4.2.3. Организация дисковых массивов (raid)
Еще одним способом повышения производительности дисковой памяти стало построение дисковых массивов, хотя этот нацелен не только (и не столько) на достижение более высокой производительности, но и большей надежности работы запоминающих устройств на дисках.
Технология RAID (Redundant Array of Independent Disks – избыточный массив независимых дисков) задумывалась как объединение нескольких недорогих жестких дисков в один массив дисков для увеличения производительности, объема и надежности, по сравнению с одиночным диском. При этом ЭВМ должна видеть такой массив как один логический диск.
Если просто объединить несколько дисков в (не избыточный) массив, то среднее время между отказами (СВМО) будет равно СВМО одного диска, деленному на количество дисков. Такой показатель слишком мал для приложений, критичных к аппаратным сбоям. Улучшить его можно применяя реализуемую различным образом избыточность при хранение информации.
В RAID системах для повышения надежности и производительности используются комбинации трех основных механизмов, каждый из которых хорошо известен и по отдельности: - организация “зеркальных” дисков, т.е. полное дублирование хранимой информации; - подсчет контрольных кодов (четность, коды Хэмминга), позволяющих восстановить информацию при сбое; - распределение информации по различным дискам массива так, как это делается при чередовании обращений по блокам памяти (см. interleave), что повышает возможности параллельной работы дисков при операциях над хранимой информацией. При описании RAID этот прием называют “stripped disks”, что буквально означает “разделенные на полоски диски”, или просто "полосатые диски"..
Рис. 43. Разбиение дисков на чередующиеся блоки - “полоски”.
Изначально было определено пять типов дисковых массивов, обозначаемых RAID 1 – RAID 5, различающихся по своим особенностям и производительности. Каждый из этих типов за счет определенной избыточности записываемой информации обеспечивал повышенную отказоустойчивость по сравнению с одиночным дисководом. Кроме того, массив дисков, не обладающих избыточностью, но позволяющий повысить производительность (за счет расслоения обращений), стали часто называть RAID 0.
Основные типы RAID массивов можно кратко охарактеризовать следующим образом .
RAID 0 . Обычно этот тип массива определяется как группа дисков с чередованием (stripped) расположения информации без контроля четности и без избыточности данных. Размеры чередующихся областей (stripes – “полосок”, или блоков) могут быть большими в многопользовательском окружении или малыми в однопользовательской системе при последовательном доступе к длинным записям.
Организация RAID 0 как раз и соответствует той, которая показана на рис. 43. Операции записи и чтения могут выполняться одновременно на каждом дисководе. Минимальное количество дисководов для RAID 0 – два.
Для этого типа характерны высокая производительность и наиболее эффективное использование дискового пространства, однако, выход из строя одного из дисков приводит к невозможности работы со всем массивом.
RAID 1 . Этот тип дискового массива (рис. 44, а ) известен также как зеркальные диски и представляет собой просто пары дисководов, дублирующих хранимые данные, но представляющиеся компьютеру как один диск. И хотя в рамках одной пары зеркальных дисков разбиение на полоски не производится, чередование блоков может быть организовано для нескольких массивов RAID 1, образующих вместе один большой массив из нескольких зеркальных пар дисков. Такой вариант организации получил название RAID 1 + 0. Существует и обратный вариант.
Все операции записи производятся одновременно в оба диска зеркальной пары, чтобы информация в них была идентична. Но при чтении каждый из дисков пары может работать независимо, что позволяет выполнять одновременно две операции чтения, удваивая тем самым производительность при чтении. В этом смысле RAID 1 обеспечивает наилучшую производительность среди всех вариантов дисковых массивов.
RAID 2 . В этих дисковых массивах блоки – сектора данных чередуются по группе дисков, часть из которых используется только для хранения контрольной информации – ECC (error correcting codes) кодов. Но поскольку во всех современных дисках имеется встроенный контроль с помощью ECC кодов, то RAID 2 мало что дает, по сравнению с другими типами RAID, и сейчас редко используется.
RAID 3 . Как и в RAID 2 в этом типе дискового массива (рис. 44, б ) блоки –сектора чередуются по группе дисков, но один из дисков группы отведен для хранения информации о четности. В случае выхода дисковода из строя восстановление данных осуществляется на основе вычисления значений функции "исключающее ИЛИ" (XOR) от данных, записанных на оставшихся дисках. Записи обычно занимают все диски (так как полоски короткие), что повышает общую скорость передачи данных. Так как каждая операция ввода-вывода требует доступа к каждому диску, массив RAID 3 может обслужить в каждый момент времени только один запрос. Поэтому данный тип обеспечивает наилучшую производительность для одного пользователя в однозадачном окружении с длинными записями. При работе с короткими записями во избежание снижения производительности требуется синхронизация шпинделей дисководов. По своим характеристикам RAID 3 близок к RAID 5 (см. ниже).
RAID 4. Эта организация, показанная на рис. 35, в ), похожа на RAID 3 с той лишь разницей, что в нем используются блоки (полоски) большого размера, так что записи можно читать с любого диска массива (кроме диска, хранящего коды четности). Это позволяет совмещать операции чтения на разных дисках. При операциях записи всегда происходит обновление диска четности, поэтому их совмещение невозможно. В целом, данная архитектура не имеет особых преимуществ перед другими вариантами RAID.
RAID 5. Этот тип дискового массива похож на RAID 4, но хранение кодов четности в нем осуществляется не на специально выделенном диске, а блоками, располагающимися поочередно на всех дисках. Эту организацию даже иногда называют массив с “вращающейся четностью” (можно отметить некую аналогию с назначением линий прерываний для слотов шины PCI или с циклическим приоритетом контроллера прерываний в процессорах линии x86). Такое распределение позволяет избежать ограничения возможности одновременной записи из-за хранения кодов четности только на одном диске, характерного для RAID 4. На рис. 44, г ) показан массив, состоящий из четырех дисководов, причем для каждых трех блоков данных имеется один блок четности (эти блоки заштрихованы), местоположение которого для каждой тройки блоков данных изменяется, перемещаясь циклически по всем четырем дисководам.
Операции чтения могут выполняться параллельно для всех дисков. Операции записи, требующие участия двух дисководов (для данных и для четности) обычно также могут совмещаться, так как коды четности распределены по всем дискам.
Сравнение различных вариантов организации дисковых массивов показывает следующее.
Организация RAID 0 – это наиболее быстрый и эффективный вариант, но не обеспечивающий устойчивости к сбоям. Он требует минимум 2 дисковода. Операции записи и чтения могут выполняться одновременно на каждом дисководе.
Архитектура RAID 1 наиболее пригодна для высокопроизводительных высоконадежных приложений, но и наиболее дорогая. Кроме того, это единственный вариант, устойчивый к сбоям, если используются только два дисковода. Операции чтения могут выполняться одновременно для каждого дисковода, операции записи всегда дублируются для зеркальной пары дисководов.
Архитектура RAID 2 используется редко.
Дисковый массив типа RAID 3 можно использовать для ускорения передачи данных и повышения устойчивости к сбоям в однопользовательской среде при последовательном доступе к длинным записям. Но он не позволяет совмещать операции и требует синхронизации вращения шпинделей дисководов. Для него нужно, как минимум, три дисковода: 2 для данных и один для кодов четности.
Архитектура RAID 4 не поддерживает одновременные операции и не имеет преимуществ, по сравнению с RAID 5.
Организацию RAID 5 характеризует эффективность, устойчивость к сбоям и хорошая производительность. Но производительность при записи и в случае отказа дисковода хуже, чем у RAID 1. В частности, поскольку блок кодов четности относится ко всему записываемому блоку, то, если пишется только часть его, необходимо сперва считать ранее записанные данные, затем вычислить новые значения кодов четности и только после этого записать новые данные (и четность). Операции перестройки также требуют больше времени из-за необходимости формирования кодов четности. Для данного типа RAID нужно, как минимум, три дисковода.
