4.2.3. Организация на дискови масиви (рейд)

Друг начин за увеличаване на производителността на дисковата памет беше изграждането на дискови масиви, въпреки че това е насочено не само (и не толкова) към постигане на по-висока производителност, но и по-голяма надеждност на дисковите устройства за съхранение.

RAID технология ( Излишен масив от независими дискове- излишен масив от независими дискове) е замислен като комбинация от няколко евтини твърди дисковев един масив от устройства за повишена производителност, капацитет и надеждност в сравнение с едно устройство. В този случай компютърът трябва да види такъв масив като един логически диск.

Ако просто комбинирате няколко диска в (не излишен) масив, тогава средното време между отказите (MTTF) ще бъде равно на MTEF на един диск, разделено на броя на дисковете. Тази цифра е твърде малка за приложения, които са критични за хардуерни повреди. Тя може да бъде подобрена чрез използване на излишък, реализиран по различни начини при съхраняване на информация.

В RAID системите, за подобряване на надеждността и производителността, се използват комбинации от три основни механизма, всеки от които е добре известен поотделно: - организиране на "огледални" дискове, т.е. пълно дублиране на съхранената информация; - броене на контролни кодове (паритет, кодове на Хеминг), позволяващи възстановяване на информация в случай на повреда; - разпределение на информацията между различни дискове на масива по същия начин, както се прави при преплитане на достъп до блокове памет (вижте преплитане), което увеличава възможността за паралелна работа на дискове по време на операции върху съхранена информация. Когато се описва RAID, тази техника се нарича "стрипирани дискове", което буквално означава "раирани дискове" или просто "раирани дискове".

Ориз. 43. Разделяне на дискове на редуващи се блокове - "ленти".

Първоначално бяха дефинирани пет типа дискови масиви, обозначени като RAID 1 - RAID 5, различаващи се по своите характеристики и производителност. Всеки от тези типове, поради определен излишък на записваната информация, осигурява повишена толерантност към грешки в сравнение с едно устройство. В допълнение, масив от дискове, който няма излишък, но позволява повишена производителност (поради разделяне на достъпите), често се нарича RAID 0.

Основните видове RAID масиви могат да бъдат описани накратко по следния начин.

RAID 0. Обикновено този тип масив се дефинира като група дискове с ивици без паритет и излишък на данни. Размерите на ивиците (ивиците или блоковете) могат да бъдат големи в среда с много потребители или малки в система с един потребител за последователен достъп до дълги записи.

Организацията на RAID 0 точно съответства на тази, показана на фиг. 43. Операциите за запис и четене могат да се извършват едновременно на всяко устройство. Минималният брой дискове за RAID 0 е два.

Този тип се характеризира с висока производителност и най-ефективно използване на дисковото пространство, но повредата на един от дисковете прави невъзможна работата с целия масив.

RAID 1. Този тип дисков масив (фиг. 44, А) е известен също като огледален диск и е просто чифт дискове, които дублират съхранени данни, но изглеждат на компютъра като един диск. И въпреки че ивицата не се извършва в рамките на една двойка огледални дискове, блоковата ивица може да бъде организирана за няколко RAID 1 масива, които заедно образуват един голям масив от няколко двойки огледални дискове. Този вариант на организация се нарича RAID 1 + 0. Има и обратен вариант.

Всички операции по запис се извършват едновременно на двата диска от огледална двойка, така че информацията в тях да е идентична. Но при четене всеки от дисковете в двойката може да работи независимо, което позволява две операции за четене да се извършват едновременно, като по този начин удвоява производителността на четене. В този смисъл RAID 1 осигурява най-добрата производителност от всички опции за дискови масиви.

RAID 2. В тези дискови масиви, блокове - сектори с данни са подредени от група дискове, някои от които се използват само за съхраняване на контролна информация - ECC (кодове за коригиране на грешки) кодове. Но тъй като всички съвременни устройства имат вграден ECC контрол, RAID 2 прави малко в сравнение с други видове RAID и сега се използва рядко.

RAID 3. Както в RAID 2, в този тип дисков масив (фиг. 44, b) блокове-сектори се вплитат в група дискове, но един от дисковете на групата е запазен за съхраняване на информация за паритет. В случай на повреда на устройството, възстановяването на данни се извършва въз основа на изчисляването на стойностите на функцията "изключително ИЛИ" (XOR) от данните, записани на останалите дискове. Записите обикновено заемат всички дискове (тъй като ивиците са къси), което увеличава общата скорост на трансфер на данни. Тъй като всяка I/O операция изисква достъп до всеки диск, RAID 3 масив може да обслужва само една заявка наведнъж. Следователно този тип осигурява най-добрата производителност за един потребител в среда с една задача с дълги записи. Когато работите с кратки записи, е необходима синхронизация на задвижващите шпиндели, за да се избегне влошаване на производителността. По своите характеристики RAID 3 се доближава до RAID 5 (виж по-долу).

RAID 4. Тази организация, показана на фиг. 35, V) е подобен на RAID 3, с единствената разлика, че използва големи блокове (ивици), така че записите да могат да се четат от всяко устройство в масива (с изключение на устройството, което съхранява паритетните кодове). Това ви позволява да комбинирате операции за четене на различни дискове. Операциите за запис винаги актуализират паритетния диск, така че не могат да бъдат обединени. Като цяло тази архитектура няма особени предимства пред другите RAID опции.

RAID 5. Този тип дисков масив е подобен на RAID 4, но кодовете за паритет не се съхраняват на специален диск, а в блокове, разположени последователно на всички дискове. Тази организация дори понякога се нарича масив с „въртящ се паритет“ (може да се отбележи известна аналогия с присвояването на прекъсващи линии за PCI шинни слотове или с цикличния приоритет на прекъсващия контролер в x86 линейни процесори). Това разпределение избягва ограничението на едновременните записи поради съхранението на паритетни кодове само на един диск, което е типично за RAID 4. На фиг. 44, Ж) показва масив, състоящ се от четири устройства, като за всеки три блока данни има един блок за паритет (тези блокове са защриховани), чието местоположение се променя за всяка тройка блокове данни, движейки се циклично през всичките четири устройства.

Операциите за четене могат да се извършват паралелно за всички дискове. Операциите за запис, които изискват две устройства (за данни и за паритет), обикновено също могат да се комбинират, тъй като кодовете за паритет се разпределят между всички устройства.

