4.2.3. Организация дисковых массивов (raid)

Еще одним способом повышения производительности дисковой памяти стало построение дисковых массивов, хотя этот нацелен не только (и не столько) на достижение более высокой производительности, но и большей надежности работы запоминающих устройств на дисках.

Технология RAID (Redundant Array of Independent Disks – избыточный массив независимых дисков) задумывалась как объединение нескольких недорогих жестких дисков в один массив дисков для увеличения производительности, объема и надежности, по сравнению с одиночным диском. При этом ЭВМ должна видеть такой массив как один логический диск.

Если просто объединить несколько дисков в (не избыточный) массив, то среднее время между отказами (СВМО) будет равно СВМО одного диска, деленному на количество дисков. Такой показатель слишком мал для приложений, критичных к аппаратным сбоям. Улучшить его можно применяя реализуемую различным образом избыточность при хранение информации.

В RAID системах для повышения надежности и производительности используются комбинации трех основных механизмов, каждый из которых хорошо известен и по отдельности: - организация “зеркальных” дисков, т.е. полное дублирование хранимой информации; - подсчет контрольных кодов (четность, коды Хэмминга), позволяющих восстановить информацию при сбое; - распределение информации по различным дискам массива так, как это делается при чередовании обращений по блокам памяти (см. interleave), что повышает возможности параллельной работы дисков при операциях над хранимой информацией. При описании RAID этот прием называют “stripped disks”, что буквально означает “разделенные на полоски диски”, или просто "полосатые диски"..

Рис. 43. Разбиение дисков на чередующиеся блоки - “полоски”.

Изначально было определено пять типов дисковых массивов, обозначаемых RAID 1 – RAID 5, различающихся по своим особенностям и производительности. Каждый из этих типов за счет определенной избыточности записываемой информации обеспечивал повышенную отказоустойчивость по сравнению с одиночным дисководом. Кроме того, массив дисков, не обладающих избыточностью, но позволяющий повысить производительность (за счет расслоения обращений), стали часто называть RAID 0.

Основные типы RAID массивов можно кратко охарактеризовать следующим образом .

RAID 0 . Обычно этот тип массива определяется как группа дисков с чередованием (stripped) расположения информации без контроля четности и без избыточности данных. Размеры чередующихся областей (stripes – “полосок”, или блоков) могут быть большими в многопользовательском окружении или малыми в однопользовательской системе при последовательном доступе к длинным записям.

Организация RAID 0 как раз и соответствует той, которая показана на рис. 43. Операции записи и чтения могут выполняться одновременно на каждом дисководе. Минимальное количество дисководов для RAID 0 – два.

Для этого типа характерны высокая производительность и наиболее эффективное использование дискового пространства, однако, выход из строя одного из дисков приводит к невозможности работы со всем массивом.

RAID 1 . Этот тип дискового массива (рис. 44, а ) известен также как зеркальные диски и представляет собой просто пары дисководов, дублирующих хранимые данные, но представляющиеся компьютеру как один диск. И хотя в рамках одной пары зеркальных дисков разбиение на полоски не производится, чередование блоков может быть организовано для нескольких массивов RAID 1, образующих вместе один большой массив из нескольких зеркальных пар дисков. Такой вариант организации получил название RAID 1 + 0. Существует и обратный вариант.

Все операции записи производятся одновременно в оба диска зеркальной пары, чтобы информация в них была идентична. Но при чтении каждый из дисков пары может работать независимо, что позволяет выполнять одновременно две операции чтения, удваивая тем самым производительность при чтении. В этом смысле RAID 1 обеспечивает наилучшую производительность среди всех вариантов дисковых массивов.

RAID 2 . В этих дисковых массивах блоки – сектора данных чередуются по группе дисков, часть из которых используется только для хранения контрольной информации – ECC (error correcting codes) кодов. Но поскольку во всех современных дисках имеется встроенный контроль с помощью ECC кодов, то RAID 2 мало что дает, по сравнению с другими типами RAID, и сейчас редко используется.