Кроме того, на основе наиболее распространенных вариантов RAID: 0, 1 и 5 могут формироваться так называемые двухуровневые архитектуры, в которых сочетаются принципы организации различных типов массивов. Например, несколько RAID массивов одного и того же типа можно объединить в одну группу массивов данных или массив четности.
За счет такой двухуровневой организации можно достичь требуемого баланса между увеличением надежности хранения данных, характерным для массивов RAID 1 и RAID 5 и высокой скоростью чтения, присущей чередованию блоков на дисках в массиве типа RAID 0. Такие двухуровневые схемы иногда называют RAID 0+1 или 10 и 0+5 или 50.
Управление работой RAID массивов может осуществляться не только аппаратно, но и программно, возможность чего предусматривается в некоторых серверных вариантах операционных систем. Хотя понятно, что такая реализация будет иметь существенно худшие характеристики производительности.
© Андрей Егоров, 2005, 2006. Группа компаний ТИМ.
Посетители форума задают нам вопрос: «Какой уровень RAID самый надежный?» Все знают, что наиболее распространенным является уровень RAID5, однако он отнюдь не лишен серьезных недостатков, которые неочевидны для неспециалистов.
RAID 0, RAID 1, RAID 5, RAID6, RAID 10 или что такое уровни RAID?
В своей статье я попытаюсь охарактеризовать самые популярные уровни RAID, а затем сформулирую рекомендации по использованию этих уровней. Для иллюстрации статьи я построил диаграмму, на которой поместил эти уровни в трехмерном пространстве надежности, производительности и ценовой эффективности.
JBOD (Just a Bunch of Disks) – это простое объединение (spanning) жестких дисков, которое уровнем RAID формально не является. Томом JBOD может быть массив из одного диска или объединение нескольких дисков. Контроллеру RAID для работы с таким томом не требуется проведение каких-либо вычислений. На нашей диаграмме диск JBOD служит в качестве «ординара» или отправной точки – его значения надежности, производительности и стоимости совпадают с соответствующими показателями единичного жесткого диска.
RAID 0 (“Striping”) избыточности не имеет, а информацию распределяет сразу по всем входящим в массив дискам в виде небольших блоков («страйпов»). За счет этого существенно повышается производительность, но страдает надежность. Как и в случае JBOD, за свои деньги мы получаем 100% емкости диска.
Поясню, почему уменьшается надежность хранения данных на любом составном томе – так как при выходе из строя любого из входящих в него винчестеров полностью и безвозвратно пропадает вся информация. В соответствии с теорией вероятностей математически надежность тома RAID0 равна произведению надежностей составляющих его дисков, каждая из которых меньше единицы, поэтому совокупная надежность заведомо ниже надежности любого диска.
Хороший уровень – RAID 1 (“Mirroring”, «зеркало»). Он имеет защиту от выхода из строя половины имеющихся аппаратных средств (в общем случае – одного из двух жестких дисков), обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения за счет распараллеливания запросов. Недостаток заключается в том, что приходится выплачивать стоимость двух жестких дисков, получая полезный объем одного жесткого диска.
Изначально предполагается, что жесткий диск – вещь надежная. Соответственно, вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна (по формуле) произведению вероятностей, т.е. ниже на порядки! К сожалению, реальная жизнь – не теория! Два винчестера берутся из одной партии и работают в одинаковых условиях, а при выходе из строя одного из дисков нагрузка на оставшийся увеличивается, поэтому на практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры – вновь восстанавливать избыточность. Для этого с любым уровнем RAID (кроме нулевого) рекомендуют использовать диски горячего резерва HotSpare . Достоинство такого подхода – поддержание постоянной надежности. Недостаток – еще большие издержки (т.е. стоимость 3-х винчестеров для хранения объема одного диска).
Зеркало на многих дисках – это уровень RAID 10 . При использовании такого уровня зеркальные пары дисков выстраиваются в «цепочку», поэтому объем полученного тома может превосходить емкость одного жесткого диска. Достоинства и недостатки – такие же, как и у уровня RAID1. Как и в других случаях, рекомендуется включать в массив диски горячего резерва HotSpare из расчета один резервный на пять рабочих.
RAID 5 , действительно, самый популярный из уровней – в первую очередь благодаря своей экономичности. Жертвуя ради избыточности емкостью всего одного диска из массива, мы получаем защиту от выхода из строя любого из винчестеров тома. На запись информации на том RAID5 тратятся дополнительные ресурсы, так как требуются дополнительные вычисления, зато при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких накопителей массива распараллеливаются.
Недостатки RAID5 проявляются при выходе из строя одного из дисков – весь том переходит в критический режим, все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко падает производительность, диски начинают греться. Если срочно не принять меры – можно потерять весь том. Поэтому, (см. выше) с томом RAID5 следует обязательно использовать диск Hot Spare.
Помимо базовых уровней RAID0 - RAID5, описанных в стандарте, существуют комбинированные уровни RAID10, RAID30, RAID50, RAID15, которые различные производители интерпретируют каждый по-своему.
Суть таких комбинаций вкратце заключается в следующем. RAID10 – это сочетание единички и нолика (см. выше). RAID50 – это объединение по “0” томов 5-го уровня. RAID15 – «зеркало» «пятерок». И так далее.
Таким образом, комбинированные уровни наследуют преимущества (и недостатки) своих «родителей». Так, появление «нолика» в уровне RAID 50 нисколько не добавляет ему надежности, но зато положительно отражается на производительности. Уровень RAID 15 , наверное, очень надежный, но он не самый быстрый и, к тому же, крайне неэкономичный (полезная емкость тома составляет меньше половины объема исходного дискового массива).
RAID 6 отличается от RAID 5 тем, что в каждом ряду данных (по-английски stripe ) имеет не один, а два блока контрольных сумм. Контрольные суммы – «многомерные», т.е. независимые друг от друга, поэтому даже отказ двух дисков в массиве позволяет сохранить исходные данные. Вычисление контрольных сумм по методу Рида-Соломона требует более интенсивных по сравнению с RAID5 вычислений, поэтому раньше шестой уровень практически не использовался. Сейчас он поддерживается многими продуктами, так как в них стали устанавливать специализированные микросхемы, выполняющие все необходимые математические операции.
Согласно некоторым исследованиям, восстановление целостности после отказа одного диска на томе RAID5, составленном из дисков SATA большого объема (400 и 500 гигабайт), в 5% случаев заканчивается утратой данных. Другими словами, в одном случае из двадцати во время регенерации массива RAID5 на диск резерва Hot Spare возможен выход из строя второго диска... Отсюда рекомендации лучших RAIDоводов: 1) всегда делайте резервные копии; 2) используйте RAID6 !
Недавно появились новые уровни RAID1E, RAID5E, RAID5EE. Буква “Е” в названии означает Enhanced .
RAID level-1 Enhanced (RAID level-1E) комбинирует mirroring и data striping. Эта смесь уровней 0 и 1 устроена следующим образом. Данные в ряду распределяются точь-в-точь так, как в RAID 0. То есть ряд данных не имеет никакой избыточности. Следующий ряд блоков данных копирует предыдущий со сдвигом на один блок. Таким образом как и в стандартном режиме RAID 1 каждый блок данных имеет зеркальную копию на одном из дисков, поэтому полезный объем массива равен половине суммарного объема входящих в массив жестких дисков. Для работы RAID 1E требуется объединение трех или более дисков.