Сравнението на различни опции за организиране на дискови масиви показва следното.

RAID 0 е най-бързата и ефективна опция, но не осигурява толерантност към грешки. Изисква минимум 2 диска. Операциите за запис и четене могат да се извършват едновременно на всяко устройство.

Архитектурата RAID 1 е най-подходяща за приложения с висока производителност, висока надеждност, но и най-скъпа. Това е и единствената опция, която е устойчива на грешки, ако се използват само две устройства. Операциите за четене могат да се извършват едновременно за всяко устройство, операциите за запис винаги се дублират за огледална двойка устройства.

RAID 2 архитектурата се използва рядко.

RAID 3 дисков масив може да се използва за ускоряване на трансфера на данни и повишаване на устойчивостта на грешки в среда с един потребител с последователен достъп до дълги записи. Но не позволява комбиниране на операции и изисква синхронизиране на въртенето на задвижващите шпиндели. Необходими са поне три устройства: 2 за данни и едно за кодове за паритет.

Архитектурата RAID 4 не поддържа едновременни операции и няма предимства пред RAID 5.

RAID 5 е ефективен, устойчив на грешки и работи добре. Но производителността по време на запис и в случай на повреда на устройството е по-лоша от RAID 1. По-специално, тъй като блокът от кодове за паритет се отнася до целия блок, който се записва, тогава, ако се записва само част от него, първо трябва да прочетете предишния писмени данни, след това изчислете новите стойности на кодовете за паритет и едва след това запишете нови данни (и паритет). Операциите по възстановяване също отнемат повече време поради необходимостта от генериране на кодове за паритет. Този тип RAID изисква поне три диска.

В допълнение, на базата на най-често срещаните варианти на RAID: 0, 1 и 5, могат да се формират така наречените двустепенни архитектури, които съчетават принципите на организиране на различни видове масиви. Например няколко RAID масивМасивите от един и същи тип могат да бъдат комбинирани в една група от масиви от данни или в масив с паритет.

Благодарение на тази организация на две нива е възможно да се постигне необходимия баланс между повишаването на надеждността на съхранение на данни, характерно за масивите RAID 1 и RAID 5, и високата скорост на четене, присъща на разделянето на блокове върху дискове в масив RAID 0. Такива схеми на две нива понякога се наричат ​​RAID 0 + 1 или 10 и 0 + 5 или 50.

Работата на RAID масивите може да се контролира не само от хардуер, но и от софтуер, възможността за което е предвидена в някои сървърни версии на операционни системи. Въпреки че е ясно, че подобна реализация ще има значително по-лоши експлоатационни характеристики.

RAID (излишен масив от независими дискове)- излишен масив от независими дискове, т.е. комбиниране на физически твърди дискове в един логически за решаване на всякакви проблеми. Най-вероятно ще го използвате за устойчивост на грешки. Ако един от дисковете се повреди, системата ще продължи да работи. IN операционна системамасивът ще изглежда като обикновен HDD. RAID- масивите произхождат от сегмента на сървърните решения, но сега са широко използвани и вече се използват у дома. За управление на RAID се използва специален чип с интелигентност, който се нарича RAID контролер. Или е чипсета дънна платка, или отделна външна платка.

Видове RAID масиви

Хардуер- това е, когато специална микросхема контролира състоянието на масива. Чипът има собствен процесор и всички изчисления падат върху него, освобождавайки процесора на сървъра от ненужно натоварване.

програмае когато състоянието на масива се управлява специална програмав ОС. В този случай ще се създаде допълнително натоварване на процесора на сървъра. В крайна сметка всички изчисления падат върху него.

Невъзможно е да се каже недвусмислено кой тип нападение е по-добър. В случай на софтуерен рейд не е необходимо да купуваме скъп рейд контролер. Което обикновено струва от $250. (може да се намери за $70, но не бих рискувал данните) Но всички изчисления падат върху процесора на сървъра. Софтуер

изпълнението е много подходящо за нападения 0 и 1. Те ​​са доста прости и не изискват големи изчисления, за да работят. Следователно софтуерните нападения се използват по-често в решенията начално ниво. Хардуерният рейд използва в работата си рейд контролер. Raid контролерът има собствен процесор за изчисления и той е този, който извършва I / O операции.

RAID нива

Има ги достатъчно. Това са основните - 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и комбинираните - 10, 30, 50, 53 ... Ще разгледаме само най-популярните, които се използват в съвременното предприятие инфраструктура. Буквата D в диаграмите означава данни (данни) или блок данни.

RAID 0 (Striped Disk Array без отказоустойчивост)

Той е райе. Това е, когато две или повече физически устройства се обединяват в едно логическо устройство с цел консолидиране на пространство. Тоест вземаме два диска по 500 GB всеки, комбинираме ги в RAID 0 и в системата виждаме 1 HDD с капацитет 1 TB. Информацията се разпределя равномерно във всички raid дискове под формата на малки блокове (ленти).

Плюсове – висока производителност, лекота на внедряване.

Минуси - липса на отказоустойчивост. При използване на този raid надеждността на системата е наполовина (ако използваме два диска). В крайна сметка, ако поне един диск се повреди, губите всички данни.

RAID 1 (огледално копиране и двустранен печат)

Той е огледало. Това е, когато два или повече физически диска се комбинират в един логически диск, за да се увеличи устойчивостта на грешки. Информацията се записва едновременно на двата диска от масива, а при излизане на единия от тях информацията се съхранява на другия.

Професионалисти - висока скоростчетене/запис, лекота на изпълнение.

Минуси - висока резервираност. В случай на използване на 2 диска това е 100%.

RAID 1E

RAID 1E работи по следния начин: три физически диска се комбинират в масив, след което се създава логически том. Данните се разпределят между дисковете в блокове. Част от данни (лента), маркирана с **, е копие на предишната част *. В този случай всеки блок от огледалното копие се записва с отместване на един диск

Най-простото устойчиво на грешки решение за прилагане е RAID 1 (огледално копиране), огледално отражениедва диска. Високата наличност на данни се гарантира от наличието на две пълни копия. Такова излишък на структурата на масива се отразява на неговата цена - в крайна сметка полезният капацитет е половината от използвания. Тъй като RAID 1 е изграден върху два твърди диска, това очевидно не е достатъчно за модерни приложения, които изискват много дисково пространство. Поради такива изисквания обхватът на RAID 1 обикновено е ограничен до обеми на услуги (OS, SWAP, LOG), те се използват за настаняване на потребителски данни само в нискобюджетни решения.

