Массивы RAID были разработаны в целях повышения надежности хранения данных, увеличения скорости работы с и для обеспечения возможности объединения нескольких дисков в один большой . Разные типы RAID решают разные задачи, здесь мы рассмотрим несколько наиболее распространенных конфигураций RAID массивов из одинаковых по размеру .



RAID 0

  • RAID 0 (Stripe). Режим, при использовании которого достигается максимальная производительность. Данные равномерно распределяются по дискам массива, объединяются в один, который может быть размечен на несколько. Распределенные операции чтения и записи позволяют значительно увеличить скорость работы, поскольку несколько одновременно читают/записывают свою порцию данных. Пользователю доступен весь объем , но это снижает надежность хранения данных, поскольку при отказе одного из дисков массив обычно разрушается и восстановить данные практически невозможно. Область применения - приложения, требующие высоких скоростей обмена с диском, например видеозахват, видеомонтаж. Рекомендуется использовать с высоконадежными дисками.

    RAID 1
  • RAID 1 (Mirror). Несколько дисков (обычно 2), работающие синхронно на запись, то есть полностью дублирующие друг друга. Повышение производительности происходит только при чтении. Самый надежный способ защитить информацию от сбоя одного из дисков. Из-за высокой стоимости обычно используется при хранении очень важных данных. Высокая стоимость обусловлена тем, что лишь половина от общей емкости доступна для пользователя.

    RAID 10
  • RAID 10 , также иногда называется RAID 1+0 - комбинация двух первых вариантов. (Массив RAID0 из массивов RAID1). Имеет все скоростные преимущества RAID0 и преимущество надежности RAID1, сохраняя недостаток - высокую стоимость дискового массива, так как эффективная ёмкость массива равна половине ёмкости использованных в нём дисков. Для создания такого массива требуется минимум 4 диска. (При этом их число должно быть чётным).
  • RAID 0+1 - Массив RAID1 из массивов RAID0. Фактически не применяется из-за отсутствия преимуществ по сравнению с RAID10 и меньшей отказоустойчивости.

    RAID 1E
  • RAID 1E - Похожий на RAID10 вариант распределения данных по дискам, допускающий использование нечётного числа (минимальное количество - 3)
  • RAID 2, 3, 4 - различные варианты распределенного хранения данных с дисками, выделенными под коды четности и различными размерами блока. В настоящее время практически не используются из-за невысокой производительности и необходимости выделять много дисковой емкости под хранение кодов ЕСС и/или четности.


    RAID 5
  • RAID 5 - массив, также использующий распределенное хранение данных аналогично RAID 0 (и объединение в один большой логический ) + распределенное хранение кодов четности для восстановления данных при сбоях. Относительно предыдущих конфигураций размер Stripe-блока еще больше увеличен. Возможно как одновременное чтение, так и запись. Плюсом этого варианта является то, что доступная для пользователя емкость массива уменьшается на емкость лишь одного диска, хотя надежность хранения данных ниже, чем у RAID 1. По сути, является компромиссом между RAID0 и RAID1, обеспечивая достаточно высокую скорость работы при неплохой надежности хранения данных. При отказе одного диска из массива данные могут быть восстановлены без потерь в автоматическом режиме. Минимальное количество дисков для такого массива - 3.
    "Программные" реализации RAID5, встроенные в южные мосты материнских плат, не отличаются высокой скоростью записи, поэтому годятся далеко не для всех применений.


    RAID 5EE
  • RAID 5EE - массив, аналогичный RAID5, однако кроме распределенного хранения кодов четности используется распределение резервных областей - фактически задействуется , который можно добавить в массив RAID5 в качестве запасного (такие массивы называют 5+ или 5+spare). В RAID 5 массиве резервный диск простаивает до тех пор, пока не выйдет из строя один из основных , в то время как в RAID 5EE массиве этот диск используется совместно с остальными HDD все время, что положительно сказывается на производительность массива. К примеру, массив RAID5EE из 5 HDD сможет выполнить на 25% больше операций ввода/вывода за секунду, чем RAID5 массив из 4 основных и одного резервного HDD. Минимальное количество дисков для такого массива - 4.


    RAID 6
  • RAID 6 - аналог RAID5 c большим уровнем избыточности - информация не теряется при отказе двух любых дисков, соответственно, общая ёмкость массива уменьшается на ёмкость двух дисков. Минимальное количество дисков, необходимое для создания массива такого уровня - 4. Скорость работы в общем случае примерно аналогична RAID5. Рекомендуется для применений, где важна максимально высокая надёжность.


    RAID 50
  • RAID 50 - объединение двух(или более, но это крайне редко применяется) массивов RAID5 в страйп, т.е. комбинация RAID5 и RAID0, частично исправляющая главный недостаток RAID5 - низкую скорость записи данных за счёт параллельного использования нескольких таких массивов. Общая ёмкость массива уменьшается на ёмкость двух , но, в отличие от RAID6, без потери данных такой массив переносит отказ лишь одного диска, а минимально необходимое число дисков для создания массива RAID50 равно 6. Наряду с RAID10, это наиболее рекомендуемый уровень RAID для использования в приложениях, где требуется высокая производительность в сочетании с приемлемой надёжностью.


    RAID 60
  • RAID 60 - объединение двух массивов RAID6 в страйп. Скорость записи повышается примерно в два раза, относительно скорости записи в RAID6. Минимальное количество дисков для создания такого массива - 8. Информация не теряется при отказе двух дисков из каждого RAID 6 массива.
  • Matrix RAID - технология, реализованная фирмой Intel в своих южных мостах, начиная с ICH6R, позволяющая организовать всего на двух дисках несколько массивов RAID0 и RAID1, одновременно создавая разделы как с повышенной скоростью работы, так и с повышенной надёжностью хранения данных.
  • JBOD (От английского "Just a Bunch Of Disks")- последовательное объединение нескольких физических в один логический, не влияющее на производительность (надёжность при этом падает аналогично RAID0), при этом могут иметь разные размеры. В настоящее время практически не применяется.