Мне очень нравится уровень RAID1E. Для мощной графической рабочей станции или даже для домашнего компьютера – оптимальный выбор! Он обладает всеми достоинствами нулевого и первого уровней – отличная скорость и высокая надежность.
Перейдем теперь к уровню RAID level-5 Enhanced (RAID level-5E) . Это то же самое что и RAID5, только со встроенным в массив резервным диском spare drive . Это встраивание производится следующим образом: на всех дисках массива оставляется свободным 1/N часть пространства, которая при отказе одного из дисков используется в качестве горячего резерва. За счет этого RAID5E демонстрирует наряду с надежностью лучшую производительность, так как чтение/запись производится параллельно с бОльшего числа накопителей одновременно и spare drive не простаивает, как в RAID5. Очевидно, что входящий в том резервный диск нельзя делить с другими томами (dedicated vs. shared). Том RAID 5E строится минимум на четырех физических дисках. Полезный объем логического тома вычисляется по формуле N-2.
RAID level-5E Enhanced (RAID level-5EE) подобен уровню RAID level-5E, но он имеет более эффективное распределение spare drive и, как следствие, – более быстрое время восстановления. Как и уровень RAID5E, этот уровень RAID распределяет в рядах блоки данных и контрольных сумм. Но он также распределяет и свободные блоки spare drive, а не просто оставляет под эти цели часть объема диска. Это позволяет уменьшить время, необходимое на реконструкцию целостности тома RAID5EE. Входящий в том резервный диск нельзя делить с другими томами – как и в предыдущем случае. Том RAID 5EE строится минимум на четырех физических дисках. Полезный объем логического тома вычисляется по формуле N-2.
Как ни странно, никаких упоминаний об уровне RAID 6E на просторах Интернета я не нашел - пока такой уровень никем из производителей не предлагается и даже не анонсируется. А ведь уровень RAID6E (или RAID6EE?) можно предложить по тому же принципу, что и предыдущий. Диск HotSpare обязательно должен сопровождать любой том RAID, в том числе и RAID 6. Конечно, мы не потеряем информацию при выходе из строя одного или двух дисков, но начать регенерацию целостности массива крайне важно как можно раньше, чтобы скорее вывести систему из «критического» режима. Поскольку необходимость диска Hot Spare для нас не подлежит сомнению, логичным было бы последовать дальше и «размазать» его по тОму так, как это сделано в RAID 5EE, чтобы получить преимущества от использования бОльшего количества дисков (лучшая скорость на чтении-записи и более быстрое восстановление целостности).
Уровни RAID в «числах».
В таблицу я собрал некоторые важные параметры почти всех уровней RАID, чтобы можно было сопоставить их между собой и четче понять их суть.
|
Уровень |
Избы- |
Исполь- |
Произво- ~~~~~~~ |
Произво- ~~~~~~~ |
Встроен- ~~~~~~~ |
Мин. кол-во дисков |
Макс. кол-во дисков ~~~~~~~ |
|||||||
|
Отл |
Отл |
|||||||||||||
|
Отл |
||||||||||||||
|
Отл |
Все «зеркальные» уровни – RAID 1, 1+0, 10, 1E, 1E0.
Давайте еще раз попробуем досконально разобраться, чем же различаются эти уровни?
RAID 1.
Это – классическое «зеркало». Два (и только два!) жестких диска работают как один, являясь полной копией друг друга. Выход из строя любого из этих двух дисков не приводит к потере ваших данных, так как контроллер продолжает работу с оставшимся диском. RAID1 в цифрах: двукратная избыточность, двукратная надежность, двукратная стоимость. Производительность на запись эквивалентна производительности одного жесткого диска. Производительность чтения выше, так как контроллер может распределять операции чтения между двумя дисками.
RAID 10.
Суть этого уровня в том, что диски массива объединяются парами в «зеркала» (RAID 1), а затем все эти зеркальные пары в свою очередь объединяются в общий массив с чередованием (RAID 0). Именно поэтому его иногда обозначают как RAID 1+0
. Важный момент – в RAID 10 можно объединить только четное количество дисков (минимум – 4, максимум – 16). Достоинства: от "зеркала" наследуется надежность, от «нуля» – производительность как на чтение, так и на запись.
RAID 1Е.
Буква "E" в названии означает "Enhanced", т.е. "улучшенный". Принцип этого улучшения следующий: данные блоками "чередуются" ("striped") на все диски массива, а потом еще раз "чередуются" со сдвигом на один диск. В RAID 1E можно объединять от трех до 16 дисков. Надежность соответствует показателям "десятки", а производительность за счет большего "чередования" становится чуть лучше.
RAID 1Е0.
Этот уровень реализуется так: мы создаем "нулевой" массив из массивов RAID1E. Следовательно, общее количество дисков должно быть кратно трем: минимум три и максимум – шестьдесят! Преимущество в скорости при этом мы вряд ли получим, а сложность реализации может неблагоприятно отразиться на надежности. Главное достоинство – возможность объединить в один массив очень большое (до 60) количество дисков.
Сходство всех уровней RAID 1X заключается в их показателях избыточности: ради реализации надежности жертвуется ровно 50% суммарной емкости дисков массива.
Многие пользователи слышали о таком понятии, как дисковые массивы RAID, однако на практике мало кто себе представляет себе, что это такое. Но как оказывается, ничего сложного тут нет. Разберем суть этого термина, что называется, на пальцах, исходя из объяснения информации для рядового обывателя.
Что представляют собой дисковые массивы RAID?
Для начала рассмотрим общую трактовку, которая предлагается интернет-изданиями. Дисковые массивы - это целые системы хранения информации, состоящие из связки двух и более жестких дисков, служащих либо для увеличения скорости доступа к хранимой информации, либо для ее дублирования, например, при сохранении бэкап-копий.
В такой связке количество винчестеров в плане установки теоретически ограничений не имеет. Все зависит только от того, сколько подключений поддерживает материнская плата. Собственно, почему используются дисковые массивы RAID? Тут стоит обратить внимание на то, что в направлении развития технологий (относительно именно жестких дисков) они давно замерли на одной точке (скорость вращения шпинделя 7200 об./мин, размер кэша и т. д.). Исключение в этом плане составляют только модели SSD, но и у них в основном производится только увеличение объема. В то же время в производстве процессоров или планок оперативной памяти прогресс более ощутим. Таким образом, за счет применения RAID-массивов осуществляется увеличение прироста производительности при обращении к винчестерам.
Дисковые массивы RAID: виды, назначение
Что же касается самих массивов, условно их можно разделить по используемой нумерации (0, 1, 2 и т. д.). Каждый такой номер соответствует выполнению одной из заявленных функций.
Основными в этой классификации являются дисковые массивы с номерами 0 и 1 (далее будет понятно, почему), поскольку именно на них возложены основные задачи.
При создании массивов с подключением нескольких винчестеров изначально следует использовать настройки BIOS, где в разделе конфигурации SATA устанавливается значение RAID. При этом важно обратить внимание, что подключаемые диски должны иметь абсолютно идентичные параметры в плане объема, интерфейса, подключения, кэша и т. д.
RAID 0 (Striping)
Нулевые дисковые массивы по сути своей предназначены для ускорения доступа к хранимой информации (записи или считывания). Они, как правило, могут иметь в связке от двух до четырех винчестеров.
Но тут самая главная проблема состоит в том, что при удалении информации на одном из дисков она исчезает и на других. Информация записывается в виде блоков поочередно на каждый диск, а увеличение производительности прямо пропорционально количеству винчестеров (то есть, четыре диска в два раза быстрее двух). Но вот потеря информации связана только с тем, что блоки могут находиться на разных дисках, хотя пользователь в том же «Проводнике» видит файлы в нормальном отображении.