RAID 1E е комбинация от разделяне на диск от RAID 0 и дублиране от RAID 1. Едновременно със записването на област с данни на едно устройство се създава копие на следващия дискмасив. Разликата от RAID 1 е, че броят на твърдите дискове може да бъде нечетен (минимум 3). Както при RAID 1, използваемият капацитет е 50% от общия капацитет на устройството на масива. Вярно е, че ако броят на дисковете е четен, за предпочитане е да използвате RAID 10, който при еднакво използване на капацитета се състои от две (или повече) "огледала". Ако едно от RAID 1E устройствата се повреди физически, контролерът превключва заявките за четене и запис към останалите устройства в масива.

Предимства:

• висока сигурност на данните;
• добро представяне.

недостатъци:

• както при RAID 1 се използва само 50% от дисковия капацитет на масива.

RAID 2

В масивите от този тип дисковете се делят на две групи – за данни и за кодове за корекция на грешки, като ако данните се съхраняват на дискове, то дисковете са необходими за съхраняване на кодове за корекция. Данните се записват на съответните дискове по същия начин, както в RAID 0, те се разделят на малки блокове според броя на дисковете, предназначени за съхранение на информация. Останалите дискове съхраняват кодове за коригиране на грешки, според които в случай на повреда на твърдия диск е възможно възстановяване на информация. Методът на Hamming отдавна се използва в ECC паметта и ви позволява да коригирате единични грешки и да откривате двойни грешки в движение.

Недостатъкът на RAID 2 масив е, че той изисква структура от почти двоен брой дискове, за да функционира, така че този тип масив не е придобил популярност.

RAID 3

В RAID 3 масив от дискове данните се разделят на части, по-малки от сектор (разделен на байтове) или блок и се разпределят между дисковете. Друг диск се използва за съхраняване на блокове за паритет. В RAID 2 за тази цел беше използван диск, но по-голямата част от информацията на контролните дискове беше използвана за коригиране на грешки в движение, докато повечето потребители се задоволяват с просто възстановяване на информация в случай на повреда на диска, за която има достатъчно информация, която се побира на един специален твърд диск.

Разлики между RAID 3 и RAID 2: невъзможността за коригиране на грешки в движение и по-малко излишък.

Предимства:

• висока скорост на четене и запис на данни;
• Минималният брой дискове за създаване на масив е три.

недостатъци:

• масив от този тип е добър само за еднозадачна работа с големи файлове, тъй като времето за достъп до отделен сектор, разделен на дискове, е равно на максимума от интервалите за достъп до секторите на всеки от дисковете. За малки размери на блокове времето за достъп е много по-дълго от времето за четене.
• голямо натоварване контролен диск, и в резултат на това неговата надеждност пада значително в сравнение с дисковете, които съхраняват данни.

RAID 4

RAID 4 е подобен на RAID 3, но се различава по това, че данните се разделят на блокове, а не на байтове. По този начин беше възможно частично да се „спечели“ проблемът с ниската скорост на пренос на данни с малко количество. Записите са бавни поради факта, че паритетът за блок се генерира по време на запис и се записва на един диск. От широко разпространените системи за съхранение RAID-4 се използва в устройства за съхранение на NetApp (NetApp FAS), където недостатъците му са успешно отстранени чрез работа на дискове в специално отношениегрупов запис, определен от вътр файлова система WAFL.

RAID 5 (независими дискове с данни с разпределени паритетни блокове)

Най-популярният тип raid масив, като цяло, поради рентабилността на използването на носители за съхранение. Блоковете данни и контролните суми се записват циклично на всички устройства в масива. Ако един от дисковете се повреди, производителността ще бъде значително намалена, тъй като ще трябва да се извършат допълнителни манипулации, за да функционира масивът. Самият raid има доста добра скорост на четене / запис, но е малко по-нисък от RAID 1. Имате нужда от поне три диска, за да организирате RAID 5.

Плюсове - икономично използване на медиите, добра скорост на четене / запис. Разликата в производителността в сравнение с RAID 1 не е толкова забележима, колкото икономията на дисково пространство. В случай на използване на три HDD, излишъкът е само 33%.

Минуси - сложно възстановяване и внедряване на данни.

RAID 5E

RAID 5E работи така. Масивът се сглобява от четири физически диска и в него се създава логически диск. Разпределеният резервен диск е свободно пространство. Данните се разпределят между устройства, създавайки блокове на логически диск. Контролните суми също се разпределят между дисковете на масива и се записват с изместване от диск към диск, както в RAID 5. Резервният твърд диск остава празен.

"Класическият" RAID 5 се счита за стандарт за отказоустойчивост на дисковите подсистеми в продължение на много години. Той използва разпределение на данни (стрипинг) върху HDD на масива, като за всяка от частите (стрийп), дефинирани в него, се изчисляват и записват контролни суми (четност, паритет). Съответно скоростта на запис се намалява поради постоянното преизчисляване на COP с пристигането на нови данни. За да се повиши производителността, записите на CS се разпределят във всички масиви, преплитащи се с данни. CS съхранението консумира капацитета на един носител, така че RAID 5 използва един диск по-малко от общия брой дискове в масива. RAID 5 изисква минимум три (и максимум 16) твърди диска, а ефективността на използване на дисковото пространство варира от 67% до 94% в зависимост от броя на дисковете. Очевидно това е повече от RAID 1, който използва 50% от наличния капацитет.

Малките разходи за внедряване на резервиране на RAID 5 водят до доста сложно внедряване и дълъг процес на възстановяване на данни. Изчисляването на контролни суми и адреси се възлага на хардуерен RAID контролер с високи изисквания към неговия процесор, логика и кеш памет. Производителността на RAID 5 масив в неговото влошено състояние е изключително лоша, а времето за възстановяване се измерва в часове. В резултат на това проблемът с непълноценността на масива се изостря от риска от повторна повреда на един от дисковете преди момента на възстановяване на RAID. Това води до унищожаване на обема от данни.