RAID 3 . Как и в RAID 2 в этом типе дискового массива (рис. 44, б ) блоки –сектора чередуются по группе дисков, но один из дисков группы отведен для хранения информации о четности. В случае выхода дисковода из строя восстановление данных осуществляется на основе вычисления значений функции "исключающее ИЛИ" (XOR) от данных, записанных на оставшихся дисках. Записи обычно занимают все диски (так как полоски короткие), что повышает общую скорость передачи данных. Так как каждая операция ввода-вывода требует доступа к каждому диску, массив RAID 3 может обслужить в каждый момент времени только один запрос. Поэтому данный тип обеспечивает наилучшую производительность для одного пользователя в однозадачном окружении с длинными записями. При работе с короткими записями во избежание снижения производительности требуется синхронизация шпинделей дисководов. По своим характеристикам RAID 3 близок к RAID 5 (см. ниже).

RAID 4. Эта организация, показанная на рис. 35, в ), похожа на RAID 3 с той лишь разницей, что в нем используются блоки (полоски) большого размера, так что записи можно читать с любого диска массива (кроме диска, хранящего коды четности). Это позволяет совмещать операции чтения на разных дисках. При операциях записи всегда происходит обновление диска четности, поэтому их совмещение невозможно. В целом, данная архитектура не имеет особых преимуществ перед другими вариантами RAID.

RAID 5. Этот тип дискового массива похож на RAID 4, но хранение кодов четности в нем осуществляется не на специально выделенном диске, а блоками, располагающимися поочередно на всех дисках. Эту организацию даже иногда называют массив с “вращающейся четностью” (можно отметить некую аналогию с назначением линий прерываний для слотов шины PCI или с циклическим приоритетом контроллера прерываний в процессорах линии x86). Такое распределение позволяет избежать ограничения возможности одновременной записи из-за хранения кодов четности только на одном диске, характерного для RAID 4. На рис. 44, г ) показан массив, состоящий из четырех дисководов, причем для каждых трех блоков данных имеется один блок четности (эти блоки заштрихованы), местоположение которого для каждой тройки блоков данных изменяется, перемещаясь циклически по всем четырем дисководам.

Операции чтения могут выполняться параллельно для всех дисков. Операции записи, требующие участия двух дисководов (для данных и для четности) обычно также могут совмещаться, так как коды четности распределены по всем дискам.

Сравнение различных вариантов организации дисковых массивов показывает следующее.

Организация RAID 0 – это наиболее быстрый и эффективный вариант, но не обеспечивающий устойчивости к сбоям. Он требует минимум 2 дисковода. Операции записи и чтения могут выполняться одновременно на каждом дисководе.

Архитектура RAID 1 наиболее пригодна для высокопроизводительных высоконадежных приложений, но и наиболее дорогая. Кроме того, это единственный вариант, устойчивый к сбоям, если используются только два дисковода. Операции чтения могут выполняться одновременно для каждого дисковода, операции записи всегда дублируются для зеркальной пары дисководов.

Архитектура RAID 2 используется редко.

Дисковый массив типа RAID 3 можно использовать для ускорения передачи данных и повышения устойчивости к сбоям в однопользовательской среде при последовательном доступе к длинным записям. Но он не позволяет совмещать операции и требует синхронизации вращения шпинделей дисководов. Для него нужно, как минимум, три дисковода: 2 для данных и один для кодов четности.

Архитектура RAID 4 не поддерживает одновременные операции и не имеет преимуществ, по сравнению с RAID 5.

Организацию RAID 5 характеризует эффективность, устойчивость к сбоям и хорошая производительность. Но производительность при записи и в случае отказа дисковода хуже, чем у RAID 1. В частности, поскольку блок кодов четности относится ко всему записываемому блоку, то, если пишется только часть его, необходимо сперва считать ранее записанные данные, затем вычислить новые значения кодов четности и только после этого записать новые данные (и четность). Операции перестройки также требуют больше времени из-за необходимости формирования кодов четности. Для данного типа RAID нужно, как минимум, три дисковода.