RAID 1
Дисковые массивы с единичным обозначением относятся к разряду Mirroring (зеркальное отображение) и служат для сохранения данных путем дублирования.
Грубо говоря, при таком положении дел пользователь несколько теряет в производительности, зато может быть точно уверен, что при исчезновении данных из одного раздела они будут сохранены в другом.
RAID 2 и выше
Массивы с номерами 2 и выше имеют двойное назначение. С одной стороны, они предназначены для записи информации, с другой - используются для коррекции ошибок.
Иными словами, дисковые массивы этого типа совмещают в себе возможности RAID 0 и RAID 1, но среди компьютерщиков особой популярностью не пользуются, хотя в основе их работы лежит использование
Что лучше использовать на практике?
Безусловно, если на компьютере предполагается использование ресурсоемких программ, например, современных игр, лучше использовать массивы RAID 0. В случае работы с важной информацией, которую нужно сохранить любым способом, придется обратиться к массивам RAID 1. В силу того, что связки с номерами от двух и выше популярными так и не стали, их применение обусловливается исключительно желанием пользователя. Кстати, применение нулевых массивов является практичным и в том случае, если пользователь часто загружает на компьютер файлы мультимедиа, скажем, фильмы или музыку с высоким битрейтом для формата MP3 или в стандарте FLAC.
В остальном же придется полагаться на собственные предпочтения и нужды. Именно от этого и будет зависеть применение того или иного массива. И, конечно же, при установке связки лучше отдавать предпочтение дискам SSD, поскольку по сравнению с обычными винчестерами они уже изначально имеют более высокие показатели по скорости записи и считывания. Но они должны быть абсолютно одинаковыми по своим характеристикам и параметрам, иначе подключаемая комбинация попросту работать не будет. И именно это является одним из самых главных условий. Так что придется обратить внимание и на этот аспект.
Приветствую читателей блога!
Сегодня будет очередная статья на компьютерную тему, а посвящена она будет такому понятию, как Raid массив дисков
— уверен, многим это понятие абсолютно ничего не скажет, а те, кто уже где-то про это слышал, не имеют представление о том, что это вообще такое. Давайте разбираться вместе!
Не вдаваясь в детали терминологии, Raid массив — это некий комплекс, построенный из нескольких жестких дисков, который позволяет более грамотно распределять между ними функции. Как обычно мы размещаем жесткие диски в компе? Подключаем к Sata один жесткий диск, потом другой, третий. И появляются в нашей операционке диски D, E, F и так далее. Мы можем поместить на них какие-то файлы или установить Windows, но по сути это будут отдельные диски — вынув один из них мы ровным счетом ничего не заметим (если на нем не была установлена ОС) кроме того, что нам не будут доступны записанные на них файлы. Но есть другой путь — объединить эти диски в систему, задать им определенный алгоритм совместной работы, в результате которого значительно повысится надежность хранения информации или скорость их работы.
Но прежде, чем мы сможем создать эту систему, нужно знать, поддерживает ли материнская плата работу с дисковыми массивами Raid. Во многих современных материнках уже имеется встроенный Raid-контроллер, который-то и позволяет объединить жесткие диски. Поддерживаемые схемы массивов имеются в описаниях к материнской плате. Например, возьмем первую попавшуюся мне на глаза в Яндекс Маркете плату ASRock P45R2000-WiFi.
Здесь описание поддерживаемых Raid массивов отображается в разделе «Дисковые контроллеры Sata».
В данном примере мы видим, что Sata контроллер поддерживает создание массивов Raid: 0, 1, 5, 10. Что означают эти цифры? Это обозначение различных типов массивов, в которых диски взаимодействуют между собой по разным схемам, которые призваны, как я уже говорил, либо ускорять их работу, либо увеличивают надежность от потери данных.
Если же системная плата компьютера не поддерживает Raid, то можно приобрести отдельный Raid-контроллер в виде PCI платы, которая вставляется в PCI слот на материнке и дает ей возможность создавать массивы из дисков. Для работы контроллера после его установки нужно будет также установить raid драйвер, который либо идет на диске с данной моделью, либо можно просто скачать из интернета. Лучше всего на данном устройстве не экономить и купить от какого-то известного производителя, например Asus, и с чипсетами Intel.
Я подозреваю, что пока что вы еще не очень имеете представление, о чем все же идет речь, поэтому давайте внимательно разберем каждый из самых популярных типов Raid массивов, чтобы все стало более понятно.
Массив RAID 1
Массив Raid 1 — один из самых распространенных и бюджетных вариантов, который использует 2 жестких диска. Этот массив призван обеспечить максимальную защиту данных пользователя, потому что все файлы будут одновременно копироваться сразу на 2 жестких диска. Для того, чтобы его создать, берем два одинаковых по объему харда, например по 500 Гб и делаем соответствующие настройки в BIOS для создания массива. После этого в вашей системе будет виден один жесткий диск размеров не 1 Тб, а 500 Гб, хотя физически работают два жестких диска — формула расчета приведена чуть ниже. И все файлы одновременно будут писаться на два диска, то есть второй будет полной резервной копией первого. Как вы понимаете, при выходе из строя одного из дисков вы не потеряете ни частички своей информации, так как у вас будет вторая копия этого диска.
Также поломки и не заметит операционная система, которая продолжит работу со вторым диском — о неполадке вас известит лишь специальная программа, которая контролирует функционирование массива. Вам нужно лишь удалить неисправный диск и подключить такой же, только рабочий — система автоматически скопирует на него все данные с оставшегося исправного диска и продолжит работу.
Объем диска, который будет видеть система, рассчитывается здесь по формуле:
V = 1 x Vmin, где V — это общий объем, а Vmin — объем памяти самого маленького жесткого диска.
Массив RAID 0
Еще одна популярная схема, которая призвана повысить не надежность хранения, а наоборот, скорость работы. Также состоит из двух HDD, однако в этом случае ОС видим уже полный суммарный объем двух дисков, т.е. если объединить в Raid 0 диски по 500 Гб, то система увидит один диск размером 1 Тб. Скорость чтения и записи повышается за счет того, что блоки файлов пишутся поочередно на два диска — но при этом отказоустойчивость данной системы минимальная — при выходе из строя одного из дисков почти все файлы будут повреждены и вы потеряете часть данных — ту, которая была записана на сломавшийся диск. Восстанавливать информацию после этого придется уже в сервисном центре.
Формула расчета общего объема диска, видимого Windows, выглядит так:
Если вы до прочтения данной статьи по большому счету не беспокоились об отказоустойчивости вашей системы, но хотели бы повысить скорость работы, то можете купить дополнительный винчестер и смело использовать этот тип. По большому счету, в домашних условиях подавляющее количество пользователей не хранит какой-то супер-важной информации, а скопировать какие-то важные файлы можно на отдельный внешний жесткий диск.
Массив Raid 10 (0+1)
Как следует уже из самого названия, этот тип массива объединяет в себе свойства двух предыдущих — это как бы два массива Raid 0, объединенных в Raid 1. Используются четыре жестких диска, на два из них информация записывается блоками поочередно, как это было в Raid 0, а на два других — создаются полные копии двух первых. Система очень надежная и при этом достаточно скоростная, однако весьма дорогая в организации. Для создания нужно 4 HDD, при этом система будет видеть общий объем по формуле:
То есть, если возьмем 4 диска по 500 Гб, то система увидит 1 диск размером 1 Тб.
Данный тип, также как и следующий, чаще всего используется в организациях, на серверных компьютерах, где нужно обеспечить как высокую скорость работы, так и максимальную безопасность от потери информации в случае непредвиденных обстоятельств.