Често срещан подход е да се включи специален горещ резервен диск (горещ резерв) в RAID 5, за да се намали времето за престой, за да се замени физически повреден диск. След като едно от устройствата в оригиналния масив се повреди, контролерът включва резервното устройство в масива и започва процеса на възстановяване на RAID. Важно е да се изясни, че преди тази първа повреда резервното устройство работи на празен ход, може да не участва в работата на масива с години и може да не бъде проверявано за повърхностни грешки. Както и този, който по-късно ще бъде подложен на гаранционна подмяна вместо неуспешния, поставен в кошницата на диска и назначен като резервен. Голяма изненада може да бъде неработоспособността му, а тя се оказва в най-неподходящия момент.

RAID 5E е RAID 5 с постоянен hot-spare диск, включен в масива, чийто капацитет се добавя поравно към всеки елемент от масива. RAID 5E изисква минимум четири твърди диска. Подобно на RAID 5, данните и контролните суми са разпръснати по дисковете в масива. Използването на полезния капацитет на RAID 5E е малко по-ниско, но производителността е по-висока от тази на RAID 5 с горещо резервиране.

Капацитетът на логически том RAID 5E е по-малък от общия капацитет с капацитета на два носителя (капацитетът на единия е за контролни суми, а вторият е за горещо резервиране). Но четене и писане за четирима физически устройства RAID 5E е по-бърз от операциите с три физически диска RAID 5 с класически hot-spare (докато четвъртият, hot-spare, не участва в работата). Резервният диск в RAID 5E е пълноправен постоянен член на масива. Не може да бъде назначен като резервен на два различни масива ("слуга на двама господари" - както е разрешено в RAID 5).

Ако едно от физическите устройства се повреди, данните от повреденото устройство се възстановяват. Масивът се компресира и разпределеният резерв става част от масива. Логическият диск остава на RAID 5E. След смяна на повреден диск с нов, данни логическо устройстворазгънете навътре първоначалното състояниеСхеми за разпределение на HDD. Когато използвате логически диск RAID 5E в схеми на клъстери за преодоляване на отказ, той няма да изпълнява функциите си по време на компресия-декомпресия на данни.

Предимства:

• висока сигурност на данните;
• използваемият капацитет е по-висок от RAID 1 или RAID 1E;
• по-добра производителност от RAID 5.

недостатъци:

• производителността е по-ниска от RAID 1E;
• не може да споделя резервно устройство с други масиви.

RAID 5EE

Забележка: Не се поддържа от всички контролери. RAID level-5EE е подобен на масив RAID-5E, но с по-ефективно използване на резервното устройство и по-бързо време за възстановяване. Подобно на RAID ниво-5E, това RAID ниво създава редове с данни и контролни суми във всички устройства в масива. Масивът RAID-5EE има подобрена сигурност и производителност. Когато използвате RAID ниво-5E, капацитетът на логически том е ограничен до капацитета на два физически твърди диска в масива (един за контрол, един за архивиране). Резервното устройство е част от RAID ниво-5EE масив. Въпреки това, за разлика от RAID ниво-5E, което използва несподелено свободно пространство за резервния диск, RAID ниво-5EE има блокове за контролна сума, вмъкнати в резервния диск, както е показано в следващия пример. Това ви позволява бързо да възстановите данните в случай на повреда на физическия диск. С тази конфигурация няма да можете да го използвате с други масиви. Ако имате нужда от резервно устройство за друг масив, трябва да имате друг резервен твърд диск. RAID ниво-5E изисква минимум четири диска и, в зависимост от нивото на фърмуера и техния капацитет, поддържа от 8 до 16 диска. RAID level-5E има специфичен фърмуер. Забележка: За RAID ниво-5EE можете да използвате само един логически том на масив.

Предимства:

• 100% защита на данните
• Голям физически дисков капацитет в сравнение с RAID-1 или RAID-1E
• По-голяма производителност от RAID-5
• По-бързо RAID възстановяване от RAID-5E

недостатъци:

• По-ниска производителност от RAID-1 или RAID-1E
• Поддръжка само на един логически том на масив
• невъзможност споделянерезервно устройство с други масиви
• Не се поддържат всички контролери

RAID 6

RAID 6 - подобен на RAID 5, но има по-висока степен на надеждност - капацитетът на 2 диска се разпределя за контролни суми, 2 суми се изчисляват с помощта на различни алгоритми. Изисква по-мощен RAID контролер. Осигурява работоспособност след едновременен отказ на два диска - защита срещу многократен отказ. За организиране на масив са необходими минимум 4 диска. Обикновено използването на RAID-6 причинява около 10-15% спад в производителността на дисковата група в сравнение с RAID-5, което се дължи на голямо количество обработка за контролера (необходимостта от изчисляване на втора контролна сума, както и четене и презаписвайте повече дискови блокове при всяко записване).блок).

RAID 7

RAID 7 е регистрирана търговска марка на Storage Computer Corporation и не е отделно RAID ниво. Структурата на масива е следната: данните се съхраняват на дискове, един диск се използва за съхраняване на блокове за паритет. Записите на дискове се кешират с помощта на оперативна памет, самият масив изисква задължително UPS; в случай на прекъсване на захранването, данните се повреждат.

RAID 10 или RAID 1+0 (много висока надеждност с висока производителност)

Комбинация от огледален рейд и раиран дисков рейд. При този тип рейдове дисковете се комбинират по двойки в огледални рейдове (RAID 1) и след това всички тези огледални двойки се комбинират в раиран масив (RAID 0). Само четен брой дискове могат да бъдат комбинирани в рейд, минимум - 4, максимум - 16. От RAID 1 наследяваме надеждността, от RAID 0 - скоростта.

Плюсове – висока устойчивост на грешки и производителност

Против - висока цена

RAID 50 или RAID 5+0 (Високи I/O скорости и производителност на трансфер на данни)

Също така е RAID 50, това е комбинация от RAID 5 и RAID 0. Масивът съчетава висока производителност и устойчивост на грешки.