Кроме того, на основе наиболее распространенных вариантов RAID: 0, 1 и 5 могут формироваться так называемые двухуровневые архитектуры, в которых сочетаются принципы организации различных типов массивов. Например, несколько RAID массивов одного и того же типа можно объединить в одну группу массивов данных или массив четности.

За счет такой двухуровневой организации можно достичь требуемого баланса между увеличением надежности хранения данных, характерным для массивов RAID 1 и RAID 5 и высокой скоростью чтения, присущей чередованию блоков на дисках в массиве типа RAID 0. Такие двухуровневые схемы иногда называют RAID 0+1 или 10 и 0+5 или 50.

Управление работой RAID массивов может осуществляться не только аппаратно, но и программно, возможность чего предусматривается в некоторых серверных вариантах операционных систем. Хотя понятно, что такая реализация будет иметь существенно худшие характеристики производительности.

RAID (Redundant Array of Independent Disks) — избыточный массив независимых дисков, т.е. объединение физических жестких дисков в один логический для решения каких либо задач. Скорее всего, вы его будете использовать для отказоустойчивости. При выходе из строя одного из дисков система будет продолжать работать. В операционной системе массив будет выглядеть как обычный HDD. RAID – массивы зародились в сегменте серверных решений, но сейчас получили широкое распространение и уже используются дома. Для управления RAID-ом используется специальная микросхема с интеллектом, которая называется RAID-контроллер. Это либо чипсет на материнской плате, либо отдельная внешняя плата.

Типы RAID массивов

Аппаратный – это когда состоянием массива управляет специальная микросхема. На микросхеме есть свой CPU и все вычисления ложатся на него, освобождая CPU сервера от лишней нагрузки.

Программный – это когда состоянием массива управляет специальная программа в ОС. В этом случае будет создаваться дополнительная нагрузка на CPU сервера. Ведь все вычисления ложатся именно на него.

Однозначно сказать какой тип рейда лучше – нельзя. В случае программного рейда нам не нужно покупать дорогостоящий рейд-контроллер. Который обычно стоит от 250 у.е. (можно найти и за 70 у.е. но я бы не стал рисковать данными) Но все вычисления ложатся на CPU сервера. Программная

реализация хорошо подходит для рейдов 0 и 1. Они достаточно просты и для их работы не нужны большие вычисления. Поэтому программные рейды чаще используют в решениях начального уровня. Аппаратный рейд в своей работе использует рейд-контроллер. Рейд-контроллер имеет свой процессор для вычислений, и именно он производит операции ввода/вывода.

Уровни RAID-массивов

Их достаточно много. Это основные – 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и комбинированные – 10, 30, 50, 53… Мы рассмотрим только самые ходовые, которые используются в современной инфраструктуре предприятия. Буква D в схемах означает Data (данные), или блок данных.

RAID 0 (Striped Disk Array without Fault Tolerance)

Он же stripe. Это когда два или более физических дисков объединяются в один логический с целью объединения места. То есть берем два диска по 500 Гб, объединяем их в RAID 0 и в системе видим 1 HDD объемом в 1 Тб. Информация распределяется по всем дискам рейда равномерно в виде небольших блоков (страйпов).

Плюсы – Высокая производительность, простота реализации.

Минусы – отсутствие отказоустойчивости. При использование этого рейда надежность системы понижается в два раза (если используем два диска). Ведь при выходе из строя хотя бы одного диска вы теряете все данные.

RAID 1 (Mirroring & Duplexing)

Он же mirror. Это когда два или более физических дисков объединяются в один логический диск с целью повышения отказоустойчивости. Информация пишется сразу на оба диска массива и при выходе одного из них информация сохраняется на другом.

Плюсы – высокая скорость чтения/записи, простота реализации.

Минусы – высокая избыточность. В случае использования 2-х дисков это 100%.