    • Проблема повышения надежности хранения информации и одновременного увеличения производительности системы хранения данных занимает умы разработчиков компьютерной периферии уже давно. Относительно повышения надежности хранения все понятно: информация - это товар, и нередко очень ценный. Для защиты от потери данных придумано немало способов, наиболее известный и надежный из которых - это резервное копирование информации.

    Вопрос повышения производительности дисковой подсистемы весьма сложен. Рост вычислительных мощностей современных процессоров привел к тому, что наблюдается явный дисбаланс между возможностями жестких дисков и потребностями процессоров. При этом не спасают ни дорогие SCSI-диски, ни уж тем более IDE-диски. Однако если не хватает возможностей одного диска, то, может быть, отчасти решить данную проблему позволит наличие нескольких дисков? Конечно, само по себе наличие двух или более жестких дисков на компьютере или на сервере дела не меняет - нужно заставить эти диски работать совместно (параллельно) друг с другом так, чтобы это позволило повысить производительность дисковой подсистемы на операциях записи/чтения. Кроме того, нельзя ли, используя несколько жестких дисков, добиться повышения не только производительности, но и надежности хранения данных, чтобы выход из строя одного из дисков не приводил к потере информации? Именно такой подход был предложен еще в 1987 году американскими исследователями Паттерсоном, Гибсоном и Катцом из Калифорнийского университета Беркли. В своей статье «A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Discs, RAID» («избыточный массив недорогих дисков») они описали, каким образом можно объединить несколько дешевых жестких дисков в одно логическое устройство так, чтобы в результате повышались емкость и быстродействие системы, а отказ отдельных дисков не приводил к отказу всей системы.

    С момента выхода статьи прошло уже 15 лет, но технология построения RAID-массивов не утратила актуальности и сегодня. Единственное, что изменилось с тех пор, - это расшифровка аббревиатуры RAID. Дело в том, что первоначально RAID-массивы строились вовсе не на дешевых дисках, поэтому слово Inexpensive (недорогие) поменяли на Independent (независимые), что больше соответствовало действительности.

    Более того, именно сейчас технология RAID получила широкое распространение. Так, если еще несколько лет назад RAID-массивы использовались в дорогостоящих серверах масштаба предприятия с применением SCSI-дисков, то сегодня они стали своеобразным стандартом де-факто даже для серверов начального уровня. Кроме того, постепенно расширяется и рынок IDE RAID-контроллеров, то есть актуальность приобретает задача построения RAID-массивов на рабочих станциях с использованием дешевых IDE-дисков. Так, некоторые производители материнских плат (Abit, Gigabyte) уже начали интегрировать IDE RAID-контроллеры на сами платы.

    Итак, RAID - это избыточный массив независимых дисков (Redundant Arrays of Independent Discs), на который возлагается задача обеспечения отказоустойчивости и повышения производительности. Отказоустойчивость достигается за счет избыточности. То есть часть емкости дискового пространства отводится для служебных целей, становясь недоступной для пользователя.

    Повышение производительности дисковой подсистемы обеспечивается одновременной работой нескольких дисков, и в этом смысле чем больше дисков в массиве (до определенного предела), тем лучше.

    Совместную работу дисков в массиве можно организовать с использованием либо параллельного, либо независимого доступа.

    При параллельном доступе дисковое пространство разбивается на блоки (полоски) для записи данных. Аналогично информация, подлежащая записи на диск, разбивается на такие же блоки. При записи отдельные блоки записываются на различные диски (рис. 1), причем запись нескольких блоков на различные диски происходит одновременно, что и приводит к увеличению производительности в операциях записи. Нужная информация также считывается отдельными блоками одновременно с нескольких дисков (рис. 2), что также способствует росту производительности пропорционально количеству дисков в массиве.

    Следует отметить, что модель с параллельным доступом реализуется только при условии, что размер запроса на запись данных больше размера самого блока. В противном случае реализовать параллельную запись нескольких блоков просто невозможно. Представим ситуацию, когда размер отдельного блока составляет 8 Кбайт, а размер запроса на запись данных - 64 Кбайт. В этом случае исходная информация нарезается на восемь блоков по 8 Кбайт каждый. Если имеется массив из четырех дисков, то одновременно можно записать четыре блока, или 32 Кбайт, за один раз. Очевидно, что в рассмотренном примере скорость записи и скорость считывания окажется в четыре раза выше, чем при использовании одного диска. Однако такая ситуация является идеальной, поскольку далеко не всегда размер запроса кратен размеру блока и количеству дисков в массиве.

    Если же размер записываемых данных меньше размера блока, то реализуется принципиально иная модель доступа - независимый доступ. Более того, эта модель может быть реализована и в том случае, когда размер записываемых данных больше размера одного блока. При независимом доступе все данные отдельного запроса записываются на отдельный диск, то есть ситуация идентична работе с одним диском. Преимущество модели с параллельным доступом в том, что при одновременном поступлении нескольких запросов на запись (чтение) все они будут выполняться независимо, на отдельных дисках (рис. 3). Подобная ситуация типична, например, в серверах.

    В соответствии с различными типами доступа существуют и различные типы RAID-массивов, которые принято характеризовать уровнями RAID. Кроме типа доступа, уровни RAID различаются способом размещения и формирования избыточной информации. Избыточная информация может либо размещаться на специально выделенном диске, либо перемешиваться между всеми дисками. Способов формирования этой информации несколько больше. Простейший из них - это полное дублирование (100-процентная избыточность), или зеркалирование. Кроме того, используются коды с коррекцией ошибок, а также вычисление четности.

    Уровни RAID

    В настоящее время существует несколько стандартизированных RAID-уровней: от RAID 0 до RAID 5. К тому же используются комбинации этих уровней, а также фирменные уровни (например, RAID 6, RAID 7). Наиболее распространенными являются уровни 0, 1, 3 и 5.