Массив RAID 5
Массив Raid 5 — оптимальное сочетание цены, скорости и надежности. В данном массиве минимально могут быть задействованы 3 HDD, объем рассчитывается из более сложной формулы:
V = N x Vmin — 1 x Vmin, где N — количество жестких дисков.
Итак, допустим у нас 3 диска по 500 Гб. Объем, видимый ОС, будет равен 1 Тб.
Схема работы массива выглядит следующим образом: на первые два диска (или три, в зависимости от их количества) записываются блоки разделенных файлов, а на третий (или четвертый) — контрольная сумма первых двух (или трех). Таким образом, при отказе одного из дисков, его содержимое легко восстановить за счет имеющейся на последнем диске контрольной суммы. Производительность такого массива ниже, чем у Raid 0, но такая же надежная, как Raid 1 или Raid 10 и при этом дешевле последнего, т.к. можно сэкономить на четвертом харде.
На схеме ниже представлена схема Raid 5 из четырех HDD.
Есть также другие режимы — Raid 2,3, 4, 6, 30 и т.д., но они являются по большому счету производными от перечисленных выше.
Как установить Raid массив дисков на Windows?
С теорией, надеюсь, разобрались. Теперь посмотрим на практику — вставить в слот PCI Raid контроллер и установить драйвера, думаю, опытным пользователям ПК труда не составит.
Как же теперь создать в операционной системе Windows Raid массив из подключенных жестких дисков?
Лучше всего, конечно, это делать, когда вы только-только приобрели и подключили чистенькие винчестеры без установленной ОС. Сначала перезагружаем компьютер и заходим в настройки BIOS — здесь нужно найти SATA контроллеры, к которым подключены наши жесткие диски, и выставить их в режим RAID.
После этого сохраняем настройки и перезагружаем ПК. На черном экране появится информация о том, что у вас включен режим Raid и о клавише, с помощью которой можно попасть в его настройку. В примере ниже предложено нажать клавишу «TAB».
В зависимости от модели Raid-контроллера она может быть другой. Например, «CNTRL+F»
Заходим в утилиту настройки и нажимаем в меню что-то типа «Create array» или «Create Raid» — надписи могут отличаться. Также если контроллер поддерживает несколько типов Raid, то будет предложено выбрать, какой именно нужно создать. В моем примере доступен только Raid 0.
После этого возвращаемся обратно в BIOS и в настройке порядка загрузки видим уже не несколько отдельных дисков, а один в виде массива.
Вот собственно и все — RAID настроен и теперь компьютер будет воспринимать ваши диски как один. Вот так, например, будет виден Raid при установке Windows.
Думаю, что вы уже поняли преимущества использования Raid. Напоследок приведу сравнительную таблицу замеров скорости записи и чтения диска отдельно или в составе режимов Raid — результат, как говорится, на лицо.
Перенос центра тяжести с процессоро-ориентированных на дата-ориентированные приложения обуславливает повышение значимости систем хранения данных. Вместе с этим проблема низкой пропускной способности и отказоустойчивости характерная для таких систем всегда была достаточно важной и всегда требовала своего решения.
В современной компьютерной индустрии в качестве вторичной системы хранения данных повсеместно используются магнитные диски, ибо, несмотря на все свои недостатки, они обладают наилучшими характеристиками для соответствующего типа устройств при доступной цене.
Особенности технологии построения магнитных дисков привели к значительному несоответствию между увеличением производительности процессорных модулей и самих магнитных дисков. Если в 1990 г. лучшими среди серийных были 5.25″ диски со средним временем доступа 12мс и временем задержки 5 мс (при оборотах шпинделя около 5 000 об/м 1), то сегодня пальма первенства принадлежит 3.5″ дискам со средним временем доступа 5 мс и временем задержки 1 мс (при оборотах шпинделя 10 000 об/м). Здесь мы видим улучшение технических характеристик на величину около 100%. В тоже время, быстродействие процессоров увеличилось более чем на 2 000%. Во многом это стало возможно благодаря тому, что процессоры имеют прямые преимущества использования VLSI (сверхбольшой интеграции). Ее использование не только дает возможность увеличивать частоту, но и число компонент, которые могут быть интегрированы в чип, что дает возможность внедрять архитектурные преимущества, которые позволяют осуществлять параллельные вычисления.
1 - Усредненные данные.
Сложившуюся ситуацию можно охарактеризовать как кризис ввода-вывода вторичной системы хранения данных.
Увеличиваем быстродействие
Невозможность значительного увеличения технологических параметров магнитных дисков влечет за собой необходимость поиска других путей, одним из которых является параллельная обработка.
Если расположить блок данных по N дискам некоторого массива и организовать это размещение так, чтобы существовала возможность одновременного считывания информации, то этот блок можно будет считать в N раз быстрее, (без учёта времени формирования блока). Поскольку все данные передаются параллельно, это архитектурное решение называется parallel-access array (массив с параллельным доступом).
Массивы с параллельным доступом обычно используются для приложений, требующих передачи данных большого размера.
Некоторые задачи, наоборот, характерны большим количеством малых запросов. К таким задачам относятся, например, задачи обработки баз данных. Располагая записи базы данных по дискам массива, можно распределить загрузку, независимо позиционируя диски. Такую архитектуру принято называть independent-access array (массив с независимым доступом).
Увеличиваем отказоустойчивость
К сожалению, при увеличении количества дисков в массиве, надежность всего массива уменьшается. При независимых отказах и экспоненциальном законе распределения наработки на отказ, MTTF всего массива (mean time to failure - среднее время безотказной работы) вычисляется по формуле MTTF array = MMTF hdd /N hdd (MMTF hdd - среднее время безотказной работы одного диска; NHDD - количество дисков).
Таким образом, возникает необходимость повышения отказоустойчивости дисковых массивов. Для повышения отказоустойчивости массивов используют избыточное кодирование. Существует два основных типа кодирования, которые применяются в избыточных дисковых массивах - это дублирование и четность.
Дублирование, или зеркализация - наиболее часто используются в дисковых массивах. Простые зеркальные системы используют две копии данных, каждая копия размещается на отдельных дисках. Это схема достаточно проста и не требует дополнительных аппаратных затрат, но имеет один существенный недостаток - она использует 50% дискового пространства для хранения копии информации.
Второй способ реализации избыточных дисковых массивов - использование избыточного кодирования с помощью вычисления четности. Четность вычисляется как операция XOR всех символов в слове данных. Использование четности в избыточных дисковых массивах уменьшает накладные расходы до величины, исчисляемой формулой: НР hdd =1/N hdd (НР hdd - накладные расходы; N hdd - количество дисков в массиве).
История и развитие RAID
Несмотря на то, что системы хранения данных, основанные на магнитных дисках, производятся уже 40 лет, массовое производство отказоустойчивых систем началось совсем недавно. Дисковые массивы с избыточностью данных, которые принято называть RAID (redundant arrays of inexpensive disks - избыточный массив недорогих дисков) были представлены исследователями (Петтерсон, Гибсон и Катц) из Калифорнийского университета в Беркли в 1987 году. Но широкое распространение RAID системы получили только тогда, когда диски, которые подходят для использования в избыточных массивах стали доступны и достаточно производительны. Со времени представления официального доклада о RAID в 1988 году, исследования в сфере избыточных дисковых массивов начали бурно развиваться, в попытке обеспечить широкий спектр решений в сфере компромисса - цена-производительность-надежность.
С аббревиатурой RAID в свое время случился казус. Дело в том, что недорогими дисками во время написания статьи назывались все диски, которые использовались в ПК, в противовес дорогим дискам для мейнфрейм (универсальная ЭВМ). Но для использования в массивах RAID пришлось использовать достаточно дорогостоящую аппаратуру по сравнению с другой комплектовкой ПК, поэтому RAID начали расшифровывать как redundant array of independent disks 2 - избыточный массив независимых дисков.