RAID 1E

RAID 1E работает так: три физических диска объединяются в массив, после чего создается логический том. Данные распределяются по дискам, образуя блоки. Порция данных (strip), помеченная ** – это копия предшествующей ей порции *. При этом каждый блок зеркальной копии записывается со сдвигом на один диск

Наиболее простое в реализации из отказоустойчивых решений – это RAID 1 (mirroring), зеркальное отображение двух дисков. Высокая доступность данных гарантирована наличием двух полных копий. Такая избыточность структуры массива сказывается на его стоимости – ведь полезная емкость вдвое меньше используемой. Поскольку RAID 1 строится на двух HDD – этого явно мало современным, прожорливым до дискового пространства приложениям. В силу таких требований область применения RAID 1 обычно ограничивается служебными томами (OS, SWAP, LOG), для размещения пользовательских данных ими пользуются разве что в малобюджетных решениях.

RAID 1E – это комбинация распределения информации по дискам (striping) от RAID 0 и зеркалирования – от RAID 1. Одновременно с записью области данных на один накопитель создается их копия на следующем диске массива. Отличие от RAID 1 в том, что количество HDD может быть нечетным (минимум 3). Как и в случае с RAID 1, полезная емкость составляет 50% суммарной емкости дисков массива. Правда, если количество дисков четное, предпочтительней использовать RAID 10, который при той же утилизации емкости состоит из двух (или больше) «зеркал». При физическом отказе одного из дисков RAID 1E контроллер переключает запросы чтения и записи на оставшиеся диски массива.

Преимущества:

• высокая защищенность данных;
• неплохая производительность.

Недостатки:

• как и в RAID 1, используется лишь 50% емкости дисков массива.

RAID 2

В массивах такого типа диски делятся на две группы - для данных и для кодов коррекции ошибок, причем если данные хранятся на дисках, то для хранения кодов коррекции необходимо дисков. Данные записываются на соответствующие диски так же, как и в RAID 0, они разбиваются на небольшие блоки по числу дисков, предназначенных для хранения информации. Оставшиеся диски хранят коды коррекции ошибок, по которым в случае выхода какого-либо жёсткого диска из строя возможно восстановление информации. Метод Хемминга давно применяется в памяти типа ECC и позволяет на лету исправлять однократные и обнаруживать двукратные ошибки.

Недостаток массива RAID 2 в том, что для его функционирования нужна структура из почти двойного количества дисков, поэтому такой вид массива не получил распространения.

RAID 3

В массиве RAID 3 из дисков данные разбиваются на куски размером меньше сектора (разбиваются на байты) или блока и распределяются по дискам. Ещё один диск используется для хранения блоков чётности. В RAID 2 для этой цели применялся диск, но большая часть информации на контрольных дисках использовалась для коррекции ошибок на лету, в то время как большинство пользователей удовлетворяет простое восстановление информации в случае поломки диска, для чего хватает информации, умещающейся на одном выделенном жёстком диске.

Отличия RAID 3 от RAID 2: невозможность коррекции ошибок на лету и меньшая избыточность.

Достоинства:

• высокая скорость чтения и записи данных;
• минимальное количество дисков для создания массива равно трём.

Недостатки:

• массив этого типа хорош только для однозадачной работы с большими файлами, так как время доступа к отдельному сектору, разбитому по дискам, равно максимальному из интервалов доступа к секторам каждого из дисков. Для блоков малого размера время доступа намного больше времени чтения.
• большая нагрузка на контрольный диск, и, как следствие, его надёжность сильно падает по сравнению с дисками, хранящими данные.

RAID 4

RAID 4 похож на RAID 3, но отличается от него тем, что данные разбиваются на блоки, а не на байты. Таким образом, удалось отчасти «победить» проблему низкой скорости передачи данных небольшого объёма. Запись же производится медленно из-за того, что чётность для блока генерируется при записи и записывается на единственный диск. Из систем хранения широкого распространения RAID-4 применяется на устройствах хранения компании NetApp (NetApp FAS), где его недостатки успешно устранены за счет работы дисков в специальном режиме групповой записи, определяемом используемой на устройствах внутренней файловой системой WAFL.

