RAID-массивы: классификация, особенности, применение. RAID-массив

RAID-массив. Что это? Зачем? И как создать?

За долгие десятилетия развития компьютерной индустрии средства хранения информации для ЭВМ прошли серьезный эволюционный путь развития. Перфоленты и перфокарты, магнитные ленты и барабаны, магнитные, оптические и магнито-оптические диски, полупроводниковые накопители - это лишь короткий перечень уже опробованных технологий. Сейчас в лабораториях мира предпринимаются попытки создания голографических и квантовых накопителей, которые позволят многократно повысить плотность записи и надежность ее хранения.

Пока же наиболее распространенным средством хранения информации в персональном компьютере уже продолжительное время остаются жесткие диски. Иначе их могут называть НЖМД (накопители на жестких магнитных дисках), винчестерами, хард-дисками, но суть от изменения названия не меняется - это накопители с пакетом магнитных дисков в едином корпусе.

Первый жесткий диск, называвшийся IBM 350, был собран 10 января 1955 года в лаборатории американской компании IBM. При размере с хороший шкаф и весе в тонну этот винчестер вмещал пять мегабайт информации. С современной точки зрения подобный объем даже смешным назвать нельзя, однако во время массового использования перфокарт и магнитных лент с последовательным доступом это был колоссальный технологический прорыв.

Выгрузка первого жесткого диска IBM 350 с самолета

С того дня прошло меньше шести десятков лет, но сейчас никого не удивишь жестким диском весом меньше двухсот грамм, длиной десять сантиметров и объемом информации в пару терабайт. При этом принципиально технология записи, хранения и считывания данных ничем не отличается от применяемой в IBM 350 - те же магнитные пластины и скользящие над ними головки чтения/записи.

Эволюция винчестеров на фоне дюймовой линейки (фото из " Википедии " )

К сожалению, именно особенности этой технологии служат причиной возникновения двух основных проблем, которые связаны с использованием жестких дисков. Первой из них является слишком низкая скорость записи, чтения и передачи информации от диска к процессору. В современном компьютере именно винчестер является медленным устройством, зачастую определяющим производительность всей системы в целом.

Вторая проблема - недостаточная защищенность хранимой на жестком диске информации. При поломке винчестера вы можете безвозвратно утратить все данные, которые на нем хранились. И хорошо, если потери ограничатся утратой семейного фотоальбома (хотя и в этом хорошего на самом деле мало). Уничтожение же важной финансовой и маркетинговой информации может оказаться причиной краха бизнеса.

Отчасти помогает защитить хранимую информацию регулярное резервное копирование (бэкапирование) всех или только важных данных на винчестере. Но и в этом случае при его поломке будет потеряна та часть данных, которая была обновлена с момента последнего бэкапа.

К счастью, существуют методы, которые помогают устранить указанные выше недостатки традиционных жестких дисков. Одним из таких методов является создание RAID - массивов из нескольких винчестеров.

Что такое RAID

В Интернете и даже современной компьютерной литературе нередко можно встретить термин "RAID-массив", что фактически является тавтологией, так как аббревиатура RAID (redundant array of independent disks) уже расшифровывается как "избыточный массив независимых дисков".

В названии полностью раскрывается физический смысл таких массивов - это набор из двух и более жестких дисков. Совместная работа этих дисков управляется специальным контроллером. В результате работы контроллера такие массивы воспринимаются операционной системой как один жесткий диск и пользователь может не задумываться над нюансами управления работой каждого винчестера в отдельности.

Существует несколько основных типов RAID, каждый из которых по-разному влияет на суммарную надежность и скорость работы массива в сравнении с одиночными дисками. Обозначаются они условным номером от 0 до 6. Подобное обозначение с подробным описанием архитектуры и принципа работы массивов было предложено специалистами Калифорнийского университета в Беркли. Помимо основных семи типов RAID возможны и различные их сочетания. Рассмотрим их далее.

Это простейший тип массива жестких дисков, основным назначением которого является повышение производительности дисковой подсистемы компьютера. Достигается это путем разделения потоков записываемой (считываемой) информации на несколько подпотоков, которые одновременно пишутся (считываются) на несколько винчестеров. В результате суммарная скорость обмена информацией, например, для двухдисковых массивов возрастает на 30-50% по сравнению с одним жестким диском того же типа.