2 - Определение RAID Advisory Board
RAID 0 был представлен индустрией как определение не отказоустойчивого дискового массива. В Беркли RAID 1 был определен как зеркальный дисковый массив. RAID 2 зарезервирован для массивов, которые применяют код Хемминга. Уровни RAID 3, 4, 5 используют четность для защиты данных от одиночных неисправностей. Именно эти уровни, включительно по 5-й были представлены в Беркли, и эта систематика RAID была принята как стандарт де-факто.
Уровни RAID 3,4,5 достаточно популярны, имеют хороший коэффициент использования дискового пространства, но у них есть один существенный недостаток - они устойчивы только к одиночным неисправностям. Особенно это актуально при использовании большого количества дисков, когда вероятность одновременного простоя более чем одного устройства увеличивается. Кроме того, для них характерно длительное восстановление, что также накладывает некоторые ограничения для их использования.
На сегодняшний день разработано достаточно большое количество архитектур, которые обеспечивают работоспособность массива при одновременном отказе любых двух дисков без потери данных. Среди всего множества стоит отметить two-dimensional parity (двухпространственная четность) и EVENODD, которые для кодирования используют четность, и RAID 6, в котором используется кодирование Reed-Solomon.
В схеме использующей двухпространственную четность, каждый блок данных участвует в построении двух независимых кодовых слов. Таким образом, если из строя выходит второй диск в том же кодовом слове, для реконструкции данных используется другое кодовое слово.
Минимальная избыточность в таком массиве достигается при равном количестве столбцов и строчек. И равна: 2 x Square (N Disk) (в «квадрат»).
Если же двухпространственный массив не будет организован в «квадрат», то при реализации вышеуказанной схемы избыточность будет выше.
Архитектура EVENODD имеет похожую на двухпространственную четность схему отказоустойчивости, но другое размещение информационных блоков, которое гарантирует минимальное избыточное использование емкостей. Так же как и в двухпространственной четности каждый блок данных участвует в построении двух независимый кодовых слов, но слова размещены таким образом, что коэффициент избыточности постоянен (в отличие от предыдущей схемы) и равен: 2 x Square (N Disk).
Используя два символа для проверки, четность и недвоичные коды, слово данных может быть сконструировано таким образом, чтобы обеспечить отказоустойчивость при возникновении двойной неисправности. Такая схема известна как RAID 6. Недвоичный код, построенный на основе Reed-Solomon кодирования, обычно вычисляется с использованием таблиц или как итерационный процесс с использованием линейных регистров с обратной связью, а это - относительно сложная операция, требующая специализированных аппаратных средств.
Учитывая то, что применение классических вариантов RAID, реализующих для многих приложений достаточную отказоустойчивость, имеет часто недопустимо низкое быстродействие, исследователи время от времени реализуют различные ходы, которые помогают увеличить быстродействие RAID систем.
В 1996 г. Саведж и Вилкс предложили AFRAID - часто избыточный массив независимых дисков (A Frequently Redundant Array of Independent Disks). Эта архитектура в некоторой степени приносит отказоустойчивость в жертву быстродействию. Делая попытку компенсировать проблему малой записи (small-write problem), характерную для массивов RAID 5-го уровня, разрешается оставлять стрипинг без вычисления четности на некоторый период времени. Если диск, предназначенный для записи четности, занят, то ее запись откладывается. Теоретически доказано, что 25% уменьшение отказоустойчивости может увеличить быстродействие на 97%. AFRAID фактически изменяет модель отказов массивов устойчивых к одиночным неисправностям, поскольку кодовое слово, которое не имеет обновленной четности, восприимчиво к отказам дисков.
Вместо того чтобы приносить в жертву отказоустойчивость, можно использовать такие традиционные способы увеличения быстродействия, как кэширование. Учитывая то, что дисковый трафик имеет пульсирующий характер, можно использовать кеш память с обратной записью (writeback cache) для хранения данных в момент, когда диски заняты. И если кеш-память будет выполнена в виде энергонезависимой памяти, тогда, в случае исчезновения питания, данные будут сохранены. Кроме того, отложенные дисковые операции, дают возможность объединить в произвольном порядке малые блоки для выполнения более эффективных дисковых операций.
Существует также множество архитектур, которые, принося в жертву объем, увеличивают быстродействие. Среди них - отложенная модификация на log диск и разнообразные схемы модификации логического размещение данных в физическое, которые позволяют распределять операции в массиве более эффективно.
Один из вариантов - parity logging (регистрация четности), который предполагает решение проблемы малой записи (small-write problem) и более эффективного использования дисков. Регистрация четности предполагает отложение изменения четности в RAID 5, записывая ее в FIFO log (журнал регистраций типа FIFO), который размещен частично в памяти контроллера и частично на диске. Учитывая то, что доступ к полному треку в среднем в 10 раз более эффективен, чем доступ к сектору, с помощью регистрации четности собираются большие количества данных модифицированной четности, которые потом все вместе записываются на диск, предназначенный для хранения четности по всему треку.
Архитектура floating data and parity (плавающие данные и четность), которая разрешает перераспределить физическое размещение дисковых блоков. Свободные сектора размещаются на каждом цилиндре для уменьшения rotational latency (задержки вращения), данные и четность размещаются на этих свободных местах. Для того, чтобы обеспечить работоспособность при исчезновении питания, карту четности и данных нужно сохранять в энергонезависимой памяти. Если потерять карту размещения все данные в массиве будут потеряны.
Virtual stripping - представляет собой архитектуру floating data and parity с использованием writeback cache. Естественно реализуя положительные стороны обеих.
Кроме того, существуют и другие способы повышения быстродействия, например распределение RAID операций. В свое время фирма Seagate встроила поддержку RAID операций в свои диски с интерфейсом Fibre Chanel и SCSI. Что дало возможность уменьшить трафик между центральным контроллером и дисками в массиве для систем RAID 5. Это было кардинальным новшеством в сфере реализаций RAID, но технология не получила путевки в жизнь, так как некоторые особенности Fibre Chanel и SCSI стандартов ослабляют модель отказов для дисковых массивов.
Для того же RAID 5 была представлена архитектура TickerTAIP. Выглядит она следующим образом - центральный механизм управления originator node (узел-инициатор) получает запросы пользователя, выбирает алгоритм обработки и затем передает работу с диском и четность worker node (рабочий узел). Каждый рабочий узел обрабатывает некоторое подмножество дисков в массиве. Как и в модели фирмы Seagate, рабочие узлы передают данные между собой без участия узла-инициатора. В случае отказа рабочего узла, диски, которые он обслуживал, становятся недоступными. Но если кодовое слово построено так, что каждый его символ обрабатывается отдельным рабочим узлом, то схема отказоустойчивости повторяет RAID 5. Для предупреждения отказов узла-инициатора он дублируется, таким образом, мы получаем архитектуру, устойчивую к отказам любого ее узла. При всех своих положительных чертах эта архитектура страдает от проблемы «ошибки записи» («;write hole»). Что подразумевает возникновение ошибки при одновременном изменении кодового слова несколькими пользователями и отказа узла.
Следует также упомянуть достаточно популярный способ быстрого восстановления RAID - использование свободного диска (spare). При отказе одного из дисков массива, RAID может быть восстановлен с использованием свободного диска вместо вышедшего из строя. Основной особенностью такой реализации есть то, что система переходит в свое предыдущее (отказоустойчивое состояние без внешнего вмешательства). При использовании архитектуры распределения свободного диска (distributed sparing), логические блоки spare диска распределяются физически по всем дискам массива, снимая необходимость перестройки массива при отказе диска.