Плюсове - висока устойчивост на грешки, скорост на трансфер на данни и изпълнение на заявки

Против - висока цена

RAID 60

RAID ниво 60 съчетава характеристиките на нива 6 и 0. RAID 60 съчетава директно разделяне на блокове в RAID 0 с разпределен двоен паритет в RAID 6, а именно: RAID 0 масив се разпределя между RAID 6 елементи. RAID 60 виртуален дискможе да преживее загубата на два твърди диска във всеки от комплектите RAID 6 без загуба на данни. Той е най-ефективен с данни, нуждае се от висока надеждност, високо исканескорости, висок трансфер на данни и среден до голям капацитет. Минималният брой дискове е 8.

Линеен RAID

Линейният RAID е просто групиране на дискове, което създава голям виртуален диск. При линейния RAID блоковете се разпределят първо на един диск, включен в масива, след това, ако този е пълен, на друг и т.н. Такава консолидация не дава увеличение на производителността, тъй като най-вероятно I / O операциите няма да бъдат разпределени между дисковете. Линейният RAID също не съдържа излишък и всъщност увеличава шанса за повреда - ако само едно устройство се повреди, целият масив ще се повреди. Капацитетът на масива е равен на общия капацитет на всички дискове.

Основният извод, който може да се направи е, че всяко ниво на нападението има своите плюсове и минуси.

По-важното е, че заключението е, че атаката не гарантира целостта на вашите данни. Тоест, ако някой изтрие файла или той е повреден от някакъв процес, нападението няма да ни помогне. Следователно нападението не ни освобождава от необходимостта да правим резервни копия. Но помага, когато има проблеми с дисковете на физическо ниво.

RAID- съкращение, което означава Redundant Array of Independent Disks - „масив от независими дискове, устойчив на грешки“ (преди това думата Евтини понякога се използваше вместо Независими). Концепцията за структура, състояща се от няколко диска, групирани заедно, за да осигурят устойчивост на грешки, се ражда през 1987 г. в основополагащата работа на Патерсън, Гибсън и Кац.

Родни типове RAID

RAID-0
Ако смятаме, че RAID е "толерантност към грешки" (Излишно ...), тогава RAID-0 е "нулева толерантност към грешки", нейното отсъствие. Структурата RAID-0 е "дисков масив с ивици". Блоковете с данни се записват един по един на всички дискове, включени в масива, по ред. Това подобрява производителността, в идеалния случай с толкова, колкото е броят на дисковете в масива, тъй като записите са паралелни на множество устройства.
Надеждността обаче се намалява със същия фактор, тъй като данните ще бъдат загубени, ако някое от устройствата в масива се повреди.

RAID-1
Това е така нареченото "огледало". Операциите по запис се извършват на два диска паралелно. Надеждността на такъв масив е по-висока от тази на едно устройство, но увеличението на производителността е незначително (или изобщо не).

RAID-10
Опит да се съчетаят предимствата на двата вида RAID и да се лишат от присъщите им недостатъци. Ако вземем RAID-0 група с повишена производителност, и да дадем на всеки от тях (или на целия масив) „огледални“ дискове, за да защитим данните от загуба поради повреда, ще получим устойчив на грешки масив с повишена производителност в резултат на стрипинг.
Това е един от най-популярните видове RAID в дивата природа днес.
Минуси - плащаме всички гореизброени предимства с половината от общия капацитет на дисковете, включени в масива.

RAID-2
Остана изцяло на теория. Това е масив, в който данните са кодирани с код на Hamming за коригиране на грешки, което прави възможно възстановяването на отделни дефектни фрагменти поради своята излишност. Между другото, различни модификации на кода на Хеминг, както и неговите наследници, се използват в процеса на четене на данни от магнитните глави на твърди дискове и оптични CD / DVD четци.

RAID 3 и 4
„Креативно развитие“ на идеята за защита на данните чрез излишен код. Кодът на Хеминг е незаменим в случай на "постоянно ненадежден" поток, наситен с непрекъснати лошо предвидими грешки, като например шумни излъчващ каналвръзки. В случая с твърдите дискове обаче основният проблем не са грешките при четене (предполагаме, че данните се издават твърди дисковевъв формата, в която сме ги записали, ако работи), и в отказ на целия диск.
За такива условия можете да комбинирате схема с ивици (RAID-0) и, за да се предпазите от повреда на един от дисковете, да допълните записваната информация с излишък, което ще ви позволи да възстановите данните, ако част от тях е загубена , разпределяне допълнителен диск.
Ако някой от дисковете с данни бъде загубен, ние можем да възстановим данните, съхранени на него, чрез прости математически операции с резервни данни; в случай на повреда на диск с резервни данни, все още имаме данни, прочетени от RAID-0 дисков масив.
Вариантите на RAID-3 и RAID-4 се различават по това, че в първия случай отделните байтове се подреждат, а във втория - групи от байтове, „блокове“.
Основният недостатък на тези две схеми е изключително ниската скорост на запис в масива, тъй като всяка операция на запис предизвиква актуализация на „контролната сума“, резервен блок за записаната информация. Очевидно, въпреки ивичната структура, производителността на RAID-3 и RAID-4 масива е ограничена от производителността на един диск, този, на който се намира „блокът за излишък“.

RAID-5
Опитът да се заобиколи това ограничение доведе до следващия тип RAID, който в момента е най-широко използваният, заедно с RAID-10. Ако записването на „блок за излишък“ на диск ограничава целия масив, нека го разпространим и по дисковете на масива, направете неразпределен диск за тази информация, като по този начин операциите за актуализиране на излишък ще бъдат разпределени по всички дискове на масива. Тоест, както в случая на RAID-3 (4), ние вземаме дискове за съхранение на N информация в размер на N + 1 диск, но за разлика от Тип 3 и 4, този диск се използва и за съхраняване на данни, смесени с излишни данни , както и останалите Н.
недостатъци? И какво без тях. Проблемът с бавния запис беше частично решен, но все още не напълно. Записването в RAID-5 масив обаче е по-бавно от записването в RAID-10 масив. Но RAID-5 е по-рентабилен. За RAID-10 плащаме точно половината от дисковете за устойчивост на грешки, а в случая на RAID-5 това е само един диск.