Общий объем RAID 0 равен сумме объемов включенных в него винчестеров. Разбиение информации выполняется на блоки данных фиксированной длины, независимо от длины записываемых файлов.

Основным достоинством RAID 0 является существенный прирост скорости обмена информацией между дисковой системой без потери полезного объема жестких дисков. Недостаток - снижение общей надежности системы хранения. При выходе из строя любого из дисков RAID 0 безвозвратно пропадает вся записанная в массиве информация.

Подобно рассмотренному выше, этот тип массивов также является самым простым в организации. Строится он на основе двух винчестеров, каждый из которых является точным (зеркальным) отражением другого. Информация параллельно записывается на оба диска в массиве. Чтение данных происходит одновременно с обоих дисков последовательными блоками (распараллеливание запросов), за счет чего достигается некоторое повышение скорости чтения по сравнению с одним жестким диском.

Общий объем RAID 1 равен объему меньшего из входящих в массив жестких дисков.

Достоинства RAID 1: высокая надежность хранения информации (данные невредимы, пока цел хотя бы один из входящих в массив дисков) и некоторый прирост скорости чтения. Недостаток - покупая два жестких диска, вы получаете полезный объем только одного. Несмотря на потерю половины полезного объема, "зеркальные" массивы достаточно популярны из-за высокой надежности и относительно малой стоимости - пара дисков все же дешевле, чем четыре или восемь.

При построении этих массивов используется алгоритм восстановления информации с помощью кодов Хэмминга (американский инженер, разработавший этот алгоритм в 1950 году для коррекции ошибок при работе электромеханических вычислителей). Для обеспечения работы этого RAID контроллером создаются две группы дисков - одна для хранения данных, вторая группа для хранения кодов коррекции ошибок.

Подобный тип RAID получил малое распространение в домашних системах из-за чрезмерной избыточности количества жестких дисков - так, в массиве из семи жестких дисков под данные будут отведены только четыре. При росте количества дисков избыточность снижается, что отражено в приведенной таблице.

Основным достоинством RAID 2 является возможность коррекции возникающих ошибок "на лету" без снижения скорости обмена данными между дисковым массивом и центральным процессором.

RAID 3 и RAID 4

Эти два типа дисковых массивов очень похожи по схеме построения. В обоих для хранения информации используется несколько жестких дисков, один из которых используется исключительно для размещения контрольных сумм. Для создания RAID 3 и RAID 4 достаточно трех винчестеров. В отличие от RAID 2 восстановление данных "на лету" невозможно - информация восстанавливается после замены вышедшего из строя жесткого диска в течение некоторого времени.

Разница между RAID 3 и RAID 4 заключается в уровне разбиения данных. В RAID 3 информация разбивается на отдельные байты, что приводит к серьезному замедлению при записи/считывании большого количества мелких файлов. В RAID 4 происходит разбиение данных на отдельные блоки, размер которых не превышает размер одного сектора на диске. В результате повышается скорость обработки небольших файлов, что критично для персональных компьютеров. По этой причине RAID 4 получил большее распространение.

Существенным недостатком рассматриваемых массивов является повышенная нагрузка на жесткий диск, предназначенный для хранения контрольных сумм, что существенно снижает его ресурс.

Дисковые массивы этого типа фактически являются развитием схемы RAID 3/RAID 4. Отличительной особенностью является то, что для хранения контрольных сумм не используется отдельный диск - они равномерно распределяются по всем жестким дискам массива. Результатом распределения стала возможность параллельной записи на несколько дисков сразу, что несколько повышает скорость обмена данными по сравнению с RAID 3 или RAID 4. Однако это повышение не столь существенно, так как тратятся дополнительные ресурсы системы на вычисление контрольных сумм операцией "исключающее или". В то же время скорость чтения возрастает значительно, так как возможно простое распараллеливание процесса.

Минимальное число жестких дисков для построения RAID 5 - три.

Массивы, построенные по схеме RAID 5, имеют весьма существенный недостаток. При выходе из строя любого диска после его замены необходимо несколько часов на полное восстановление информации. В это время неповрежденные жесткие диски массива работают в сверхинтенсивном режиме, что существенно повышает вероятность выхода из строя второго диска и полной потери информации. Хоть и редко, но подобное происходит. Кроме того, во время восстановления целостности RAID 5 массив почти полностью занят этим процессом и текущие операции записи/чтения выполняются с большими задержками. Если для большинства обычных пользователей это не критично, то в корпоративном секторе такие задержки могут привести к определенным финансовым потерям.