Для того чтобы избежать проблемы восстановления, характерной для классических уровней RAID, используется также архитектура, которая носит название parity declustering (распределение четности). Она предполагает размещение меньшего количества логических дисков с большим объемом на физические диски меньшего объема, но большего количества. При использовании этой технологии время реакции системы на запрос во время реконструкции улучшается более чем вдвое, а время реконструкции - значительно уменьшается.
Архитектура основных уровней RAID
Теперь давайте рассмотрим архитектуру основных уровней (basic levels) RAID более детально. Перед рассмотрением примем некоторые допущения. Для демонстрации принципов построения RAID систем рассмотрим набор из N дисков (для упрощения N будем считать четным числом), каждый из которых состоит из M блоков.
Данные будем обозначать - D m,n , где m - число блоков данных, n - число подблоков, на которые разбивается блок данных D.
Диски могут подключаться как к одному, так и к нескольким каналам передачи данных. Использование большего количества каналов увеличивает пропускную способность системы.
RAID 0. Дисковый массив без отказоустойчивости (Striped Disk Array without Fault Tolerance)
Представляет собой дисковый массив, в котором данные разбиваются на блоки, и каждый блок записываются (или же считывается) на отдельный диск. Таким образом, можно осуществлять несколько операций ввода-вывода одновременно.
Преимущества :
- наивысшая производительность для приложений требующих интенсивной обработки запросов ввода/вывода и данных большого объема;
- простота реализации;
- низкая стоимость на единицу объема.
Недостатки :
- не отказоустойчивое решение;
- отказ одного диска влечет за собой потерю всех данных массива.
RAID 1. Дисковый массив с дублированием или зеркалка (mirroring)
Зеркалирование - традиционный способ для повышения надежности дискового массива небольшого объема. В простейшем варианте используется два диска, на которые записывается одинаковая информация, и в случае отказа одного из них остается его дубль, который продолжает работать в прежнем режиме.
Преимущества :
- простота реализации;
- простота восстановления массива в случае отказа (копирование);
- достаточно высокое быстродействие для приложений с большой интенсивностью запросов.
Недостатки :
- высокая стоимость на единицу объема - 100% избыточность;
- невысокая скорость передачи данных.
RAID 2. Отказоустойчивый дисковый массив с использованием кода Хемминга (Hamming Code ECC).
Избыточное кодирование, которое используется в RAID 2, носит название кода Хемминга. Код Хемминга позволяет исправлять одиночные и обнаруживать двойные неисправности. Сегодня активно используется в технологии кодирования данных в оперативной памяти типа ECC. И кодировании данных на магнитных дисках.
В данном случае показан пример с фиксированным количеством дисков в связи с громоздкостью описания (слово данных состоит из 4 бит, соответственно ECC код из 3-х).
Преимущества :
- быстрая коррекция ошибок («на лету»);
- очень высокая скорость передачи данных больших объемов;
- при увеличении количества дисков, накладные расходы уменьшаются;
- достаточно простая реализация.
Недостатки :
- высокая стоимость при малом количестве дисков;
- низкая скорость обработки запросов (не подходит для систем ориентированных на обработку транзакций).
RAID 3. Отказоустойчивый массив с параллельной передачей данных и четностью (Parallel Transfer Disks with Parity)
Данные разбиваются на подблоки на уровне байт и записываются одновременно на все диски массива кроме одного, который используется для четности. Использование RAID 3 решает проблему большой избыточности в RAID 2. Большинство контрольных дисков, используемых в RAID уровня 2, нужны для определения положения неисправного разряда. Но в этом нет нужды, так как большинство контроллеров в состоянии определить, когда диск отказал при помощи специальных сигналов, или дополнительного кодирования информации, записанной на диск и используемой для исправления случайных сбоев.
Преимущества :
- очень высокая скорость передачи данных;
- отказ диска мало влияет на скорость работы массива;
Недостатки :
- непростая реализация;
- низкая производительность при большой интенсивности запросов данных небольшого объема.
RAID 4. Отказоустойчивый массив независимых дисков с разделяемым диском четности (Independent Data disks with shared Parity disk)
Данные разбиваются на блочном уровне. Каждый блок данных записывается на отдельный диск и может быть прочитан отдельно. Четность для группы блоков генерируется при записи и проверяется при чтении. RAID уровня 4 повышает производительность передачи небольших объемов данных за счет параллелизма, давая возможность выполнять более одного обращения по вводу/выводу одновременно. Главное отличие между RAID 3 и 4 состоит в том, что в последнем, расслоение данных выполняется на уровне секторов, а не на уровне битов или байтов.
Преимущества :
- очень высокая скорость чтения данных больших объемов;
- высокая производительность при большой интенсивности запросов чтения данных;
- малые накладные расходы для реализации избыточности.
Недостатки :
- очень низкая производительность при записи данных;
- низкая скорость чтения данных малого объема при единичных запросах;
- асимметричность быстродействия относительно чтения и записи.
RAID 5. Отказоустойчивый массив независимых дисков с распределенной четностью (Independent Data disks with distributed parity blocks)
Этот уровень похож на RAID 4, но в отличие от предыдущего четность распределяется циклически по всем дискам массива. Это изменение позволяет увеличить производительность записи небольших объемов данных в многозадачных системах. Если операции записи спланировать должным образом, то, возможно, параллельно обрабатывать до N/2 блоков, где N - число дисков в группе.
Преимущества :
- высокая скорость записи данных;
- достаточно высокая скорость чтения данных;
- высокая производительность при большой интенсивности запросов чтения/записи данных;
- малые накладные расходы для реализации избыточности.
Недостатки :
- скорость чтения данных ниже, чем в RAID 4;
- низкая скорость чтения/записи данных малого объема при единичных запросах;
- достаточно сложная реализация;
- сложное восстановление данных.
RAID 6. Отказоустойчивый массив независимых дисков с двумя независимыми распределенными схемами четности (Independent Data disks with two independent distributed parity schemes)
Данные разбиваются на блочном уровне, аналогично RAID 5, но в дополнение к предыдущей архитектуре используется вторая схема для повышения отказоустойчивости. Эта архитектура является устойчивой к двойным отказам. Однако при выполнении логической записи реально происходит шесть обращений к диску, что сильно увеличивает время обработки одного запроса.
Преимущества :
- высокая отказоустойчивость;
- достаточно высокая скорость обработки запросов;
- относительно малые накладные расходы для реализации избыточности.
Недостатки :
- очень сложная реализация;
- сложное восстановление данных;
- очень низкая скорость записи данных.
Современные RAID контроллеры позволяют комбинировать различные уровни RAID. Таким образом, можно реализовать системы, которые объединяют в себе достоинства различных уровней, а также системы с большим количеством дисков. Обычно это комбинация нулевого уровня (stripping) и какого либо отказоустойчивого уровня.
RAID 10. Отказоустойчивый массив с дублированием и параллельной обработкой
Эта архитектура являет собой массив типа RAID 0, сегментами которого являются массивы RAID 1. Он объединяет в себе очень высокую отказоустойчивость и производительность.
Преимущества :
- высокая отказоустойчивость;
- высокая производительность.
Недостатки :
- очень высокая стоимость;
- ограниченное масштабирование.
RAID 30. Отказоустойчивый массив с параллельной передачей данных и повышенной производительностью.
Представляет собой массив типа RAID 0, сегментами которого являются массивы RAID 3. Он объединяет в себе отказоустойчивость и высокую производительность. Обычно используется для приложений требующих последовательной передачи данных больших объемов.
Преимущества :
- высокая отказоустойчивость;
- высокая производительность.
Недостатки :
- высокая стоимость;
- ограниченное масштабирование.
