерево объектов устройств для стека томов

В Windows 2000, Windows ХР и Windows Server 2003 поддерживается три различных диспетчера томов: FtDisk, Microsoft Logical Disk Manager и VERITAS Volume Manager. Все они подробно рассматриваются в главе 6. В данном случае в качестве примера будет использоваться базовый диспетчер томов Microsoft FtDisk Manager. Дерево устройств с другими диспетчерами томов также описано в главе 6. Дерево устройств на рис. 1.7 иллюстрирует системную конфигурацию с одним подключенным диском SCSI, содержащим два раздела, которые, в свою очередь, формируют один том.

Для понимания принципов работы диспетчеров томов рассмотрим рис. 1.7, начиная с нижнего правого угла. Подсистема РпР и драйверы шины PCI взаимодействуют для создания объектов физического и функционального устройств для шины PCI. После идентификации устройств, подключенных к шине PCI, драйвер шины PCI создает объект физического устройства для адаптера шины SCSI. Драйвер SCSIPort создает объект функционального устройства для адаптера шины SCSI. Затем драйвер SCSIPort и драйверы класса диска создают объект физического устройства и объект функционального устройства для одного диска, который подключен к шине SCSI. До этого момента на рис. 1.7 вкратце дублировалось содержимое рис. 1.6. -

Диспетчер разделов представляет собой драйвер фильтрации более высокого уровня (драйверы фильтрации рассматриваются в разделе 1.7.7), который регистрируется в подсистеме Windows NT РпР для Получения уведомлений о создании драйвером класса диска новых объектов устройств. Диспетчер разделов появился впервые в Windows 2000 и используется в Windows ХР и Windows Server 2003. Диспетчер разделов взаимодействует с диспетчерами томов (на рис. 1.7 это диспетчер FtDisk) с помощью частных интерфейсов и передает уведомление о создании устройства диспетчеру разделов. Обнаружив все дисковые разделы, которые формируют том, диспетчер тома создает объект устройства, представляющего данный том. Диспетчер разделов обеспечивает уведомление подсистемы РпР относительно удаления объекта устройства или раздела (например, при удалении раздела). Диспетчер разделов связывается с драйвером FtDisk для предоставления последнему информации о динамически добавляемых и удаляемых разделах.

На рис. 1.7, в отличие от предыдущих рисунков, впервые показан диспетчер разделов, который следит за пакетами IRP в процессе ввода-вывода и обеспечивает завершение их обработки. Обнаружив завершение обработки QDR(IRP_MN_QUERY_DEVICE_RELATI0NSHIPS), диспетчер разделов незаметно удаляет дополнительную информацию об обнаруженном устройстве – в данном случае это объект устройства для раздела 0, созданный драйвером класса диска disk. sys. Таким образом объект устройства раздела 0 никогда не обнаруживается подсистемой РпР. Именно поэтому объект устройства для раздела 0 закрашен не так, как все остальные объекты на рис. 1.7.

Диспетчер разделов передает информацию об обнаруженных объектах устройств зарегистрированным диспетчерам томов. На данный момент обсуждение будет ограничено одним диспетчером томов. В главе 6 рассматривается аналогичная ситуация, но уже при участии нескольких диспетчеров томов. Диспетчер томов проверяет устройства, представленные объектами устройств, которые «украдены» диспетчером разделов, и принимает или отвергает владение этими объектами устройств. В этом примере драйвер FtDisk подтверждает свое владение объектами устройств. Затем диспетчер FtDisk проверяет конфигурацию тома и устанавливает, что том сформирован посредством одного раздела, а также определяет владельца соответствующего раздела. На этом этапе драйвер FtDisk создаст объект устройства для тома (на рис. 1.7 он называется «том V01»), после чего можно будет монтировать файловую систему этого тома. Подробности монтирования файловой системы рассматриваются в главе 6.

Следует отметить, что здесь на самом деле рассматриваются два отдельных стека устройств. Один стек представляет логический компонент – том, а второй включает в себя физические устройства системы, например шину PCI, адаптер SCSI и жесткий диск. Диспетчер томов действует как мост между двумя стеками.

На рис. 1.7 драйвер FtDisk отправляет все обработанные пакеты IRP непосредственно драйверу класса диска. Конечно, драйвер FtDisk преобразует смещения относительно тома в смещения относительно диска перед отправкой пакетов IRP. Такие операции ввода-вывода показаны толстыми штриховыми линиями. Тонкие пунктирные линии отображают частный интерфейс между диспетчерами томов и разделов. Кроме того, драйвер FtDisk отправляет необработанные сообщения управления вводом-выводом непосредственно объекту устройства раздела. На рис. 1.7 это показано штрих-пунктирной линией.

Драйверы файловой системы представляют собой драйверы устройств Windows NT, которые реализуют возможности файловой системы. Хотя файловая система содержится на физическом носителе, например на компакт- диске или жестком диске, драйверы файловой системы рассматриваются в качестве логических, поскольку не используются для непосредственного управления аппаратным обеспечением. Драйверы файловых систем полагаются на драйверы портов и классов для обеспечения ввода-вывода данных на диск и с него. Драйвер файловой системы обычно получает пакет IRP для выполнения запроса и осуществляет одну из двух операций.

Заполняет следующий фрагмент стека пакета IRP необходимой информацией для завершения ввода-вывода. После этого пакет IRP отправляется драйверу класса.

Создает последовательность пакетов IRP для выполнения запрошенного ввода-вывода.