RAID 5 (Independent Data Disks with Distributed Parity Blocks)

Самый популярный вид рейд-массива, в целом благодаря экономичности использования носителей данных. Блоки данных и контрольные суммы циклически записываются на все диски массива. При выходе из строя одного из дисков будет заметно снижена производительность, так как придется совершать дополнительные манипуляции для функционирования массива. Сам по себе рейд имеет достаточно хорошую скорость чтения/записи но немного уступает RAID 1. Нужно не менее трех дисков чтобы организовать RAID 5.

Плюсы – экономичное использование носителей, хорошая скорость чтения/записи. Разница в производительности по сравнению с RAID 1 не так сильно видна как экономия дискового пространства. В случае использования трех HDD избыточность составляет всего 33%.

Минусы – сложное восстановление данных и реализация.

RAID 5E

RAID 5E работает так. Из четырех физических дисков собирается массив, в нем создается логический диск. Распределенный резервный диск – это свободное пространство. Данные распределяются по накопителям, создавая блоки на логическом диске. Контрольные суммы также распределяются по дискам массива и записываются со сдвигом от диска к диску, как и в RAID 5. Резервный HDD остается пустым.

«Классический» RAID 5 много лет считается стандартом отказоустойчивости дисковых подсистем. В нем применяется распределение данных (striping) по HDD массива, для каждой из порций (stripe), определенной в нем, вычисляются и записываются контрольные суммы (четность, parity). Соответственно, скорость записи снижается из-за постоянного пересчета КС с поступлением новых данных. Для увеличения производительности записи КС распределяются по всем накопителям массива, чередуясь с данными. Под хранение КС расходуется емкость одного носителя, поэтому RAID 5 утилизирует на один диск меньше их общего количества в массиве. RAID 5 требует минимум трех (и максимум 16) НЖМД, его КПД использования дискового пространства находится в диапазоне 67–94% в зависимости от числа дисков. Очевидно, что это больше, чем у RAID 1, утилизирующего 50% доступной емкости.

Малые накладные расходы для реализации избыточности RAID 5 оборачиваются достаточно сложной реализацией и длительным процессом восстановления данных. Подсчет контрольных сумм и адресов возлагается на аппаратный RAID-контроллер с высокими требованиями к его процессору, логике и кэш-памяти. Производительность массива RAID 5 в его деградированном состоянии крайне низка, а время восстановления измеряется часами. В итоге проблема неполноценности массива усугубляется рисками повторного отказа одного из дисков до того момента, когда RAID будет восстановлен. Это приводит к разрушению тома данных.

Распространен подход c включением в RAID 5 выделенного диска горячего резерва (hot-spare) – для снижения времени простоя до физической замены сбойного диска. После отказа одного из накопителей исходного массива контроллер включает резервный диск в массив и начинает процесс перестройки RAID. Важно уточнить, что до этого первого отказа резервный накопитель работает на холостом ходу, годами может не участвовать в функционировании массива и не проверяться на ошибки поверхности. Равно как и тот, который позже принесут по гарантийной замене вместо сбойного, вставят в дисковую корзину и назначат резервным. Большим сюрпризом может стать его неработоспособность, причем выяснится это в самый неподходящий момент.

RAID 5E – это RAID 5 с включенным в массив резервным диском (hot-spare) постоянного использования, емкость которого добавляется поровну к каждому элементу массива. Для RAID 5E требуется минимум четыре HDD. Как и у RAID 5, данные и контрольные суммы распределяются по дискам массива. Утилизация полезной емкости у RAID 5E несколько ниже, зато производительность выше, чем у RAID 5 c hot-spare.

Емкость логического тома RAID 5E меньше общей емкости на объем двух носителей (емкость одного уходит под контрольные суммы, второго – под hot-spare). Зато чтение и запись на четыре физических устройства RAID 5E быстрее операций с тремя физическими накопителями RAID 5 с классическим hot-spare (в то время как четвертый, hot-spare, участия в работе не принимает). Резервный диск в RAID 5E – полноправный постоянный член массива. Его невозможно назначить резервным двум разным массивам («слугой двух господ» – как это допускается в RAID 5).