    RAID 0

    RAID уровня 0, строго говоря, не является избыточным массивом и соответственно не обеспечивает надежности хранения данных. Тем не менее данный уровень находит широкое применение в случаях, когда необходимо обеспечить высокую производительность дисковой подсистемы. Особенно популярен этот уровень в рабочих станциях. При создании RAID-массива уровня 0 информация разбивается на блоки, которые записываются на отдельные диски (рис. 4), то есть создается система с параллельным доступом (если, конечно, размер блока это позволяет). Благодаря возможности одновременного ввода-вывода с нескольких дисков RAID 0 обеспечивает максимальную скорость передачи данных и максимальную эффективность использования дискового пространства, поскольку не требуется места для хранения контрольных сумм. Реализация этого уровня очень проста. В основном RAID 0 применяется в тех областях, где требуется быстрая передача большого объема данных.

    RAID 1 (Mirrored disk)

    RAID уровня 1 - это массив дисков со 100-процентной избыточностью. То есть данные при этом просто полностью дублируются (зеркалируются), за счет чего достигается очень высокий уровень надежности (как, впрочем, и стоимости). Отметим, что для реализации уровня 1 не требуется предварительно разбивать диски и данные на блоки. В простейшем случае два диска содержат одинаковую информацию и являются одним логическим диском (рис. 5). При выходе из строя одного диска его функции выполняет другой (что абсолютно прозрачно для пользователя). Кроме того, этот уровень удваивает скорость считывания информации, так как эта операция может выполняться одновременно с двух дисков. Такая схема хранения информации используется в основном в тех случаях, когда цена безопасности данных намного выше стоимости реализации системы хранения.

    RAID 2

    RAID уровня 2 - это схема резервирования данных с использованием кода Хэмминга (смотри ниже) для коррекции ошибок. Записываемые данные формируются не на основе блочной структуры, как в RAID 0, а на основе слов, причем размер слова равен количеству дисков для записи данных в массиве. Если, к примеру, в массиве имеется четыре диска для записи данных, то размер слова равен четырем дискам. Каждый отдельный бит слова записывается на отдельный диск массива. Например, если массив имеет четыре диска для записи данных, то последовательность четырех бит, то есть слово, запишется на массив дисков таким образом, что первый бит окажется на первом диске, второй бит - на втором и т.д.

    Кроме того, для каждого слова вычисляется код коррекции ошибок (ECC), который записывается на выделенные диски для хранения контрольной информации (рис. 6). Их число равно количеству бит в контрольном слове, причем каждый бит контрольного слова записывается на отдельный диск. Количество бит в контрольном слове и соответственно необходимое количество дисков для хранения контрольной информации рассчитывается на основе следующей формулы: где K - разрядность слова данных.

    Естественно, что L при вычислении по указанной формуле округляется в большую сторону до ближайшего целого числа. Впрочем, чтобы не связываться с формулами, можно воспользоваться другим мнемоническим правилом: разрядность контрольного слова определяется количеством разрядов, необходимым для двоичного представления размера слова. Если, например, размер слова равен четырем (в двоичной записи 100), то, чтобы записать это число в двоичном виде, потребуется три разряда, значит, размер контрольного слова равен трем. Следовательно, если имеется четыре диска для хранения данных, то потребуется еще три диска для хранения контрольных данных. Аналогично при наличии семи дисков для данных (в двоичной записи 111) понадобится три диска для хранения контрольных слов. Если же под данные отводится восемь дисков (в двоичной записи 1000), то нужно уже четыре диска для контрольной информации.

    Код Хэмминга, формирующий контрольное слово, основан на использовании поразрядной операции «исключающего ИЛИ» (XOR) (употребляется также название «неравнозначность»). Напомним, что логическая операция XOR дает единицу при несовпадении операндов (0 и 1) и нуль при их совпадении (0 и 0 или 1 и 1).

    Само контрольное слово, полученное по алгоритму Хэмминга, - это инверсия результата поразрядной операции исключающего ИЛИ номеров тех информационных разрядов слова, значения которых равны 1. Для иллюстрации рассмотрим исходное слово 1101. В первом (001), третьем (011) и четвертом (100) разрядах этого слова стоит единица. Поэтому необходимо провести поразрядную операцию исключающего ИЛИ для этих номеров разрядов:

    Само же контрольное слово (код Хэмминга) получается при поразрядном инвертировании полученного результата, то есть равно 001.

    При считывании данных вновь рассчитывается код Хэмминга и сравнивается с исходным кодом. Для сравнения двух кодов используется поразрядная операция «исключающего ИЛИ». Если результат сравнения во всех разрядах равен нулю, то считывание верное, в противном случае его значение есть номер ошибочно принятого разряда основного кода. Пусть, к примеру, исходное слово равно 1100000. Поскольку единицы стоят в шестой (110) и седьмой (111) позициях, контрольное слово равно:

    Если при считывании зафиксировано слово 1100100, то контрольное слово для него равно 101. Сравнивая исходное контрольное слово с полученным (поразрядная операция исключающего ИЛИ), имеем:

    то есть ошибка при считывании в третьей позиции.

    Соответственно, зная, какой именно бит является ошибочным, его легко исправить «на лету».

    RAID 2 - один из немногих уровней, позволяющих не только исправлять «на лету» одиночные ошибки, но и обнаруживать двойные. При этом он является самым избыточным из всех уровней с кодами коррекции. Эта схема хранения данных применяется редко, поскольку плохо справляется с большим количеством запросов, сложна в организации и обладает незначительными преимуществами перед уровнем RAID 3.

    RAID 3

    RAID уровня 3 - это отказоустойчивый массив с параллельным вводом-выводом и одним дополнительным диском, на который записывается контрольная информация (рис. 7). При записи поток данных разбивается на блоки на уровне байт (хотя возможно и на уровне бит) и записывается одновременно на все диски массива, кроме выделенного для хранения контрольной информации. Для вычисления контрольной информации (называемой также контрольной суммой) используется операция «исключающего ИЛИ» (XOR), применяемая к записываемым блокам данных. При выходе из строя любого диска данные на нем можно восстановить по контрольным данным и данным, оставшимся на исправных дисках.

    Рассмотрим в качестве иллюстрации блоки размером по четыре бита. Пусть имеются четыре диска для хранения данных и один диск для записи контрольных сумм. Если имеется последовательность бит 1101 0011 1100 1011, разбитая на блоки по четыре бита, то для расчета контрольной суммы необходимо выполнить операцию:

    Таким образом, контрольная сумма, записываемая на пятый диск, равна 1001.