В значительной степени указанную выше проблему решает построение массивов по схеме RAID 6. В этих структурах под хранение контрольных сумм, которые также циклично и равномерно разносятся на разные диски, выделяется объем памяти, равный объему двух жестких дисков. Вместо одной вычисляются две контрольные суммы, что гарантирует целостность данных при одновременном выходе из строя сразу двух винчестеров в массиве.

Достоинства RAID 6 - высокая степень защищенности информации и меньшее, чем в RAID 5, падение производительности в процессе восстановления данных при замене поврежденного диска.

Недостаток RAID 6 - снижение общей скорости обмена данными примерно на 10% из-за увеличения объема необходимых вычислений контрольных сумм, а также из-за роста объема записываемой/считываемой информации.

Комбинированные типы RAID

Помимо рассмотренных выше основных типов широко применяются различные их комбинации, которые компенсируют те или иные недостатки простых RAID. В частности, широко распространено использование схем RAID 10 и RAID 0+1. В первом случае пару зеркальных массивов объединяют в RAID 0, во втором наоборот - два RAID 0, объединяют в зеркало. И в том и в другом случае к защищенности информации RAID 1 добавляется повышенная производительность RAID 0.

Нередко с целью повышения уровня защиты важной информации используются схемы построения RAID 51 или RAID 61 - зеркалирование и так высокозащищенных массивов обеспечивает исключительную сохранность данных при любых сбоях. Однако в домашних условиях такие массивы реализовывать нецелесообразно из-за чрезмерной избыточности.

Построение массива дисков - от теории к практике

Построением и управлением работой любого RAID занимается специализированный RAID-контроллер. К большому облегчению рядового пользователя персонального компьютера, в большинстве современных материнских плат эти контроллеры уже реализуются на уровне южного моста чипсета. Так что для построения массива жестких дисков достаточно озаботиться приобретением необходимого их количества и определения желаемого типа RAID в соответствующем разделе настройки BIOS. После этого в системе вместо нескольких жестких дисков вы увидите только один, который уже по желанию можно разбивать на разделы и логические диски. Учтите, что тем, кто еще пользуется ОС Windows XP, понадобится установить дополнительный драйвер.

Внешний RAID-контроллер c четырьмя портами SATA

Отметим, что интегрированные контроллеры, как правило, способны создать RAID 0, RAID 1 и их сочетания. Для создания более сложных массивов все же потребуется приобретение отдельного контроллера.

И напоследок еще один совет - для создания RAID приобретайте жесткие диски одинакового объема, одного производителя, одной модели и желательно из одной партии. Тогда они будут оснащены одинаковыми наборами логики и работа массива этих жестких дисков будет наиболее стабильной.

Теперь посмотрим какие есть виды и чем они отличаются.

Калифорнийский университет в Беркли представилследующие уровни спецификации RAID, которые были приняты как стандарт де-факто:

• RAID 0 - дисковый массив повышенной производительности с чередованием, без отказоустойчивости;
• - зеркальный дисковый массив;
• RAID 2 зарезервирован для массивов, которые применяют код Хемминга;
• RAID 3 и 4 - дисковые массивы с чередованием и выделенным диском чётности;
• - дисковый массив с чередованием и «невыделенным диском чётности»;
• - дисковый массив с чередованием, использующий две контрольные суммы, вычисляемые двумя независимыми способами;
• - массив RAID 0, построенный из массивов RAID 1;
• - массив RAID 0, построенный из массивов RAID 5;
• - массив RAID 0, построенный из массивов RAID 6.

Аппаратный RAID-контроллер может поддерживать несколько разных RAID-массивов одновременно, суммарное количество жёстких дисков которых не превышает количество разъёмов для них. При этом контроллер, встроенный в материнскую плату, в настройках BIOS имеет всего два состояния (включён или отключён), поэтому новый жёсткий диск, подключённый в незадействованный разъём контроллера при активированном режиме RAID, может игнорироваться системой, пока он не будет ассоциирован как ещё один RAID-массив типа JBOD (spanned), состоящий из одного диска.