Драйвер файловой системы содержит метаданные на самом носителе. В метаданные входит информация о разрешениях доступа к файловой системе и таблица размещения файлов (расположение файлов на диске). Драйвер файловой системы получает пакет IRP, который указывает на определенную операцию по отношению к файлу, считывает необходимые метаданные и отправляет запрос IRP, который уже относится к блоку диска, а не к файлу. Операционная система поставляется с драйверами файловых систем NTFS, UDFS и FAT.

Создание драйвера файловой системы или драйверов фильтрации для файловых систем в Windows NT З. х; поначалу считали «черной магией». Впоследствии Microsoft предоставила инсталляционный инструментарий файловых систем (Installable File System Kit), который содержит необходимые заголовочные файлы, документацию и примеры создания файловых систем и драйверов фильтрации файловых систем.

Драйверы как файловых систем, так и фильтрации файловых систем должны обеспечивать поддержку пакетов IRP РпР, включая управление питанием, удаление носителя и самого устройства хранения (например, внешнего дисковода на гибких дисках, подключаемого к шине USB).

Драйверы фильтрации размещены выше других объектов устройств в иерархической структуре драйверов и выполняет предварительную и/или последующую обработку запросов ввода-вывода для модификации работы системы. Драйверы фильтрации обычно используются для выполнения перечисленных ниже задач.

Поддержка модульной структуры, например посредством драйвера фильтрации музыкальных компакт-дисков.

Добавление функциональных возможностей, например записи компакт- дисков на соответствующих устройствах.

Добавление функциональных возможностей файловой системе, например драйверов фильтрации для шифрования, точек повторной обработки и SIS – Single Instance Storage (рассматривается в главе 6).

Добавление функций шины. Например, в виде поддержки шины AGP или расширений ACPI BIOS.

Изменение процесса ввода-вывода для того, чтобы он соответствовал особенностям функционирования аппаратного обеспечения, например разбивка пакетов ввода-вывода на меньшие фрагменты.

Драйверы фильтрации всегда создают объект устройства, который подключен к объекту функционального устройства или к объекту физического устройства (эти объекты рассматриваются в разделе 1.4.2). Объект устройства необходим драйверу фильтрации для получения пакетов IRP и выполнения предварительной и/или последующей обработки запросов ввода-вывода.

Некоторые драйверы фильтрации создают вторичный объект устройства, который часто называется объектом управляющего устройства (control device object – CDO), так как он используется для отправки управляющей информации драйверу фильтрации с помощью соответствующего модуля управления. Драйверы фильтрации, которые подключаются к объекту функционального устройства, созданному драйвером класса, называются драйверами фильтрации верхнего уровня. В свою очередь, драйверы фильтрации, которые подключаются к объекту физического устройства, размещенному ниже в стеке и созданному драйвером порта, называются драйверами фильтрации нижнего уровня.

Драйверы фильтрации нижнего уровня отличаются более сложной структурой, чем драйверы верхнего уровня. К одной из технических проблем относится выбор сообщаемых ошибок,, а также операций ввода-вывода, ошибки которых сообщаются. Еще одна проблема – отсутствие готовых примеров драйверов нижнего уровня, поскольку все доступные примеры описывают драйверы верхнего уровня. Иногда (достаточно редко) драйверы нижнего уровня предоставляют функции протокольного преобразователя или функции, позволяющие обойти некоторые ограничения в работе аппаратного устройства.

Драйверы фильтрации существовали в Windows NT с момента появления ее первой коммерческой версии. Пакет Windows NT Installable File System Kit (http://www.microsoft.com/ddk/IFSKit) представляет собой неплохой справочник для разработчиков, в котором подробно документируется архитектура драйверов фильтрации.

Начиная с Windows 2000, в процесс загрузки драйверов фильтрации были внесены значительные изменения. Ранее дополнительная работа по проверке правильности загрузки драйвера ложилась на плечи создателя драйвера. Если драйвер загружался слишком рано, объект устройства, к которому должен подключиться драйвер, мог еще не существовать. Если драйвер загружался слишком поздно, устройство могло оказаться занятым другим драйвером; это приводило к тому, что драйвер фильтрации в стеке драйверов помещался выше, чем было необходимо. В Windows 2000 создатель драйвера указывает размещение драйвера выше или ниже определенного объекта физического устройства или объекта функционального устройства, а диспетчер Plug and Play загружает драйвер в подходящее время.

Похоже* что компания Microsoft чересчур упростила процесс создания драйвера фильтрации. Цепь стека драйверов стала чрезмерно «переполненной», что подразумевает проблемы с производительностью и загрузкой памяти (каждый пакет IRP должен содержать больше фрагментов стека, а пакеты IRP размещаются в невыгружаемой памяти). Достаточно посмотреть на список драйверов фильтрации, которые загружаются в операционной системе:

драйвер фильтрации шифрованной файловой системы;

драйвер фильтрации, используемый для управления иерархическим хранением и для служб удаленного хранения;

драйвер фильтрации SIS для служб удаленной установки (RIS);

драйверы фильтрации для точек повторной обработки от сторонних поставщиков;

драйверы фильтрации для антивирусного программного обеспечения.

С другой стороны, создание драйвера фильтрации бывает достаточно сложным. Представьте себе драйвер, который должен выполнять шифрование данных при записи на диск и дешифрацию при считывании. Все, что на самом деле необходимо драйверу, это доступ к буферам до их записи и после считывания. Но создатель драйвера не имеет возможности просто зарегистрировать функцию обратного вызова для быстрого выполнения необходимой функции и вынужден сталкиваться с различными трудностями, в частности с обработкой отмененных пакетов IRP.