    Если один из дисков, например третий, вышел из строя, то блок 1100 окажется недоступным при считывании. Однако его значение легко восстановить по контрольной сумме и значениям остальных блоков, используя все ту же операцию «исключающего ИЛИ»:

    Блок 3=Блок 1Блок 2Блок 4

    Контрольная сумма.

    В нашем примере получим:

    Блок 3=1101001110111001= 1100.

    RAID уровня 3 имеет намного меньшую избыточность, чем RAID 2. Благодаря разбиению данных на блоки RAID 3 имеет высокую производительность. При считывании информации не производится обращение к диску с контрольными суммами (в случае отсутствия сбоя), что происходит всякий раз при операции записи. Поскольку при каждой операции ввода-вывода производится обращение практически ко всем дискам массива, одновременная обработка нескольких запросов невозможна. Данный уровень подходит для приложений с файлами большого объема и малой частотой обращений. Кроме того, к достоинствам RAID 3 относятся незначительное снижение производительности при сбое и быстрое восстановление информации.

    RAID 4

    RAID уровня 4 - это отказоустойчивый массив независимых дисков с одним диском для хранения контрольных сумм (рис. 8). RAID 4 во многом схож с RAID 3, но отличается от последнего прежде всего значительно большим размером блока записываемых данных (большим, чем размер записываемых данных). В этом и есть главное различие между RAID 3 и RAID 4. После записи группы блоков вычисляется контрольная сумма (точно так же, как и в случае RAID 3), которая записывается на выделенный для этого диск. Благодаря большему, чем у RAID 3, размеру блока возможно одновременное выполнение нескольких операций чтения (схема независимого доступа).

    RAID 4 повышает производительность передачи файлов малого объема (за счет распараллеливания операции считывания). Но поскольку при записи должна вычисляться контрольная сумма на выделенном диске, одновременное выполнение операций здесь невозможно (налицо асимметричность операций ввода и вывода). Рассматриваемый уровень не обеспечивает преимущества в скорости при передаче данных большого объема. Эта схема хранения разрабатывалась для приложений, в которых данные изначально разбиты на небольшие блоки, поэтому нет необходимости дополнительно их разбивать. RAID 4 представляет собой неплохое решение для файл-серверов, информация с которых преимущественно считывается и редко записывается. Эта схема хранения данных имеет невысокую стоимость, но ее реализация достаточно сложна, как и восстановление данных при сбое.

    RAID 5

    RAID уровня 5 - это отказоустойчивый массив независимых дисков с распределенным хранением контрольных сумм (рис. 9). Блоки данных и контрольные суммы, которые рассчитываются точно так же, как и в RAID 3, циклически записываются на все диски массива, то есть отсутствует выделенный диск для хранения информации о контрольных суммах.

    В случае RAID 5 все диски массива имеют одинаковый размер, однако общая емкость дисковой подсистемы, доступной для записи, становится меньше ровно на один диск. Например, если пять дисков имеют размер 10 Гбайт, то фактический размер массива составляет 40 Гбайт, так как 10 Гбайт отводится на контрольную информацию.

    RAID 5, так же как и RAID 4, имеет архитектуру независимого доступа, то есть в отличие от RAID 3 здесь предусмотрен большой размер логических блоков для хранения информации. Поэтому, как и в случае с RAID 4, основной выигрыш такой массив обеспечивает при одновременной обработке нескольких запросов.

    Главным же различием между RAID 5 и RAID 4 является способ размещения контрольных сумм.

    Наличие отдельного (физического) диска, хранящего информацию о контрольных суммах, здесь, как и в трех предыдущих уровнях, приводит к тому, что операции считывания, не требующие обращения к этому диску, выполняются с большой скоростью. Однако при каждой операции записи меняется информация на контрольном диске, поэтому схемы RAID 2, RAID 3 и RAID 4 не позволяют проводить параллельные операции записи. RAID 5 лишен этого недостатка, поскольку контрольные суммы записываются на все диски массива, что обеспечивает возможность выполнения нескольких операций считывания или записи одновременно.

    Практическая реализация

    Для практической реализации RAID-массивов необходимы две составляющие: собственно массив жестких дисков и RAID-контроллер. Контроллер выполняет функции связи с сервером (рабочей станцией), генерации избыточной информации при записи и проверки при чтении, распределения информации по дискам в соответствии с алгоритмом функционирования.

    Конструктивно контроллеры бывают как внешние, так и внутренние. Имеются также интегрированные на материнской плате RAID-контроллеры. Кроме того, контроллеры различаются поддерживаемым интерфейсом дисков. Так, SCSI RAID-контроллеры предназначены для использования в серверах, а IDE RAID-контроллеры подходят как для серверов начального уровня, так и для рабочих станций.

    Отличительной характеристикой RAID-контроллеров является количество поддерживаемых каналов для подключения жестких дисков. Несмотря на то что к одному каналу контроллера можно подключить несколько SCSI-дисков, общая пропускная способность RAID-массива будет ограничена пропускной способностью одного канала, которая соответствует пропускной способности SCSI-интерфейса. Таким образом, использование нескольких каналов может существенно повысить производительность дисковой подсистемы.

    При использовании IDE RAID-контроллеров проблема многоканальности встает еще острее, поскольку два жестких диска, подключенных к одному каналу (большее количество дисков не поддерживается самим интерфейсом), не могут обеспечить параллельную работу - IDE-интерфейс позволяет обращаться в определенный момент времени только к одному диску. Поэтому IDE RAID-контроллеры должны быть как минимум двухканальными. Бывают также четырех- и даже восьмиканальные контроллеры.

    Другим различием между IDE RAID- и SCSI RAID-контроллерами является количество поддерживаемых ими уровней. SCSI RAID-контроллеры поддерживают все основные уровни и, как правило, еще несколько комбинированных и фирменных уровней. Набор уровней, поддерживаемых IDE RAID-контроллерами, значительно скромнее. Обычно это нулевой и первый уровни. Кроме того, встречаются контроллеры, поддерживающие пятый уровень и комбинацию первого и нулевого: 0+1. Такой подход вполне закономерен, поскольку IDE RAID-контроллеры предназначены в первую очередь для рабочих станций, поэтому основной упор делается на повышение сохранности данных (уровень 1) или производительности при параллельном вводе-выводе (уровень 0). Схема независимых дисков в данном случае не нужна, так как в рабочих станциях поток запросов на запись/чтение значительно ниже, чем, скажем, в серверах.