Скоростта на запис обаче намалява пропорционално на увеличаването на броя на дисковете в масива (за разлика от RAID-0, където само расте). Това се дължи на факта, че при писане на блок от данни, масивът трябва да преизчисли блока за излишък, за което чете останалите „хоризонтални“ блокове и преизчислява блока за излишък в съответствие с техните данни. Тоест, за една операция за запис, масив от 8 диска (7 диска с данни + 1 допълнителен) ще направи 6 четения на кеша (останалите блокове данни от всички дискове за изчисляване на блока за излишък), изчислете блока за излишък от тези блокове , и направете 2 записа (записване на блок от данни за запис и презаписване на блок с излишък). IN модерни системиЧастично остротата се премахва поради кеширане, но въпреки това удължаването на групата RAID-5, въпреки че причинява пропорционално увеличение на скоростта на четене, но също така и съответно намаляване на скоростта на запис.
Ситуацията с намаляването на производителността при запис в RAID-5 понякога поражда любопитен екстремизъм, например http://www.baarf.com/ ;)

Въпреки това, тъй като RAID-5 е най-ефективната RAID структура по отношение на потреблението на диск на мегабайт, той се използва широко, когато намаляването на скоростта на запис не е критичен параметър, например за дългосрочно съхранениеданни или за данни, които са предимно четими.
Отделно трябва да се спомене, че разширяването на дисков масив RAID-5 чрез добавяне на допълнителен диск води до пълно преизчисляване на целия RAID, което може да отнеме часове, а в някои случаи и дни, през които производителността на масива пада катастрофално.

RAID-6
По-нататъшно развитие на идеята RAID-5. Ако изчислим допълнителния излишък според закон, различен от този, използван в RAID-5, тогава ще можем да поддържаме достъп до данни, ако два диска в масива се повредят.
Цената за това е допълнителен диск за данните от втория „редундантен блок“. Тоест, за да съхраняваме данни, равни на обема на N диска, ще трябва да вземем дискове N + 2. „Математиката“ на изчисляване на излишните блокове става по-сложна, което води до още по-голямо намаляване на скоростта на запис в сравнение с RAID-5 , но надеждността се увеличава. А в някои случаи дори надвишава нивото на надеждност на RAID-10. Лесно е да се види, че RAID-10 също издържа на повреда на два диска в масив, обаче, ако тези дискове принадлежат към един и същ „огледален“ или различни, но не и два огледални диска. И вероятността от точно такава ситуация не може да бъде отхвърлена.

По-нататъшно увеличаване на броя на типовете RAID възниква поради „хибридизация“, така че има RAID-0 + 1, който вече се счита за RAID-10, или всички видове химерични RAID-51 и т.н.
За щастие, те не се срещат в дивата природа, обикновено остават „сън на ума“ (е, с изключение на RAID-10, вече описан по-горе).

Кратък преглед на RAID технологията

Този документ описва основните елементи на RAID технологията и предоставя кратък преглед на различните нива на RAID.

• RAID 2, 3

  RAID 4, 5

  Таблица: Предимства и недостатъци на основните RAID нива

RAIDе акроним за Излишен масив от независими дискове.

Дисковият масив е колекция от дискови устройства, които работят заедно, за да увеличат скоростта и надеждността на I/O система. Този набор от устройства се управлява от специален RAID контролер ( масивен контролер), който капсулира функциите за поставяне на данни в масив; и за останалата част от системата ви позволява да представите целия масив като едно логическо I/O устройство. Чрез извършване на четене и запис на множество устройства паралелно, масивът осигурява по-бързи скорости на трансфер от едно голямо устройство.

Масивите могат също така да осигурят излишно съхранение на данни, така че данните да не бъдат загубени, ако едно от устройствата се повреди. В зависимост от нивото на RAID се извършва дублиране или разпределение на данни между дискове.

RAID нива

Всяко от четирите основни нива на RAID използва уникален метод за запис на данни на дискове и следователно всяко ниво предоставя различни предимства. RAID нива 1,3 и 5 осигуряват дублиране или съхранение на битове за паритет; и следователно ви позволяват да възстановите информация в случай на повреда на един от дисковете.

RAID ниво 0

RAID 0 е известен също като разделяне на данни ( ивици на данни). С използването на тази технология информацията се разделя на части (фиксирани количества данни, обикновено наричани блокове); и тези части се записват на дискове и се четат от тях паралелно. По отношение на производителността това означава две основни предимства:

се издига пропускателна способностсериен I/O чрез едновременно зареждане на множество интерфейси.

забавянето на произволен достъп е намалено; множество заявки към различни малки сегменти от информация могат да бъдат изпълнени едновременно.

недостатък: RAID 0 е само за целите на производителността и не осигурява излишък на данни. Следователно всички повреди на диска ще изискват възстановяване на информация от архивен носител.

ориз. 1. Схема на работа на масива и разпределение на данни по дискове за RAID 0. Забележка: сегментса 2 дискови блока от 512 байта.

RAID ниво 1

Технологията RAID 1 е известна още като дублиране ( дублиране на диска). В този случай копия на всяка част от информацията се съхраняват на отделен диск; или обикновено всеки (използван) диск има "близнак", който съхранява точно копиетози диск. Ако един от основните дискове се повреди, този се заменя с неговия "двойник". Производителността на произволно четене може да се подобри, ако един от „близнаците“, чиято глава е разположена по-близо до необходимия блок, се използва за четене на информация.

Времето за запис може да бъде още няколкоотколкото за един диск, в зависимост от стратегията за запис: записът на два диска може да се извърши или паралелно (за скорост), или строго последователно (за надеждност).

RAID 1 е много подходящ за приложения, които изискват висока надеждност, ниска латентност при четене и където не се изисква минимизиране на разходите. RAID 1 осигурява излишно съхранение на информация, но във всеки случай трябва да поддържате резервно копие на данните, т.к. Това единствения начинвъзстановяване случайно изтрити файловеили директории.

ориз. 2. Разпределение на данни между дискове за RAID 1.

RAID нива 2 и 3

Технологията на RAID нива 2 и 3 осигурява паралелна ("в унисон") работа на всички дискове. Тази архитектура изисква съхранение на паритетни битове за всяка част от информацията, разпределена между дискове. RAID 3 се различава от RAID 2 само по това, че RAID 2 използва множество дискове за съхраняване на паритетни битове, докато RAID 3 използва само един. RAID 2 се използва рядко.

Ако един диск с данни се повреди, системата може да възстанови съдържанието му от съдържанието на другите дискове с данни и паритетния диск.