RAID 0 (striping - «чередование» )

Режим, при использовании которого достигается максимальная производительность. Данные равномерно распределяются по дискам массива, дискиобъединяются в один, который может быть размечен на несколько. Распределенные операции чтения и записи позволяют значительно увеличить скорость работы, поскольку несколько дисков одновременно читают/записывают свою порцию данных. Пользователю доступен весь объем дисков, 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.

(mirroring - «зеркалирование» )

массив из двух дисков, являющихся полными копиями друг друга. Не следует путать с массивами RAID 1+0, RAID 0+1 и RAID 10, в которых используется более двух дисков и более сложные механизмы зеркалирования.

Обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения при распараллеливании запросов.

Имеет высокую надёжность - работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве. Вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна произведению вероятностей отказа каждого диска, т.е. значительно ниже вероятности выхода из строя отдельного диска. На практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры - вновь восстанавливать избыточность. Для этого с любым уровнем RAID (кроме нулевого) рекомендуют использовать диски горячего резерва.

Похожий на RAID10 вариант распределения данных по дискам, допускающий использование нечётного числа дисков (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.

Основным недостатком уровней RAID от 2-го до 4-го является невозможность производить параллельные операции записи, так как для хранения информации о чётности используется отдельный контрольный диск. RAID 5 не имеет этого недостатка. Блоки данных и контрольные суммы циклически записываются на все диски массива, нет асимметричности конфигурации дисков. Под контрольными суммами подразумевается результат операции XOR (исключающее или). Xor обладает особенностью, которая даёт возможность заменить любой операнд результатом, и, применив алгоритм xor , получить в результате недостающий операнд. Например: a xor b = c (где a , b , c - три диска рейд-массива), в случае если a откажет, мы можем получить его, поставив на его место c и проведя xor между c и b : c xor b = a. Это применимо вне зависимости от количества операндов: a xor b xor c xor d = e . Если отказывает c тогда e встаёт на его место и проведя xor в результате получаем c : a xor b xor e xor d = c . Этот метод по сути обеспечивает отказоустойчивость 5 версии. Для хранения результата xor требуется всего 1 диск, размер которого равен размеру любого другого диска в raid.

Достоинства

RAID5 получил широкое распространение, в первую очередь, благодаря своей экономичности. Объём дискового массива RAID5 рассчитывается по формуле (n-1)*hddsize, где n - число дисков в массиве, а hddsize - размер наименьшего диска. Например, для массива из четырех дисков по 80 гигабайт общий объём будет (4 - 1) * 80 = 240 гигабайт. На запись информации на том RAID 5 тратятся дополнительные ресурсы и падает производительность, так как требуются дополнительные вычисления и операции записи, зато при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких дисков массива могут обрабатываться параллельно.

Недостатки

Производительность RAID 5 заметно ниже, в особенности на операциях типа Random Write (записи в произвольном порядке), при которых производительность падает на 10-25% от производительности RAID 0 (или RAID 10), так как требует большего количества операций с дисками (каждая операция записи, за исключением так называемых full-stripe write-ов, сервера заменяется на контроллере RAID на четыре - две операции чтения и две операции записи). Недостатки RAID 5 проявляются при выходе из строя одного из дисков - весь том переходит в критический режим (degrade), все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко падает производительность. При этом уровень надежности снижается до надежности RAID-0 с соответствующим количеством дисков (то есть в n раз ниже надежности одиночного диска). Если до полного восстановления массива произойдет выход из строя, или возникнет невосстановимая ошибка чтения хотя бы на еще одном диске, то массив разрушается, и данные на нем восстановлению обычными методами не подлежат. Следует также принять во внимание, что процесс RAID Reconstruction (восстановления данных RAID за счет избыточности) после выхода из строя диска вызывает интенсивную нагрузку чтения с дисков на протяжении многих часов непрерывно, что может спровоцировать выход какого-либо из оставшихся дисков из строя в этот наименее защищенный период работы RAID, а также выявить ранее не обнаруженные сбои чтения в массивах cold data (данных, к которым не обращаются при обычной работе массива, архивные и малоактивные данные), что повышает риск сбоя при восстановлении данных.

Минимальное количество используемых дисков равно трём.