    Основной функцией RAID-массива является не увеличение емкости дисковой подсистемы (как видно из его устройства, такую же емкость можно получить и за меньшие деньги), а обеспечение надежности сохранности данных и повышение производительности. Для серверов, кроме того, выдвигается требование бесперебойности в работе, даже в случае отказа одного из накопителей. Бесперебойность в работе обеспечивается при помощи горячей замены, то есть извлечения неисправного SCSI-диска и установки нового без выключения питания. Поскольку при одном неисправном накопителе дисковая подсистема продолжает работать (кроме уровня 0), горячая замена обеспечивает восстановление, прозрачное для пользователей. Однако скорость передачи и скорость доступа при одном неработающем диске заметно снижается из-за того, что контроллер должен восстанавливать данные из избыточной информации. Правда, из этого правила есть исключение - RAID-системы уровней 2, 3, 4 при выходе из строя накопителя с избыточной информацией начинают работать быстрее! Это закономерно, поскольку в таком случае уровень «на лету» меняется на нулевой, который обладает великолепными скоростными характеристиками.

    До сих пор речь в этой статье шла об аппаратных решениях. Но существует и программное, предложенное, например, фирмой Microsoft для Windows 2000 Server. Однако в этом случае некоторая начальная экономия полностью нейтрализуется добавочной нагрузкой на центральный процессор, который помимо основной своей работы вынужден распределять данные по дискам и производить расчет контрольных сумм. Такое решение может считаться приемлемым только в случае значительного избытка вычислительной мощности и малой загрузки сервера.


    Сергей Пахомов

    КомпьютерПресс 3"2002

    Проблема повышения надежности хранения информации всегда стоит на повестке дня. Особенно это касается больших массивов данных, баз данных от которых зависит работа комплексных систем в большом диапазоне сфер отраслей. Особенно это важно для высокопроизводительных серверов.

    Как известно, производительность современных процессоров неизменно растет, за чем явно не успевают в своем развитии современные
    жесткие диски. Наличие одного диска, будь то SCSI или, еще хуже IDE, уже не сможет решить задачи, актуальные нашему времени. Нужно множество дисков, которые будут дополнять друг друга, подменять в случае выхода одного из них, хранить резервные копии, работать качественно и продуктивно.

    Однако, просто наличия нескольких жестких дисков недостаточно, их нужно объединить в систему , которая будет слаженно работать и не допустит потери данных при любых сбоях, связанных с дисками.

    О создании такой системы нужно позаботиться заранее, ведь, как говорит известная пословица – пока жареный петух не клюнет - не хватятся. Можно потерять свои данные безвозвратно .

    Этой системой может стать RAID – технология виртуального хранения информации, объединяющая несколько дисков в один логический элемент. RAID массивом называется избыточный массив независимых дисков. Используют обычно для улучшения производительности и надежности.

    Что нужно для создания рейд? Как минимум наличие двух винчестеров. В зависимости от уровня массива варьируется количество используемых устройств хранения.

    Какие бывают массивы raid

    Существуют базовые, комбинированные массивы RAID. Институт в Беркли штат Калифорния предложил разделять рейд на уровни спецификации :

    • Базовые :
      • RAID1 ;
      • RAID2 ;
      • RAID3 ;
      • RAID4 ;
      • RAID5 ;
      • RAID6 .
    • Комбинированные :
      • RAID10 ;
      • RAID01 ;
      • RAID50 ;
      • RAID05 ;
      • RAID60 ;
      • RAID06 .

    Рассмотрим наиболее часто используемые.

    Рейд 0

    RAID 0 предназначен для увеличения скорости и записи. Он не увеличивает надежность хранения, в связи с этим не является избыточным. Еще его зовут страйп (striping - «чередование» ). Обычно используется от 2 до 4 дисков.

    Данные делятся на блоки, записывающие по очереди на диски. Скорость записи/чтения возрастает при этом в число раз, кратное количеству дисков. Из недостатков можно отметить возросшую вероятность потери данных при такой системе. Базы данных на таких дисках хранить не имеет смысла, ведь любой серьезный сбой приведет к полной неработоспособности рейда, так как отсутствуют средства восстановления.

    Рейд 1

    RAID 1 обеспечивает зеркальное хранение данных на аппаратном уровне. Называют также массив Mirror , что значит «зеркало » . То есть данные дисков в этом случае дублируются. Можно использовать при количестве устройств хранения от 2 до 4.

    Скорость записи/чтения при этом практически не меняется, что можно отнести к преимуществам . Массив работает, если хоть один диск рейда находится в работе, но объем системы при этом равен объему одного диска. На практике при выходе из строя одного из винчестеров Вам нужно будет как можно быстрее принять меры к его замене.

    Рейд 2

    RAID 2 – использует так называемый код Хемминга . Данные разбиваются по жестким дискам аналогично RAID 0, на оставшихся дисках хранятся коды исправления ошибок , при сбое по которым можно регенерировать информации. Этот метод позволяет на лету обнаруживать , а затем и исправлять сбои в системе.

    Быстрота чтения/записи в этом случае в сравнении с использованием одного диска повышается . Минусом является большое количество дисков, при котором его рационально применять, чтобы не было избыточности данных, обычно это 7 и больше .

    RAID 3 – в массиве данные разбиваются на все диске кроме одного, в котором хранятся байты четности. Устойчив к отказам системы . Если один из дисков выходит из строя . То его информацию легко «поднять», используя данные контрольных сумм четности.

    В сравнении с RAID 2 нет возможности коррекции ошибок на лету. Этот массив отличается высокой производительностью и возможностью использовать от 3 дисков и больше.

    Главным минусом такой системы можно считать повышенную нагрузку на диск, хранящий байты четности и низкую надежность этого диска.

