Зеркальные диски и raid массивы. Что такое RAID? Сравнение производительности RAID-массивов

Сегодня мы узнаем интересную информацию о том, что такое RAID массив и какую роль эти массивы играют в жизни жестких дисков, да-да, именно в них.

Сами жесткие диски играют довольно важную роль в компьютере, так как, при помощи них мы запускаем систему и храним множество информации на них.

Проходит время и любой жесткий диск может отказать, это могут быть любые , о которых мы сегодня не говорим.

Я надеюсь, что многие слышали о так называемых raid массивах , которые позволяют не только ускорить работу жестких дисков, но и с в случае чего, спасти важные данные от исчезновения, возможно, навсегда.

Также, данные массивы имеют порядковые номера, чем и отличаются. Каждый выполняет разные функции. Например, есть RAID 0, 1, 2, 3, 4, 5 и т. д. Вот об этих самых массивах мы сегодня и будем говорить, а потом я напишу статью, как использовать некоторые из них.

Что такое RAID массив?

RAID – это технология, которая позволяет объединить несколько устройств, а именно, жестких дисков, в нашем случае идет что-то вроде их связки. Таким образом, мы повышаем надежность хранения данных и скорость чтения/записи. Возможно и что-то одно из этих функций.

Так что, если вы хотите или ускорить свой диск или просто обезопасить информацию зависит лишь от вас. Точнее сказать, зависит от выбора нужной конфигурации «Рейда», эти конфигурации и отмечены порядковыми номерами 1, 2, 3…

Рейды очень полезная функция и я ее рекомендую использовать всем. Например, если использовать 0-вую конфигурацию, то вы ощутите прирост в скорости жесткого диска, все-таки, жестких диск, это почти самое низкоскоростное устройство.

Если вы спросите почему, то тут, я думаю, все ясно. с каждым годом становятся все мощнее, их обзаводят и более высокой частотой, большим количеством ядер, и многим другим. То же самое с и . А жесткие диски растут пока что только в объеме, а скорость оборота как была 7200, так и осталась. Конечно есть и более редкие модели. Ситуацию пока что спасают так называемые , которые ускоряют систему в несколько раз.

Допустим, вы заходили построить RAID 1 , в этом случае вы получите высокую гарантию защиты ваших данных, так как, они будут дублироваться на другое устройство (диск) и, если один жесткий диск откажет, вся информация останется на другом.

Как видите из примеров, рейды очень важны и полезны, их нужно использовать.

Итак, RAID-массив физически представляет собой связку от двух жестких дисков, подключенных к системной плате, можно и три, и четыре. Кстати говоря, тоже должна поддерживать создание RAID-массивов. Подключение жестких дисков проводиться по стандарту, а создание рейдов проходит на программном уровне.

Когда мы программно создали рейд, на глаз особо ничего не изменилось, вы всего лишь поработаете в BIOS, а все остальное как было, так и останется, то есть, заглянув в Мой компьютер, вы увидите все те же подключённые диски.

Чтобы создать массив нужно не так много: материнская плата с поддержкой RAID, два идентичных жестких диска (это важно ). Они должны быть одинаковы не только в объеме, но и по кэшу, интерфейсу и т. д. Желательно, чтобы и производитель был один и тот же. Теперь включаем компьютер и , там ищем параметр SATA Configuration и ставим на RAID . После перезагрузки компьютера должно появится окно в которой мы увидим информацию о дисках и рейдах. Там мы должны нажать CTRL+I , чтобы начать настройку рейда, то есть, добавлять или удалять из него диски. Потом начнется и ее настройка.

Сколько всего этих рейдов? Их несколько, а именно RAID 1 , RAID 2 , RAID 3 , RAID 4 , RAID 5 , RAID 6 . Более подробно я расскажу только о двух из них.

1. RAID 0 – позволяет создавать дисковый массив для того, чтобы увеличить скорость чтения/записи.
2. RAID 1 – позволяет создавать зеркальные дисковые массивы для защиты данных.

RAID 0, что это такое?

Массив RAID 0 , который еще называют «Striping» использует от 2 до 4 жестких дисков, редко больше. Работая совместно, они повышают производительность. Таким образом, данные при таком массиве разбивается на блоки данных, а потом записываются сразу на несколько дисков.

Производительность повышается из-за того, что на один диск записывается один блок данных, на другой диск, другой блок и т. д. Думаю понятно, что 4 диска больше увеличат производительность, чем два. Если говорить о безопасности, то она страдает на всем массиве. Если один из дисков выйдет из строя, то в большинстве случаев, вся информация пропадет безвозвратно.