RAID 6 - похож на RAID 5, но имеет более высокую степень надёжности - под контрольные суммы выделяется ёмкость 2-х дисков, рассчитываются 2 суммы по разным алгоритмам. Требует более мощный RAID-контроллер. Обеспечивает работоспособность после одновременного выхода из строя двух дисков - защита от кратного отказа. Для организации массива требуется минимум 4 диска. Обычно использование RAID-6 вызывает примерно 10-15% падение производительности дисковой группы, относительно RAID 5, что вызвано большим объёмом обработки для контроллера (необходимость рассчитывать вторую контрольную сумму, а также читать и перезаписывать больше дисковых блоков при записи каждого блока).

RAID 0+1

Под RAID 0+1 может подразумеваться в основном два варианта:

• два RAID 0 объединяются в RAID 1;
• в массив объединяются три и более диска, и каждый блок данных записывается на два диска данного массива; таким образом, при таком подходе, как и в «чистом» RAID 1, полезный объём массива составляет половину от суммарного объёма всех дисков (если это диски одинаковой ёмкости).

RAID 10 (1+0)

RAID 10 - зеркалированный массив, данные в котором записываются последовательно на несколько дисков, как вRAID 0. Эта архитектура представляет собой массив типа RAID 0, сегментами которого вместо отдельных дисков являются массивы RAID 1. Соответственно, массив этого уровня должен содержать как минимум 4 диска (и всегда чётное количество). RAID 10 объединяет в себе высокую отказоустойчивость и производительность.

Утверждение, что RAID 10 является самым надёжным вариантом для хранения данных вполне обосновано тем, что массив будет выведен из строя после выхода из строя всех накопителей в одном и том же массиве. При одном вышедшем из строя накопителе, шанс выхода из строя второго в одном и том же массиве равен 1/3*100=33%. RAID 0+1 выйдет из строя при двух накопителях, вышедших из строя в разных массивах. Шанс выхода из строя накопителя в соседнем массиве равен 2/3*100=66%, однако так как накопитель в массиве с уже вышедшим из строя накопителем уже не используется, то шанс того, что следующий накопитель выведет из строя массив целиком равен 2/2*100=100%

массив, аналогичный RAID5, однако кроме распределенного хранения кодов четности используется распределение резервных областей - фактически задействуется жесткий диск, 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 жестких дисков, 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.

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 дисков, 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 приемлемой надёжностью.

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

Если вы 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 данной 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 высокую скорость 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).

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

Дисковод 0	Дисковод 1

Запись производиться 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, 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 - 2.

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 -4.

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.

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 -3.

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. 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. ложиться 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.

Гораздо больше возможностей дает аппаратная реализация RAID при помощи специальных RAID контроллеров:

• специализированный контроллер значительно разгружает центральный процессор от 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 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 контроллеров (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.

Сегодня мы поговорим о RAID-массивах . Разберемся, что это такое, зачем это нам надо, какое оно бывает и как все это великолепие использовать на практике.

Итак, по порядку: что такое RAID-массив или просто RAID ? Расшифровывается эта аббревиатура как "Redundant Array of Independent Disks" или "избыточный (резервный) массив независимых дисков". Говоря по-простому, RAID-массив это совокупность физических дисков, объединенных в один логический.

Обычно бывает наоборот - в системный блок установлен один физический диск, который мы разбиваем на несколько логических. Здесь обратная ситуация - несколько жестких дисков сначала объединяются в один, а потом операционной системой воспринимаются как один. Т.е. ОС свято уверена, что у нее физически только один диск.

RAID-массивы бывают аппаратные и программные.

Аппаратные RAID-массивы создаются до загрузки ОС посредством специальных утилит, зашитых в RAID-контроллер - нечто вроде BIOS. В результате создания такого RAID-массива уже на стадии инсталляции ОС, дистрибутив "видит" один диск.

Программные RAID-массивы создаются средствами ОС. Т.е. во время загрузки операционная система "понимает", что у нее несколько физических дисков и только после старта ОС, посредством программного обеспечения диски объединяются в массивы. Естественно сама операционная система располагается не на RAID-массиве , поскольку устанавливается до его создания.

"Зачем все это нужно?" - спросите Вы? Отвечаю: для повышения скорости чтения/записи данных и/или повышения отказоустойчивости и безопасности.

"Каким образом RAID-массив может увеличить скорость или обезопасить данные?" - для ответа на этот вопрос рассмотрим основные типы RAID-массивов , как они формируются и что это дает в результате.