Производителността в този случай е много висока за големи обеми информация, но може да бъде доста скромна за малки обеми, тъй като припокриващото се четене на няколко малки сегмента информация е невъзможно.

ориз. 3. Разпределение на данни между дискове за RAID 3.

RAID нива 4 и 5

RAID 4 коригира някои от недостатъците на RAID 3, като използва големи части от информация, които са разпръснати във всички устройства, с изключение на устройството за паритет. В този случай за малки количества информация се използва само дискът, на който се намира необходимата информация. Това означава, че множество заявки за четене могат да бъдат изпълнени едновременно. Заявките за запис обаче генерират ключалки при запис на информация за паритет. RAID 4 се използва рядко.

RAID 5 е много подобен на RAID 4, но премахва блокирането, свързано с него. Разликата е, че информацията за паритет се разпределя между всички дискове в масива. В този случай са възможни едновременно операции за четене и запис.

Тази технология е много подходяща за приложения, които работят с малки количества данни, като например системи за обработка на транзакции.

ориз. 4. Разпределение на данни на дискове за RAID 5.

Предимства и недостатъци на основните RAID нива

© Андрей Егоров, 2005, 2006. Група компании ТИМ.

Посетителите на форума ни задават въпроса: "Кое е най-надеждното ниво на RAID?" Всеки знае, че RAID5 е най-разпространеното ниво, но в никакъв случай не е лишено от сериозни недостатъци, които не са очевидни за неспециалисти.

RAID 0, RAID 1, RAID 5, RAID6, RAID 10 или какви са нивата на RAID?

В моята статия ще се опитам да характеризирам най-популярните нива на RAID и след това да формулирам препоръки за използването на тези нива. За да илюстрирам тази статия, създадох диаграма, която поставя тези нива в триизмерно пространство на надеждност, производителност и ефективност на разходите.

JBOD(Just a Bunch of Disks) е просто обхващане на твърди дискове, което формално не е RAID ниво. JBOD том може да бъде масив от един диск или комбинация от множество дискове. RAID контролерът не трябва да извършва никакви изчисления, за да работи с такъв обем. В нашата диаграма JBOD служи като "обикновена" или отправна точка - неговата надеждност, производителност и ценови стойности са същите като тези на един диск. харддиск.

RAID 0(“Striping”) няма излишък и разпределя информацията наведнъж във всички дискове, включени в масива, под формата на малки блокове (“stripes”). Това значително подобрява производителността, но страда от надеждността. Както в случая с JBOD, за нашите пари получаваме 100% от капацитета на диска.

Нека обясня защо надеждността на съхранението на данни на всеки съставен том намалява - тъй като ако някой от твърдите дискове, включени в него, се повреди, цялата информация се губи напълно и безвъзвратно. В съответствие с теорията на вероятностите, математически надеждността на RAID0 том е равна на произведението на надеждността на съставните му дискове, всеки от които е по-малък от един, така че общата надеждност е очевидно по-ниска от надеждността на всеки диск .

Добро ниво - RAID 1(„Огледално копиране“, „огледало“). Има защита срещу повреда на половината от наличния хардуер (в общия случай един от двата твърди диска), осигурява приемлива скорост на запис и увеличаване на скоростта на четене поради паралелизиране на заявки. Недостатъкът е, че трябва да платите цената на два твърди диска, получавайки използваемия капацитет на един твърд диск.

Първоначално се предполага, че HDD- надеждно нещо. Съответно, вероятността от повреда на два диска наведнъж е равна (според формулата) на произведението на вероятностите, т.е. порядъци по-ниски! За съжаление реалният живот не е теория! Два твърди диска са взети от една и съща партида и работят при едни и същи условия и ако един от дисковете се повреди, натоварването на останалия се увеличава, следователно на практика, ако един от дисковете се повреди, трябва да се вземат спешни мерки - за възстановяване на съкращенията отново. За да направите това, с всяко ниво на RAID (с изключение на нула), се препоръчва да използвате горещи резервни дискове hotspare. Предимството на този подход е поддържането на постоянна надеждност. Недостатъкът е още по-високите разходи (т.е. цената на 3 твърди диска за съхранение на обема на един диск).

Mirror на много дискове е ниво RAID 10. Когато използвате това ниво, огледалните двойки дискове се подреждат във "верига", така че обемът на резултантния том може да надвишава капацитета на единичен твърд диск. Предимствата и недостатъците са същите като при ниво RAID1. Както и в други случаи, препоръчително е да включите горещи резервни части HotSpare в масива в размер на една резервна за пет работници.

RAID 5, наистина, най-популярното от нивата - главно поради своята икономичност. Жертвайки в името на излишъка капацитета само на един диск от масива, получаваме защита срещу повреда на някой от твърдите дискове на тома. Допълнителни ресурси се изразходват за запис на информация в RAID5 том, тъй като са необходими допълнителни изчисления, но при четене (в сравнение с отделен твърд диск) има печалба, тъй като потоците от данни от няколко масива са паралелизирани.

Недостатъците на RAID5 се появяват, когато един от дисковете се повреди - целият обем преминава в критичен режим, всички операции за запис и четене са придружени от допълнителни манипулации, производителността рязко пада, дисковете започват да се нагряват. Ако не се предприемат спешни действия, можете да загубите целия обем. Следователно (вижте по-горе) трябва да се използва Hot Spare устройство с RAID5 том.

Освен от основни нива RAID0 - RAID5, описани в стандарта, има комбинирани нива RAID10, RAID30, RAID50, RAID15, които различните производители интерпретират по свой начин.

Същността на такива комбинации накратко е следната. RAID10 е комбинация от единица и нула (вижте по-горе). RAID50 е групиране на "0" томове от 5-то ниво. RAID15 е "огледало" на "петици". И така нататък.

Така комбинираните нива наследяват предимствата (и недостатъците) на своите "родители". И така, появата на "нула" в нивото RAID 50не добавя никаква надеждност към него, но има положителен ефект върху производителността. Ниво RAID 15, вероятно много надежден, но не е най-бързият и освен това изключително неикономичен (използваемият капацитет на тома е по-малък от половината от размера на оригиналния дисков масив).