Дело в том, что в массиве RAID 0 информация располагается на всех дисках, то есть, байты какого-то файла, расположены на нескольких дисках. Поэтому, при выходе из строя одного диска, пропадет и какое-то количество данных, восстановление при этом невозможно.

Из этого следует, что необходимо делать постоянные на внешние носители.

RAID 1, что это такое?

Массив RAID 1 , его еще называют Mirroring – зеркало. Если говорить о недостатке, то в RAID 1 объем одного из жестких дисков вам как-бы «недоступен», потому что, он используется для дублирования первого диска. В RAID 0 это место доступно.

Из преимуществ, как вы, наверное, уже догадались, следует, что массив предоставляет высокую надежность данных, то есть, если выйдет из строя один диск, все данные останутся на втором. Выход из строя сразу двух дисков маловероятен. Такой массив часто используется на серверах, но это не мешает использовать его и на обычных компьютерах.

Если вы выбрали RAID 1, то знайте, что производительность упадет, но если данные вам важны, то используйте данных подход.

RAID 2-6, что это такое?

Сейчас вкратце опишу остальные массивы, так сказать, для общего развития, а все потому, что они не такие популярные, как первые два.

RAID 2 – нужен для массивов, которые используют код Хемминга (не интересовался, что за код). Принцип работы примерно, как в RAID 0, то есть информация также разбивается на блоки и поочередно записываются на диски. Остальные диски используются для хранения кодов коррекции ошибок, при помощи которых, в случае выхода из строя одного из дисков, можно восстановить данные.

Правда, для данного массива лучше использовать 4 диска, что довольно затратно, да и как выяснилось, при использовании стольких дисков, прирост производительности довольно спорный.

RAID 3, 4, 5, 6 – про эти массивы я не буду здесь писать, так как, необходимая информация уже есть на Википедии , если хотите узнать о данных массивах, то читаем.

Какой выбрать RAID массив?

Допустим, что вы часто устанавливаете различные программы, игры и копируете много музыки или фильмов, тогда вам рекомендуется к использованию RAID 0. При выборе жестких дисков будьте внимательные, они должные быть очень надежными, чтобы не потерять информацию. Обязательно делайте резервные копии данных.

Есть важная информация, которая должна быть в целости и сохранности? Тогда на помощь приходит RAID 1. При выборе жестких дисков, также их характеристики должны быть идентичными.

Вывод

Вот мы и разобрали для кого-то новую, а для кого-то старую информацию по RAID-массивам. Надеюсь, что информация для вас окажется полезной. Скоро буду писать о том, как эти массивы создавать.

Если вы когда-либо задумывались о приобретении серверов или NAS хранилищ, то вы наверняка слышали магический термин “RAID”. RAID расшифровывается как Redundant Array of Independent Disks - избыточный массив независимых дисков. Вообще, системы с RAID используют два или более жестких дисков или для того, чтоб улучшить производительность, или для повышения отказоустойчивости, или для того и другого вместе. Отказоустойчивость, в этом случае означает то, что оборудование (например, сервер) сможет работать и данные не потеряются даже в том случае, если один (или даже больше) из дисков вышел из строя.

Для того, чтобы понять как именно RAID помогает улучшить производительность и отказоустойчивость, нужно разобраться какие бывают уровни RAID. Уровень RAID зависит от того, сколько дисков в массиве, насколько критична возможная поломка диска, насколько важна скорость работы системы. Например, для бизнес-приложений гораздо важнее сохранность данных в случае выхода компонентов из строя, а для домашних пользователей, возможно, скорость будет решающим фактором. Уровни RAID представляют разные комбинации баланса производительности, отказоустойчивости и стоимости решения.

Обзор технологии RAID

Как правило, RAID используется в компаниях, где отказоустойчивость и производительность – не роскошь, а необходимость. Серверы и NAS-хранилища, в большинстве случаев оснащены так называемыми RAID-контроллерами – аппаратными модулями, которые управляют массивами из SATA или SSD дисков. Также, в большинстве современных операционных систем поддерживается программный RAID, где управление дисками и массивами осуществляется силами самой операционной системы.

Какой уровень RAID нужен мне?

Как уже говорилось, существует несколько уровней RAID, в зависимости от того, чего хочется достичь – большей производительности, большей надежности или и того и другого. Также важно, используется аппаратный или программный RAID. Программный RAID поддерживает не все уровни, а в случае использования аппаратного – нужно подумать о выборе соответствующего контроллера.

Самые распространенные уровни RAID.