RAID-0 . Называемый так же "Stripe" или "Лента". Два или более жестких дисков объединяются в один путем последовательного слияния и суммирования объемов. Т.е. если мы возьмем два диска объемом 500Гб и создадим из них RAID-0 , операционной системой это будет восприниматься как один диск объемом в терабайт. При этом скорость чтения/записи у этого массива будет вдвое больше, нежели у одного диска, поскольку, например, если база данных расположена таким образом физически на двух дисках, один пользователь может производить чтения данных с одного диска, а другой пользователь производить запись на другой диск одновременно. В то время как в случае расположения базы на одном диске, сам жесткий диск задачи чтения/записи разных пользователей будет выполнять последовательно. RAID-0 позволит выполнять чтение/запись параллельно. Как следствие - чем больше дисков в массиве RAID-0 , тем быстрее работает сам массив. Зависимость прямопропорциональная - скорость возрастается в N раз, где N - количество дисков в массиве.
У массива RAID-0 есть только один недостаток, который перекрывает все плюсы от его использования - полное отсутствие отказоустойчивости. В случае смерти одного из физических дисков массива, умирает весь массив. Есть старая шутка на эту тему: "Что обозначает "0" в названии RAID-0 ? - объем восстанавливаемой информации после смерти массива!"

RAID-1 . Называемый так же "Mirror" или "Зеркало". Два или более жестких дисков объединяются в один путем параллельного слияния. Т.е. если мы возьмем два диска объемом 500Гб и создадим из них RAID-1 , операционной системой это будет восприниматься как один диск объемом в 500Гб. При этом скорость чтения/записи у этого массива будет такая же, как у одного диска, поскольку, чтение/запись информации производятся на оба диска одновременно. RAID-1 не дает выигрыша в скорости, однако обеспечивает большую отказоустойчивость, поскольку в случае смерти одного из жестких дисков, всегда есть полный дубль информации, находящийся на втором диске. При этом необходимо помнить, что отказоустойчивость обеспечивается только от смерти одного из дисков массива. В случае если данные были удалены целенаправленно, то они удаляются со всех дисков массива одновременно!

RAID-5 . Более безопасный вариант RAID-0. Объем массива рассчитывается по формуле (N - 1) * DiskSize RAID-5 из трех дисков по 500Гб, мы получим массив объемом в 1 терабайт. Суть массива RAID-5 в том, что несколько дисков объединятся в RAID-0, а на последнем диске хранится так называемая "контрольная сумма" - служебная информация, предназначенная для восстановления одного из дисков массива, в случае его смерти. Скорость записи в массиве RAID-5 несколько ниже, поскольку тратится время на расчет и запись контрольной суммы на отдельный диск, зато скорость чтения такая же, как в RAID-0.
Если один из дисков массива RAID-5 умирает, резко падает скорость чтения/записи, поскольку все операции сопровождаются дополнительными манипуляциями. Фактически RAID-5 превращается в RAID-0 и если своевременно не позаботиться восстановлением RAID-массива есть существенный риск потерять данные полностью.
С массивом RAID-5 можно использовать так называемый Spare-диск, т.е. запасной. Во время стабильной работы RAID-массива этот диск простаивает и не используется. Однако в случае наступления критической ситуации, восстановление RAID-массива начинается автоматически - на запасной диск восстанавливается информация с поврежденного с помощью контрольных сумм, расположенных на отдельном диске.
RAID-5 создается как минимум из трех дисков и спасает от одиночных ошибок. В случае одновременного появления разных ошибок на разных дисках RAID-5 не спасает.

RAID-6 - является улучшенным вариантом RAID-5. Суть та же самая, только для контрольных сумм используется уже не один, а два диска, причем контрольные суммы считаются с помощью разных алгоритмов, что существенно повышает отказоустойчивость всего RAID-массива в целом. RAID-6 собирается минимум из четырех дисков. Формула расчета объема массива выглядит как (N - 2) * DiskSize , где N - количество дисков в массиве, а DiskSize - объем каждого диска. Т.е. при создании RAID-6 из пяти дисков по 500Гб, мы получим массив объемом в 1,5 терабайта.
Скорость записи RAID-6 ниже чем у RAID-5 примерно на 10-15%, что обусловлено дополнительными временными затратами на расчет и запись контрольных сумм.