    Рейд 4

    В целом RAID 4 аналогичен RAID 3 с той разницей , что данные четности хранятся в блоках, а не в байтах, что позволило увеличить скорость передачи данных малого объема.

    Минусом указанного массива оказывается скорость записи, ведь четность записи генерируется на один единственный диск, как и RAID 3.

    Представляется собой неплохое решение для тех серверов, где файлы чаще считываются, чем записываются.

    Рейд 5

    RAID от 2 до 4 имеют недостатки, связанные с невозможностью распараллеливания операций записи. RAID 5 устраняет этот недостаток. Блоки четности записываются одновременно на все дисковые устройства массива, нет асинхронности в распределении данных, а значит, четность является распределенной.

    Число используемых винчестеров от 3. Массив очень распространён благодаря своей универсальности и экономичности , чем большее число дисков будет использоваться, тем экономнее будет затрачиваться дисковое пространство. Скорость при этом высокая за счет распараллеливания данных, но производительность снижается в сравнении с RAID 10, за счет большого числа операций. Если выходит из строя один диск, то надежность снижается до уровня RAID 0. Требуется много времени на восстановление.

    Рейд 6

    Технология RAID 6 схожа с RAID 5, но повышается надежностью за счет увеличения количества дисков четности.

    Однако, дисков уже требуется минимум 5 и более мощный процессор для обработки возросшего числа операций, причем количество дисков обязательно должно быть равно простому числу 5,7,11 и так далее.

    Рейд 10, 50, 60

    Далее идут комбинации указанных ранее рейдов. Например, RAID 10 это RAID 0 + RAID 1.

    Они наследуют и преимущества массивов их составляющих в плане надежности, производительности и количестве дисков, а вместе с тем экономичности.

    Создание рейд массива на домашнем ПК

    Преимущества создания рейд массива дома неочевидны, ввиду того, что это неэкономично , потеря данных не столь критична в сравнении с серверами, а информацию можно хранить в резервных копиях, периодически делая бэкапы.

    Для этих целей Вам понадобится рейд-контроллер , обладающий собственной BIOS и своими настройками. В современных системных платах рейд-контроллер может быть интегрирован в южный мост чипсета. Но даже в таких плата посредством подключения к PCI или PCI-E разъему можно подключить еще один контроллер. Примерами могут быть устройства фирм Silicon Image и JMicron.

    Каждый контроллер может иметь свою утилиту для настройки.

    Рассмотрим создание рейд с помощью Intel Matrix Storage Manager Option ROM.

    Перенесите все данные с Ваших дисков, иначе в процессе создания массива они будут очищены .

    Зайдите в BIOS Setup Вашей материнской платы и включите режим работы RAID для вашего sata винчестера.

    Чтобы запустить утилиту перезагрузите ПК, нажмите ctrl+i во время процедуры POST . В окне программы Вы увидите список доступных дисков. Нажмите Create Massive , Далее выберите необходимый уровень массива .

    В дальнейшем следуя интуитивно понятному интерфейсу введите размер массива и подтвердите его создание.

    Оформление запроса

    Описание RAID-массивов ( , )

    Описание RAID 0


    Дисковый массив повышенной производительности без отказоустойчивости
    Striped Disk Array without Fault Tolerance

    Массив RAID 0 наиболее производительный и наименее защищенный из всех RAID-ов. Данные разбиваются на блоки пропорционально количеству дисков, что приводит к более высокой пропускной способности. Высокая производительность данной структуры обеспечивается параллельной записью и отсутствием избыточного копирования. Отказ любого диска в массиве приводит к потере всех данных. Этот уровень называется striping.

    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.

    Описание RAID 1


    Дисковый массив с дублированием или зеркалирование
    Duplexing & Mirroring
    RAID 1 - mirroring - зеркальное отражение двух дисков. Избыточность структуры данного массива обеспечивает его высокую отказоустойчивость. Массив отличается высокой себестоимостью и низкой производительностью.

    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.

    Описание RAID 2


    Отказоустойчивый дисковый массив с использованием кода Хемминга
    Hamming Code ECC
    RAID 2 - использует коды исправления ошибок Хемминга (Hamming Code ECC). Коды позволяют исправлять одиночные и обнаруживать двойные неисправности.

    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).

    Описание RAID 3


    Отказоустойчивый массив с параллельной передачей данных и четностью
    Parallel Transfer Disks with Parity

    RAID 3 - данные хранятся по принципу striping на уровне байтов с контрольной суммой (КС) на одном из дисков. Массив не имеет проблему некоторой избыточности как в RAID 2-го уровня. Диски с контрольной суммой используемые в RAID 2, необходимы для определения ошибочного заряда. Однако большинство современных контроллеров способны определить, когда диск отказал при помощи спец 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;
    - · малые накладные расходы для реализации избыточности.
    Недостатки:
    - · непростая реализация;
    - · низкая производительность при большой интенсивности запросов данных небольшого объема.

    Если Вы заинтересовались этой статьей, то Вы, по-видимому, столкнулись или предполагаете вскоре столкнуться с одной из ниже перечисленных проблем на Вашем компьютере:

    - явно не хватает физического объема винчестера, как единого логического диска. Наиболее часто эта проблема возникает при работе с файлами большого объема (видео, графика, базы данных);
    - явно не хватает производительности винчестера. Наиболее часто эта проблема возникает при работе с системами нелинейного видео монтажа или при одновременном обращении к файлам на винчестере большого количества пользователей;
    - явно не хватает надежности винчестера. Наиболее часто эта проблема возникает при необходимости работать с данными, которые ни в коем случае нельзя потерять или которые должны быть всегда доступны для пользователя. Печальный опыт показывает, что даже самая надежная техника иногда ломается и, как правило, в самый не подходящий момент.
    Решить эти и некоторые другие проблемы может создание на Вашем компьютере RAID-системы.

    Что такое «RAID»?