RAID0 – используется для повышения производительности. Также известен как массив с «чередованием». Это означает, что поток данных как-бы делится на несколько дисков, вместо того, чтоб все время использовать один. Таким образом достигается «параллельность» чтения или записи, что ускоряет работу. Для RAID0 нужно минимум два диска. RAID0 поддерживается как аппаратными, так и программными решениями. Недостаток RAID0 в том, что нет никакой отказоустойчивости – при выходе из строя любого диска теряется информация.

RAID1 – используется для повышения надежности. Также известен как массив с «зеркалированием». Из названия понятно, что в случае RAID1 информация одновременно записывается на два диска, получается две копии данных – два «зеркала». В случае отказа одного из дисков второй продолжает работать и данные не теряются. Это самый простой и относительно недорогой способ повысить отказоустойчивость. Минусом такого решения является небольшое уменьшение производительности. Для RAID1 требуется минимум два диска. RAID1 можно собрать как программно, так и с помощью аппаратного контроллера.

RAID5 – наверное, самая распространенная конфигурация RAID. RAID5 обеспечивает лучшую производительность, чем «зеркалирование», к тому же обеспечивая и отказоустойчивость. В конфигурации RAID5 блоки данных и так называемая четность (дополнительный блок данных для восстановления) записываются последовательно на три или более дисков. При отказе одного из дисков данные восстанавливаются из оставшихся блоков и четности автоматически и незаметно. Естественно, в таком случае система остается полностью работоспособной. Другим плюсом RAID5 является «горячая замена» - возможность менять любой из дисков не прерывая работы системы (сервера или хранилища). Негативным моментом использования RAID5 является резкое снижение производительности во время восстановления информации на вновь замененном диске. Также RAID5 в принципе требователен к вычислительным ресурсам, поэтому рекомендуется использовать аппаратный контроллер, хотя программными способами RAID5 создать тоже возможно.

RAID10 – комбинация RAID1 и RAID0. Сочетает «зеркалирование» RAID1 и «чередование» RAID0. Обеспечивает хорошую производительность и отказоустойчивость, однако достаточно дорог, ибо требует минимум четыре диска и общая емкость массива будет равна половине емкости физических дисков.

Существуют и другие уровни RAID – RAID2, RAID4, RAID7, RAID50, RAID01, в большинстве - они являются специфическими комбинациями и вариантами уже описанных конфигураций. Для малого бизнеса и типичных решений самыми распространенными являются уровни 0, 1, 5 и 10.

Стоит упомянуть, что в случае использования дисков разной емкости массив будет равен емкости наименьшего диска. Например, емкость RAID1 из двух дисков 1000 Гб и 500 Гб будет равна 500 Гб. Совершенно естественно, что для RAID рекомендуется использовать диски одинаковой емкости.

Также, из соображений производительности и надежности, рекомендуется использовать диски одинаковой модели и желательно в пределах одной партии. Разные диски, тем более разных производителей, могут изнашиваться и провоцировать задержки совершенно непредсказуемо.

Полезно помнить, что RAID не заменяет резервное копирование. RAID может быть отличным способом повышения надежности и производительности, но это лишь часть стратегии восстановления данных.

Наверняка большинство пользователей компьютера знают о том, что для долговременного сохранения информации в компьютерных системах используются специальные устройства, называемые жесткими дисками. От их надежности порой зависит очень много, ведь потеря данных в некоторых случаях может иметь катастрофические последствия.

Скорости работы дисков так же имеет большое значение для производительности компьютера, поскольку именно HDD во многих ситуациях являются самой медленной частью системы, тормозящей ее работу. Последние годы развитие жестких дисков в основном сводится к увеличению их емкости, без серьезных изменений в скорости работы. Конечно существуют так называемые твердотельные накопители SSD, однако они довольно дороги и имеют ограниченный ресурс.

Такая ситуация никого не устраивает, поэтому еще в 1987 году была разработана технология Redundant Array of Independent Disks, что в переводе на русский язык звучит как «Избыточный массив независимых дисков», а в сокращенном виде RAID-массив. С ее помощью можно улучшить результаты работы имеющихся в наличие накопителей.

Что такое RAID-массив - это технология виртуализации, объединяющая нескольких независимых жестких дисков в единую логическую структуру для повышения надежности и/или скорости их работы. Увеличение быстродействия дисковой подсистемы по сравнению с одиночным диском происходит благодаря параллельным операциям чтения/записи, а применение избыточности информации повышает надежность ее хранения.

Есть еще один момент в технологии RAID, который нужно понимать. Она страхует только от физического выхода из строя накопителей и не защищает информацию от случайного удаления, вирусов, сбоев в работе контролера, bad-блоков и тому подобного.

Жесткие диски в нашем компьютере играют очень важную роль. На них хранится вся информация. Не хочется терять все в одночасье из-за отказа харда. А они, как известно, тоже имеют свой лимит наработки на отказ. Наверняка, многие из вас слышали о неких RAID-массивах. Делают их для ускорения работы компьютера и для безопасности данных. Давайте поподробнее поговорим об этом.