RAID 6се различава от RAID 5 по това, че всеки ред от данни (на английски ивици) няма нито един, но двеблок за контролна сума. Контролните суми са "многоизмерни", т.е. независими един от друг, така че дори повредата на два диска в масива ви позволява да запазите оригиналните данни. Изчисляването на контролната сума на Reed-Solomon изисква по-интензивни изчисления в сравнение с RAID5, така че шестото ниво практически не се използва преди. Сега той се поддържа от много продукти, тъй като те започнаха да инсталират специализирани микросхеми, които извършват всички необходими математически операции.

Според някои проучвания възстановяването след повреда на едно устройство на RAID5 том, съставен от големи SATA дискове (400 и 500 гигабайта), завършва в 5% от случаите със загуба на данни. С други думи, в един случай от двадесет, по време на регенерирането на RAID5 масив на Hot Spare диск, вторият диск може да се провали ... Следователно препоръките на най-добрите RAID драйвери: 1) Винагинаправи резервни копия; 2) използване RAID6!

Наскоро се появиха нови нива RAID1E, RAID5E, RAID5EE. Буквата "E" в името означава Подобрено.

RAID ниво-1 Подобрено (RAID ниво-1E)съчетава дублиране и ивици на данни. Тази смес от нива 0 и 1 е подредена по следния начин. Данните в реда се разпределят точно както в RAID 0. Това означава, че редът от данни няма излишък. Следващият ред от блокове данни копира предишния с отместване с един блок. По този начин, както в стандартния режим RAID 1, всеки блок данни има огледално копие на един от дисковете, така че полезният обем на масива е половината от общия обем на твърдите дискове, включени в масива. RAID 1E изисква обединяване на три или повече диска.

Много харесвам нивото RAID1E. За мощна графика работна станцияили дори за домашен компютър – оптимален избор! Има всички предимства на нулево и първо ниво - отлична скорост и висока надеждност.

Нека да преминем към нивото RAID ниво-5 Подобрено (RAID ниво-5E). Това е същото като RAID5, само с резервно устройство, вградено в масива. резервно устройство. Това вграждане се извършва по следния начин: на всички дискове от масива се оставя свободно 1/N от пространството, което при повреда на един от дисковете се използва като горещ резерв. Благодарение на това RAID5E демонстрира по-добра производителност заедно с надеждност, тъй като четенето/записът се извършва паралелно от по-голям брой дискове едновременно и резервният диск не е неактивен, както в RAID5. Очевидно резервният диск, включен в тома, не може да бъде споделен с други томове (отделен срещу споделен). Том RAID 5E е изграден на минимум четири физически диска. Използваемият размер на логически том се изчислява по формулата N-2.

RAID ниво-5E Enhanced (RAID ниво-5EE)подобно на RAID ниво-5E, но има повече ефективно разпределениерезервно устройство и в резултат на това повече бързо времевъзстановяване. Подобно на нивото RAID5E, това ниво на RAID разпределя блокове от данни и контролни суми в редове. Но също така разпределя безплатни резервни дискови блокове, а не просто оставя част от дисковото пространство за тези цели. Това намалява времето, необходимо за възстановяване на целостта на RAID5EE том. Резервният диск, включен в тома, не може да се споделя с други томове - както в предишния случай. Том RAID 5EE е изграден на минимум четири физически диска. Използваемият размер на логически том се изчислява по формулата N-2.

Колкото и да е странно, не се споменава нивото RAID 6EНе го намерих в интернет - засега това ниво не се предлага и дори не се обявява от никой от производителите. Но нивото RAID6E (или RAID6EE?) може да бъде предложено на същия принцип като предишното. диск hotspare Задължителнотрябва да придружава всеки RAID том, включително RAID 6. Разбира се, няма да загубим информация, ако един или два диска се повредят, но е изключително важно да започнем да регенерираме целостта на масива възможно най-скоро, за да изведем бързо системата от работа на "критичен" режим. Тъй като нуждата от Hot Spare диск за нас е извън съмнение, би било логично да отидем по-далеч и да го „размажем“ по начина, по който се прави в RAID 5EE, за да извлечем ползите от използването Повече ▼дискове (по-добра скорост на четене-запис и по-бързо възстановяване на целостта).

RAID нива в "цифри".

Събрах някои важни параметри на почти всички RAID нива в таблица, за да можете да ги сравните помежду си и да разберете по-добре същността им.

Всички "огледални" нива са RAID 1, 1+0, 10, 1E, 1E0.

Нека отново се опитаме да разберем напълно как се различават тези нива?

RAID 1.
Това е класическо огледало. Два (и само два!) твърди диска работят като един, като са пълно копие един на друг. Повредата на някое от тези две устройства не води до загуба на вашите данни, тъй като контролерът продължава да работи с останалото устройство. RAID1 в цифри: 2x излишък, 2x надеждност, 2x цена. Производителността на запис е еквивалентна на тази на един твърд диск. Производителността на четене е по-добра, защото контролерът може да разпределя четенията между две устройства.

RAID 10.
Същността на това ниво е, че дисковете на масива се комбинират по двойки в „огледала“ (RAID 1), а след това всички тези огледални двойки от своя страна се комбинират в общ раиран масив (RAID 0). Ето защо понякога се нарича RAID 1+0. Важен момент– В RAID 10 могат да се комбинират само четен брой дискове (минимум - 4, максимум - 16). Предимства: надеждността е наследена от "огледалото", от "нула" - както четене, така и запис.

RAID 1E.
Буквата "E" в името означава "Enhanced", т.е. "подобрен". Принципът на това подобрение е следният: данните се "нарязват" на блокове на всички дискове от масива и след това отново се "преплитат" с изместване с един диск. В RAID 1E можете да комбинирате от три до 16 диска. Надеждността съответства на "десетките", а производителността поради по-голямото "редуване" става малко по-добра.

RAID 1E0.
Това ниво се реализира по следния начин: създаваме "нулев" масив от RAID1E масиви. Следователно общият брой на дисковете трябва да бъде кратен на три: минимум три и максимум шестдесет! В този случай е малко вероятно да получим предимство в скоростта, а сложността на изпълнение може да повлияе неблагоприятно на надеждността. Основното предимство е възможността за комбиниране на много голям (до 60) брой дискове в един масив.

Сходството на всички нива на RAID 1X се крие в техните показатели за излишък: точно 50% от общия дисков капацитет на масива се жертва в името на надеждността.