    В 1987 году Паттерсон (Patterson), Гибсон (Gibson) и Катц (Katz) из калифорнийского университета Беркли опубликовали статью «Корпус для избыточных массивов из дешевых дисководов (RAID)» (A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID)). В этой статье описывались разные типы дисковых массивов, обозначаемых сокращением RAID - Redundant Array of Independent (или Inexpensive) Disks (избыточный массив независимых (или недорогих) дисководов). В основу RAID положена следующая идея: объединяя в массив несколько небольших и/или дешевых дисководов, можно получить систему, превосходящую по объему, скорости работы и надежности самые дорогие дисководы. Вдобавок ко всему такая система с точки зрения компьютера выглядит как один единственный дисковод.
    Известно, что среднее время наработки на отказ массива дисководов равно среднему времени наработки на отказ одиночного дисковода, деленному на число дисководов в массиве. Вследствие этого среднее время наработки на отказ массива оказывается слишком малым для многих приложений. Однако дисковый массив можно несколькими способами сделать устойчивым к отказу одного дисковода.

    В вышеупомянутой статье было определено пять типов (уровней) дисковых массивов: RAID-1, RAID-2, ..., RAID-5. Каждый тип обеспечивал устойчивость на отказ, а также различные преимущества по сравнению с одиночным дисководом. Наряду с этими пятью типами популярность приобрел также дисковый массив RAID-0, НЕ обладающий избыточностью.

    Какие существуют уровни RAID и какой из них выбрать?

    RAID-0 . Обычно определяется как НЕ избыточная группа дисководов без контроля четности. RAID-0 по способу размещения информации по дисководам, входящим в массив, иногда называется "Striping" ("полосатый" или "тельняшка"):

    Так как RAID-0 не обладает избыточностью, авария одного дисковода приводит к аварии всего массива. С другой стороны RAID-0 обеспечивает максимальную скорость обмена и эффективность использования объема дисководов. Поскольку для RAID-0 не требуются сложные математические или логические вычисления, затраты на его реализацию минимальны.

    Область применения: аудио- и видео приложения требующие высокой скорости непрерывной передачи данных, которую не может обеспечить одиночный дисковод. Например, исследования, проведенные фирмой Mylex, с целью определить оптимальную конфигурацию дисковой системы для станции нелинейного видео монтажа показывают, что, по сравнению с одним дисководом, массив RAID-0 из двух дисководов дает прирост скорости записи/чтения на 96%, из трех дисководов - на 143% (по данным теста Miro VIDEO EXPERT Benchmark).
    Минимальное количество дисководов в массиве "RAID-0" - 2шт.

    RAID-1 . Более известен как "Mirroring" ("Зеркалирование") - это пара дисководов, содержащих одинаковую информацию и составляющих один логический диск:

    Запись производится на оба дисковода в каждой паре. Тем не менее, дисководы, входящие в пару, могут совершать одновременные операции чтения. Таким образом «зеркалирование» может удваивать скорость чтения, но скорость записи остается неизменной. RAID-1 обладает 100% избыточностью и авария одного дисковода не приводит к аварии всего массива - контроллер просто переключает операции чтения/записи на оставшийся дисковод.
    RAID-1 обеспечивает наивысшую скорость работы среди всех типов избыточных массивов (RAID-1 - RAID-5), особенно в многопользовательском окружении, но наихудшее использование дискового пространства. Поскольку для RAID-1 не требуются сложные математические или логические вычисления, затраты на его реализацию минимальны.
    Минимальное количество дисководов в массиве "RAID-1" - 2шт.
    Для увеличения скорости записи и обеспечения надежности хранения данных несколько массивов RAID-1 можно, в свою очередь, объединить в RAID-0. Такая конфигурация называется «двухуровневый» RAID или RAID-10 (RAID 0+1):


    Минимальное количество дисководов в массиве "RAID 0+1" - 4шт.
    Область применения: дешевые массивы, в которых главное - надежность хранения данных.

    RAID-2 . Распределяет данные по страйпам размером в сектор по группе дисководов. Некоторые дисководы выделяются для хранения ECC (код коррекции ошибок). Так как большинство дисководов по умолчанию хранят коды с ECC для каждого сектора, RAID-2 не дает особых преимуществ по сравнению с RAID-3 и, поэтому, практически не применяется.

    RAID-3 . Как и в случае с RAID-2 данные распределяются по страйпам размером в один сектор, а один из дисководов массива отводится для хранения информации о четности:

    RAID-3 полагается на коды с ECC, хранящиеся в каждом секторе для обнаружения ошибок. В случае отказа одного из дисководов восстановление хранившейся на нем информации возможно с помощью вычисления исключающего ИЛИ (XOR) по информации на оставшихся дисководах. Каждая запись обычно распределена по всем дисководам и поэтому этот тип массива хорош для работы в приложениях с интенсивным обменом с дисковой подсистемой. Так как каждая операция ввода-вывода обращается ко всем дисководам массива, RAID-3 не может одновременно выполнять несколько операций. Поэтому RAID-3 хорош для однопользовательского однозадачного окружения с длинными записями. Для работы с короткими записями требуется синхронизация вращения дисководов, так как иначе неизбежно уменьшение скорости обмена. Применяется редко, т.к. проигрывает RAID-5 по использованию дискового пространства. Реализация требует значительных затрат.
    Минимальное количество дисководов в массиве "RAID-3" - 3шт.

    RAID-4 . RAID-4 идентичен RAID-3 за исключением того, что размер страйпов много больше одного сектора. В этом случае чтение осуществляется с одного дисковода (не считая дисковода, хранящего информацию о четности), поэтому возможно одновременное выполнение нескольких операций чтения. Тем не менее, так как каждая операция записи должна обновить содержимое дисковода четности, одновременное выполнение нескольких операций записи невозможно. Этот тип массива не имеет заметных преимуществ перед массивом типа RAID-5.
    RAID-5. Этот тип массива иногда называется «массив с вращающейся четностью». Данный тип массива успешно преодолевает присущий RAID-4 недостаток - невозможность одновременного выполнения нескольких операций записи. В этом массиве, как и в RAID-4, используются страйпы большого размера, но, в отличие от RAID-4, информация о четности хранится не на одном дисководе, а на всех дисководах по очереди:

    Операции записи обращаются к одному дисководу с данными и к другому дисководу с информацией о четности. Так как информация о четности для разных страйпов хранится на разных дисководах выполнение нескольких одновременных операций записи невозможно только в тех редких случаях, когда либо страйпы с данными, либо страйпы с информацией о четности находятся на одном и том же дисководе. Чем больше дисководов в массиве, тем реже совпадает местоположение страйпов информации и четности.
    Область применения: надежные массивы большого объема. Реализация требует значительных затрат.
    Минимальное количество дисководов в массиве "RAID-5" - 3шт.