RAID-10 - так же иногда называется RAID 0+1 или RAID 1+0 . Представляет собой симбиоз RAID-0 и RAID-1. Массив строится минимум из четырех дисков: на первом канале RAID-0, на втором RAID-0 для повышения скорости чтения/записи и между собой они в зеркале RAID-1 для повышения отказоустойчивости. Таким образом, RAID-10 совмещает в себе плюс первых двух вариантов - быстрый и отказоустойчивый.

RAID-50 - аналогично RAID-10 является симбиозом RAID-0 и RAID-5 - фактически строится RAID-5, только его составляющими элементами являются не самостоятельные жесткие диски, а массивы RAID-0. Таким образом, RAID-50 дает очень хорошую скорость чтения/записи и содержит устойчивость и надежность RAID-5.

RAID-60 - та же самая идея: фактически имеем RAID-6, собранный из нескольких массивов RAID-0.

Так же существуют другие комбинированные массивы RAID 5+1 и RAID 6+1 - они похожи на RAID-50 и RAID-60 с той лишь разницей, что базовыми элементами массива являются не ленты RAID-0, а зеркала RAID-1.

Как Вы сами понимаете комбинированные RAID-массивы: RAID-10 , RAID-50 , RAID-60 и варианты RAID X+1 являются прямыми наследниками базовых типов массивов RAID-0 , RAID-1 , RAID-5 и RAID-6 и служат только для повышения либо скорости чтения/записи, либо повышения отказоустойчивости, неся при этом в себе функционал базовых, родительских типов RAID-массивов .

Если перейти к практике и поговорить о применении тех или иных RAID-массивов в жизни, то логика довольно проста:

RAID-0 в чистом виде не используем вообще;

RAID-1 используем там, где не особо важна скорость чтения/записи, но важна отказоустойчивость - например на RAID-1 хорошо ставить операционные системы. В таком случае к дискам никто кроме ОС не обращается, скорости самих жестких дисков для работы вполне достаточно, отказоустойчивость обеспечена;

RAID-5 ставим там, где нужна скорость и отказоустойчивость, но не хватает денег на покупку большего количества жестких дисков или есть необходимость восстанавливать массивы в случае их повреждения, не прекращая работы - тут нам помогут запасные Spare-диски. Обычное применение RAID-5 - хранилища данных;

RAID-6 используется там, где просто страшно или есть реальная угроза смерти сразу нескольких дисков в массиве. На практике встречается достаточно редко, в основном у параноиков;

RAID-10 - используется там, где нужно чтобы работало быстро и надежно. Так же основным направлением для использования RAID-10 являются файловые серверы и серверы баз данных.

Опять же, если еще упростить, то приходим к выводу, что там где нет большой и объемной работы с файлами вполне достаточно RAID-1 - операционная система, AD, TS, почта, прокси и т.д. Там же, где требуется серьезная работа с файлами: RAID-5 или RAID-10 .

Идеальным решением для сервера баз данных представляется машина с шестью физическими дисками, два из которых объединены в зеркало RAID-1 и на нем установлена ОС, а оставшиеся четыре объединены в RAID-10 для быстрой и надежной работы с данными.

Если прочитав, все вышеизложенное Вы решили установить на своих серверах RAID-массивы , но не знаете, как это делать и с чего начать - обращайтесь к нам ! - мы поможем подобрать необходимое оборудование, а так же проведем инсталляционные работы по внедрению RAID-массивов .

В зависимости от выбранной спецификации RAID, могут быть повышены скорость чтения, записи и/или уровень защищенности от потери данных.

В работе с дисковыми подсистемами IT-специалисты часто сталкиваются с двумя основными проблемами.

• Первая – это низкая скорость чтения / записи, иногда даже скоростей SSD-диска бывает недостаточно.
• Вторая – выход дисков из строя, а значит и потеря данных, восстановление которых бывает невозможно.

Обе эти проблемы решаются с помощью технологии RAID (redundant array of independent disks - избыточный массив независимых дисков) – технологии виртуального хранения данных, объединяющей несколько физических дисков в один логический элемент.

В зависимости от выбранной спецификации RAID, могут быть повышены скорость чтения / записи и/или уровень защищенности от потери данных.