Что такое RAID, и для чего он нужен

RAID - дисковый массив из нескольких жестких дисков. Практически RAID-массив представляет собой систему, насчитывающую от двух жестких дисков, подключенных к материнской плате, поддерживающей возможность создания массивов (или же к raid-контроллеру). Что такое RAID-контроллер? Устройство, управляющее вашим массивом и сопутствующими работе процессами. Обычно их используют на серверных машинах. Рядовым пользователям такая игрушка малополезна - недёшево и малоэффективно, учитывая объемы информации, обрабатываемые рядовым компьютером. При создании RAID-массива аппаратно начинка вашего компьютера не изменится. Программно вся работа с рейдом проводится в bios-е, то есть ничего трудоемкого.

SCSI RAID: отличие от классического массива

SCSI - это интерфейс, физический тип подключения устройства. Он отличается от привычных нам интерфейсов IDE или SATA, в первую очередь, другим алгоритмом работы, что обеспечивает более высокую скорость, и завышенной, относительно последних, ценой. Распространение получил на масштабных серверных машинах, среди рядовых компьютеров устанавливается редко.

Установка RAID-массива

1. Находим материнскую плату с поддержкой рейд-массивов или SCSI RAID.
2. Берем два абсолютно одинаковых диска, подключаем.
3. Заходим в bios (зависит от модели мат. платы).
4. Параметр SATA Configuration, выставляем RAID.
5. В процессе загрузки компьютера нажимаем Ctrl + I.
6. Настраиваем рейд.

Готово! Важно: при создании RAID-массивов вся информация с дисков удаляется!

Виды массивов

• RAID 0 - дисковый массив для повышения производительности.
• RAID 1 - "зеркальный" дисковый массив.
• RAID 2 - массивы, которые используют код Хемминга.
• RAID 3 и 4 - массивы дисков с чередованием и выделенным диском чётности.
• RAID 5 - диски с чередованием и невыделенным диском чётности.
• RAID 6 - диски с чередованием и 2-мя независимыми чётностями.
• Существуют еще рейды 10, 50, 60. Но это слишком сложные конструкции.

Подробнее остановимся на двух самых популярных версия рейд-массивов. Это, соответственно, RAID 0 и RAID 1. Для чего нужен RAID 0? Все не так сложно. Принцип работы массива заключается в параллельной работе разных физических устройств, выдаваемых системе за одно. То есть, это напрямую повышает скорость работы системы, просто представьте: в вашем raid 0 массиве участвуют два диска. Вы записываете данные объемом 10 гигабайт. Если бы у вас не был создан массив, то пришлось бы записывать их на конкретный диск, второй же при этом обязательно простаивал. В случае с рейд 0 массивом ваши данные побайтово делятся на несколько потоков, и также записываются на носитель рандомно. То есть, один фильм может храниться на двух физических устройствах одновременно, причем на одном будет лишь 30% от его "веса". Минус RAID 0 в отсутствии отказоустойчивости. Более того, если из строя выходит один диск, то данные со второго вам тоже не удастся восстановить.

Теперь поговорим про RAID 1. В случае с этим массивом вам придется использовать несколько дополнительных дисков для "зеркального копирования". Если у вас участвует лишь два диска в массиве, то выглядит это так: вы работаете с диском номер 1, а компьютер дублирует все ваши действия для диска 2. В случае отказа устройства все ваши данные будут в целости и сохранности находиться на дублирующем диске. Безопасно, несомненно. Минусом рейд 1 можно назвать потерю производительности.

Для чего нужен RAID-массив, вы теперь знаете, осталось лишь определиться с тем, что вам больше подходит. Сохранность данных или прирост производительности? Личное дело каждого!

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:

1. Все запросы на передачу данных обрабатываются асинхронно и независимо.
2. Все операции чтения/записи кэшируются через высокоскоростную шину x-bus.
3. Диск четности может быть размещен на любом канале.
4. В микропроцессоре контроллера массива используется операционная система реального времени ориентированная на обработку процессов.
5. Система имеет хорошую масштабируемость: до 12 host-интерфейсов и до 48 дисков.
6. Операционная система контролирует коммуникационные каналы.
7. Используются стандартные SCSI диски, шины, материнские платы и модули памяти.
8. Используется высокоскоростная шина X-bus для работы с внутренней кеш памятью.
9. Процедура генерации четности интегрирована в кеш.
10. Диски, присоединенные к системе, могут быть задекларированы как отдельно стоящие.
11. 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.

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.