    RAID-1 или RAID-5?
    RAID-5 по сравнению с RAID-1 более экономно использует дисковое пространство, так как в нем для избыточности хранится не «копия» информации, а контрольное число. В результате в RAID-5 можно объединить любое количество дисководов, из которых только один будет содержать избыточную информацию.
    Но более высокая эффективность использования дискового пространства достигается за счет более низкой скорости обмена информацией. Во время записи информации в RAID-5 надо каждый раз обновлять информацию о четности. Для этого надо определить, какие именно биты четности изменились. Сначала считывается подлежащая обновлению старая информация. Затем эта информация перемножается по XOR с новой информацией. Результат этой операции - битовая маска, в которой каждый бит =1 означает, что в информации о четности в соответствующей позиции надо заменить значение. Затем обновленная информация о четности записывается на соответствующее место. Следовательно, на каждое требование программы записать информацию, RAID-5 совершает два чтения, две записи и две операции XOR.
    За то, что более эффективно используется дисковое пространство (вместо копии данных хранится блок четности) приходится платить: на генерацию и запись информации о четности уходит добавочное время. Это означает, что скорость записи на RAID-5 ниже, чем на RAID-1 в соотношении 3:5 или даже 1:3 (т.е. скорость записи на RAID-5 составляет от 3/5 до 1/3 от скорости записи RAID-1). Из-за этого RAID-5 бессмысленно создавать в программном варианте. Их также нельзя рекомендовать в тех случаях, когда именно скорость записи имеет решающее значение.

    Какой выбрать способ реализации RAID - программный или аппаратный?

    Прочитав описание различных уровней RAID можно заметить, что нигде не упоминаются какие-либо специфические требования к аппаратуре, которая необходима для реализации RAID. Из чего можно сделать вывод, что все, что нужно для реализации RAID - подключить необходимое количество дисководов к имеющемуся в компьютере контроллеру и установить на компьютер специальное программное обеспечение. Это верно, но не совсем!
    Действительно, существует возможность программной реализации RAID. Примером может служить ОС Microsoft Windows NT 4.0 Server, в которой возможна программная реализация RAID-0, -1 и даже RAID-5 (Microsoft Windows NT 4.0 Workstation обеспечивает только RAID-0 и RAID-1). Однако данное решение следует рассматривать, как крайне упрощенное, не позволяющее полностью реализовать возможности RAID-массива. Достаточно отметить, что при программной реализации RAID вся нагрузка по размещению информации на дисководах, вычислению контрольных кодов и т.д. ложится на центральный процессор, что естественно, не увеличивает производительности и надежности системы. По тем же причинам, здесь практически отсутствуют какие-либо сервисные функции и все операции по замене неисправного дисковода, добавления нового дисковода, изменения уровня RAID и т. п. производятся с полной потерей данных и при полном запрете выполнения каких-либо других операций. Единственное достоинство программной реализации RAID - минимальная стоимость.
    - специализированный контроллер освобождает центральный процессор от основных операций с RAID, причем эффективность контроллера тем более заметна, чем выше уровень сложности RAID;
    - контроллеры, как правило, снабжены драйверами, позволяющими создать RAID практически для любой популярной ОС;
    - встроенный BIOS контроллера и прилагаемые к нему программы управления позволяют администратору системы легко подключать, отключать или заменять дисководы, входящие в RAID, создавать несколько RAID-массивов, причем даже разных уровней, контролировать состояние дискового массива и т.д. У «продвинутых» контроллеров эти операции можно производить «на лету», т.е. не выключая системный блок. Многие операции могут быть выполнены в «фоновом режиме», т.е. не прерывая текущую работу и даже дистанционно, т.е. с любого (конечно при наличии доступа) рабочего места;
    - контроллеры могут оснащаться буферной памятью («кэш»), в которой запоминаются несколько последних блоков данных, что, при частом обращении к одним и тем же файлам, позволяет значительно увеличить быстродействие дисковой системы.
    Недостатком аппаратной реализации RAID является относительно высокая стоимость RAID-контроллеров. Однако, с одной стороны, за все (надежность, быстродействие, сервис) надо платить. С другой стороны, в последнее время, с развитием микропроцессорной техники, стоимость RAID-контоллеров (особенно младших моделей) стала резко падать и стала сравнимой со стоимостью обыкновенных дисковых контроллеров, что позволяет устанавливать RAID-системы не только в дорогие мэйнфреймы, но и в сервера начального уровня и даже в рабочие станции.

    Как выбрать модель RAID-контроллера?

    Можно выделить несколько типов RAID-контроллеров в зависимости от их функциональных возможностей, конструктивному исполнению и стоимости:
    1. Контроллеры дисковода с функциями RAID.
    По сути, это обыкновенный дисковый контроллер, который благодаря специальной прошивке BIOS позволяет объединять дисководы в RAID-массив, как правило, уровня 0, 1 или 0+1.

    Ultra (Ultra Wide) SCSI контроллер фирмы Mylex KT930RF (KT950RF).
    Внешне данный контроллер ни чем не отличается от обыкновенного SCSI-контроллера. Вся "специализация" находится в BIOS, который как бы разделен на две части - «Конфигурация SCSI» / «Конфигурация RAID». Несмотря на невысокую стоимость (менее $200) данный контроллер обладает неплохим набором функций:

    - объединение до 8-и дисководов в RAID 0, 1или 0+1;
    - поддержка Hot Spare для замены "на лету" вышедшего из строя дисковода;
    - возможность автоматической (без вмешательства оператора) замены неисправного дисковода;
    - автоматический контроль целостности и идентичности (для RAID-1) данных;
    - наличие пароля для доступа в BIOS;
    - программа RAIDPlus представляющая информацию о состоянии дисководов в RAID;
    - драйвера для DOS, Windows 95, NT 3.5x, 4.0