Существуют следующие уровни спецификации RAID: 1,2,3,4,5,6,0. Кроме того, существуют комбинации: 01,10,50,05,60,06. В этой статье рассмотрим самые распространенные типы RAID-Массивов. Но в начале скажем, что существуют аппаратные и программные RAID-массивы.

Аппаратные и программные RAID-массивы

• Программные массивы создаются уже после установки Операционной Системы средствами программных продуктов и утилит, что и является главным недостатком таких дисковых массивов.
• Аппаратные RAID’ы создают дисковый массив до установки Операционной системы и от неё не зависят.

RAID 1

RAID 1 (также называют «Mirror» – Зеркало) предполагает полное дублирование данных с одного физического диска на другой.

К недостаткам RAID 1 можно отнести то, что вы получаете в два раза меньше дискового пространства. Т.е. ели вы используете ДВА диска по 250 Гб, то система будет видеть всего ОДИН размером 250 Гб. Данный вид RAID не дает выигрыша в скорости, но значительно повышает уровень отказоустойчивости, ведь если один диск выйдет из строя, всегда есть его полная копия. Запись и стирание с дисков происходит одновременно. Если информация была намеренно удалена, то возможности восстановить её с другого диска уже не будет.

RAID 0

RAID 0 (также называют «Striping» – Чередование) предполагает разделение информации на блоки и одновременная запись разных блоков на разные диски.

Такая технология повышает скорость чтения/записи, позволяет пользователю использовать полный суммарный объем дисков, однако понижает отказоустойчивость, вернее сводит её на ноль. Так, в случае выхода из строя одного из дисков, восстановить информацию будет практически невозможно. Для сборки RAID 0 рекомендуется использовать исключительно высоконадежные диски.

RAID 5 можно назвать более усовершенствованным RAID 0 . Можно использовать от 3 жестких дисков. На все, кроме одного записывается рейд 0, а на последний специальная контрольная сумма, что позволяет сохранить информацию на винчестерах в случае «смерти» одного из них (но не более одного). Скорость работы такого массива высокая. На в случае замены диска потребуется много времени.

RAID 2, 3, 4

Это способы распределенного хранения информации с использованием дисков, выделенных под коды четности . Отличаются друг от друга только размерами блока. На практике практически не используются в связи с необходимостью отдавать большую долю дисковой емкости под хранение кодов ЕСС и/или четности, а также в связи с невысокой производительностью.

RAID 10

Является миксом RAID массивов 1 и 0. И объединяет в себе плюсы от каждого: высокая производительность и высокая отказоустойчивость.

Массив обязательно содержит четное количество дисков (минимум 4) и является самым надежным вариантом сохранения информации. Недостатком является высокая стоимость дискового массива: эффективная емкость составит половину от общей емкости дискового пространства.

Является миксом RAID массивов 5 и 0 . Строится RAID 5, но его составляющими будут не самостоятельные жесткие диски, а массивы RAID 0.

Особенности.

В случае, когда происходит поломка РЕЙД-контроллера, восстановить информацию практически невозможно (не относится к «Зеркалу»). Даже если купить точно такой же контроллер, высока вероятность, что RAID будет собран из других секторов диска, а значит информация на дисках будет потеряна.

Как правило, диски для закупают одной партией. Соответственно и срок работы у них может быть примерно одинаковый. На этот случай рекомендуется сразу, в момент закупки дисков для массива закупить некоторый избыток. Например, для настройки RAID 10 из 4 дисков – стоит купить 5 дисков. Так, в случае выхода из строя одного из них, вы сможете оперативно заменить его на новый до того, как «посыпятся» другие диски.

Выводы.

На практике чаще всего используют только три вида RAID-массивов. Это RAID 1, RAID 10 и RAID 5.

С точки зрения соотношения стоимость / производительность / отказоустойчивость рекомендуется использовать:

• RAID 1 (зеркалирование) для формирования дисковой подсистемы для пользовательских операционных систем.
• RAID 10 для данных, имеющих высокие требования к скорости записи и чтения. Например, для хранения баз 1С:Предприятие, почтового сервера, AD.
• RAID 5 используют для хранения файловых данных.

Идеальным серверным решением по мнению большинства системных администраторов является сервер с шестью дисками. Два диска «зеркалируют» и на RAID 1 устанавливается операционная система. Четыре оставшихся диска объединяют в RAID 10 для быстрой, безотказной, надежной работы системы.