RAID 50. Отказоустойчивый массив с распределенной четностью и повышенной производительностью
Являет собой массив типа RAID 0, сегментами которого являются массивы RAID 5. Он объединяет в себе отказоустойчивость и высокую производительность для приложений с большой интенсивностью запросов и высокую скорость передачи данных.
Преимущества :
- высокая отказоустойчивость;
- высокая скорость передачи данных;
- высокая скорость обработки запросов.
Недостатки :
- высокая стоимость;
- ограниченное масштабирование.
RAID 7. Отказоустойчивый массив, оптимизированный для повышения производительности. (Optimized Asynchrony for High I/O Rates as well as High Data Transfer Rates). RAID 7® является зарегистрированной торговой маркой Storage Computer Corporation (SCC)
Для понимания архитектуры RAID 7 рассмотрим ее особенности:
- Все запросы на передачу данных обрабатываются асинхронно и независимо.
- Все операции чтения/записи кэшируются через высокоскоростную шину x-bus.
- Диск четности может быть размещен на любом канале.
- В микропроцессоре контроллера массива используется операционная система реального времени ориентированная на обработку процессов.
- Система имеет хорошую масштабируемость: до 12 host-интерфейсов и до 48 дисков.
- Операционная система контролирует коммуникационные каналы.
- Используются стандартные SCSI диски, шины, материнские платы и модули памяти.
- Используется высокоскоростная шина X-bus для работы с внутренней кеш памятью.
- Процедура генерации четности интегрирована в кеш.
- Диски, присоединенные к системе, могут быть задекларированы как отдельно стоящие.
- Для управления и мониторинга системы можно использовать SNMP агент.
Преимущества :
- высокая скорость передачи данных и высокая скорость обработки запросов (1.5 - 6 раз выше других стандартных уровней RAID);
- высокая масштабируемость хост интерфейсов;
- скорость записи данных увеличивается с увеличением количества дисков в массиве;
- для вычисления четности нет необходимости в дополнительной передаче данных.
Недостатки :
- собственность одного производителя;
- очень высокая стоимость на единицу объема;
- короткий гарантийный срок;
- не может обслуживаться пользователем;
- нужно использовать блок бесперебойного питания для предотвращения потери данных из кеш памяти.
Рассмотрим теперь стандартные уровни вместе для сравнения их характеристик. Сравнение производится в рамках архитектур, упомянутых в таблице.
| RAID | Минимум дисков | Потребность в дисках | Отказо- устойчивость | Скорость передачи данных | Интенсивность обработки запросов | Практическое использование |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 2 | N | очень высокая до N х 1 диск | Графика, видео | ||
| 1 | 2 | 2N * | R > 1 диск W = 1 диск | до 2 х 1 диск W = 1 диск | малые файл-серверы | |
| 2 | 7 | 2N | ~ RAID 3 | Низкая | мейнфреймы | |
| 3 | 3 | N+1 | Низкая | Графика, видео | ||
| 4 | 3 | N+1 | R W | R = RAID 0 W | файл-серверы | |
| 5 | 3 | N+1 | R W | R = RAID 0 W | серверы баз данных | |
| 6 | 4 | N+2 | самая высокая | низкая | R > 1 диск W | используется крайне редко |
| 7 | 12 | N+1 | самая высокая | самая высокая | разные типы приложений |
Уточнения :
- * - рассматривается обычно используемый вариант;
- k - количество подсегментов;
- R - чтение;
- W - запись.
Некоторые аспекты реализации RAID систем
Рассмотрим три основных варианта реализации RAID систем:
- программная (software-based);
- аппаратная - шинно-ориентированная (bus-based);
- аппаратная - автономная подсистема (subsystem-based).
Нельзя однозначно сказать, что какая-либо реализация лучше, чем другая. Каждый вариант организации массива удовлетворяет тем или иным потребностям пользователя в зависимости от финансовых возможностей, количества пользователей и используемых приложений.
Каждая из вышеперечисленных реализаций базируется на исполнении программного кода. Отличаются они фактически тем, где этот код исполняется: в центральном процессоре компьютера (программная реализация) или в специализированном процессоре на RAID контроллере (аппаратная реализация).
Главное преимущество программной реализации - низкая стоимость. Но при этом у нее много недостатков: низкая производительность, загрузка дополнительной работой центрального процессора, увеличение шинного трафика. Программно обычно реализуют простые уровни RAID - 0 и 1, так как они не требуют значительных вычислений. Учитывая эти особенности, RAID системы с программной реализацией используются в серверах начального уровня.
Аппаратные реализации RAID соответственно стоят больше чем программные, так как используют дополнительную аппаратуру для выполнения операций ввода вывода. При этом они разгружают или освобождают центральный процессор и системную шину и соответственно позволяют увеличить быстродействие.
Шинно-ориентированные реализации представляют собой RAID контроллеры, которые используют скоростную шину компьютера, в который они устанавливаются (в последнее время обычно используется шина PCI). В свою очередь шинно-ориентированные реализации можно разделить на низкоуровневые и высокоуровневые. Первые обычно не имеют SCSI чипов и используют так называемый RAID порт на материнской плате со встроенным SCSI контроллером. При этом функции обработки кода RAID и операций ввода/вывода распределяются между процессором на RAID контроллере и чипами SCSI на материнской плате. Таким образом, центральный процессор освобождается от обработки дополнительного кода и уменьшается шинный трафик по сравнению с программным вариантом. Стоимость таких плат обычно небольшая, особенно если они ориентированы на системы RAID - 0 или 1 (есть также реализации RAID 3, 5, 10, 30, 50, но они дороже), благодаря чему они понемногу вытесняют программные реализации с рынка серверов начального уровня. Высокоуровневые контроллеры с шинной реализацией имеют несколько другую структуру, чем их младшие братья. Они берут на себя все функции, связанные с вводом/выводом и исполнением RAID кода. Кроме того, они не так зависимы от реализации материнской платы и, как правило, имеют больше возможностей (например, возможность подключения модуля для хранения информации в кеш в случае отказа материнской платы или исчезновения питания). Такие контроллеры обычно стоят дороже низкоуровневых и используются в серверах среднего и высокого уровня. Они, как правило, реализуют RAID уровней 0,1, 3, 5, 10, 30, 50. Учитывая то, что шинно-ориентированные реализации подключаются прямо к внутренней PCI шине компьютера, они являются наиболее производительными среди рассматриваемых систем (при организации одно-хостовых систем). Максимальное быстродействие таких систем может достигать 132 Мбайт/с (32bit PCI) или же 264 Мбайт/с (64bit PCI) при частоте шины 33MHz.
Вместе с перечисленными преимуществами шинно-ориентированная архитектура имеет следующие недостатки:
- зависимость от операционной системы и платформы;
- ограниченная масштабируемость;
- ограниченные возможности по организации отказоустойчивых систем.
Всех этих недостатков можно избежать, используя автономные подсистемы. Эти системы имеют полностью автономную внешнюю организацию и в принципе являют собой отдельный компьютер, который используется для организации систем хранения информации. Кроме того, в случае удачного развития технологии оптоволоконных каналов быстродействие автономных систем ни в чем не будет уступать шинно-ориентированным системам.
Обычно внешний контроллер ставится в отдельную стойку и в отличие от систем с шинной организацией может иметь большое количество каналов ввода/вывода, в том числе и хост-каналов, что дает возможность подключать к системе несколько хост-компьютеров и организовывать кластерные системы. В системах с автономным контроллером можно реализовать горячее резервирование контроллеров.
Одним из недостатков автономных систем остается их большая стоимость.
Учитывая вышесказанное, отметим, что автономные контроллеры обычно используются для реализации высокоемких хранилищ данных и кластерных систем.