При отказе одного из физических дисков данные со сбойного накопителя восстанавливаются. Массив подвергается сжатию, и распределенный резервный диск становится частью массива. Логический диск остается уровня RAID 5E. После замены сбойного диска на новый данные логического диска разворачиваются в исходное состояние схемы распределения по HDD. При использовании логического диска RAID 5E в отказоустойчивых кластерных схемах он не будет выполнять свои функции во время компрессии-декомпрессии данных.

Преимущества:

• высокая защищенность данных;
• утилизация полезной емкости выше, чем у RAID 1 или RAID 1E;
• производительность выше, чем у RAID 5.

Недостатки:

• производительность ниже, чем у RAID 1E;
• не может делить резервный диск с другими массивами.

RAID 5EE

Примечание: поддерживается не во всех контроллерах RAID level-5EE подобен массиву RAID-5E, но с более эффективным использованием резервного диска и более коротким временем восстановления. Подобно RAID level-5E, этот уровень RAID-массива создает ряды данных и контрольных сумм во всех дисках массива. Массив RAID-5EE обладает улучшенной защитой и производительностью. При применении RAID level-5E, емкость логического тома ограничивается емкостью двух физических винчестеров массива (один для контроля, один резервный). Резервный диск является частью массива RAID level-5EE. Тем не менее, в отличие от RAID level-5E, использующего неразделенное свободное место для резерва, в RAID level-5EE в резервный диск вставлены блоки контрольных сумм, как показывается далее на примере. Это позволяет быстрее перестраивать данные при поломке физического диска. При такой конфигурации, вы не сможете использовать его с другими массивами. Если вам необходим запасной диск для другого массива, вам следует иметь еще один резервный винчестер. RAID level-5E требует как минимум четырех дисков и, в зависимости от уровня прошивки и их емкости, поддерживает от 8 до 16 дисков. RAID level-5E обладает определенной прошивкой. Примечание: для RAID level-5EЕ, вы можете использовать только один логический том в массиве.

Достоинства:

• 100% защита данных
• Большая емкость физических дисков по сравнению с RAID-1 или RAID -1E
• Большая производительность по сравнению с RAID-5
• Более быстрое восстановление RAID по сравнению с RAID-5Е

Недостатки:

• Более низкая производительность, чем в RAID-1 или RAID-1E
• Поддержка только одного логического тома на массив
• Невозможность совместного использования резервного диска с другими массивами
• Поддержка не всех контроллеров

RAID 6

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, по сравнению с аналогичными показателями RAID-5, что вызвано большим объёмом обработки для контроллера (необходимость рассчитывать вторую контрольную сумму, а также прочитывать и перезаписывать больше дисковых блоков при записи каждого блока).

RAID 7

RAID 7 — зарегистрированная торговая марка компании Storage Computer Corporation, отдельным уровнем RAID не является. Структура массива такова: на дисках хранятся данные, один диск используется для складирования блоков чётности. Запись на диски кешируется с использованием оперативной памяти, сам массив требует обязательного ИБП; в случае перебоев с питанием происходит повреждение данных.

RAID 10 или RAID 1+0 (Very High Reliability with High Performance)

Сочетание зеркального рейда и рейда с чередованием дисков. В работе этого вида рейда диски объединяются парами в зеркальные рейды (RAID 1) а затем все эти зеркальные пары объединяются в массив с чередованием (RAID 0). В рейд можно объединить только четное количество дисков, минимум – 4, максимум – 16. От RAID 1 мы наследуем надежность, от RAID 0 — скорость.

Плюсы – высокая отказоустойчивость и производительность

Минусы – высокая стоимость

RAID 50 или RAID 5+0 (High I/O Rates & Data Transfer Performance)

Он же RAID 50, это сочетание RAID 5 и RAID 0. Массив объединяет в себе высокую производительность и отказоустойчивость.

Плюсы – высокая отказоустойчивость, скорость передачи данных и выполнение запросов

Минусы – высокая стоимость

RAID 60

RAID-массив уровня 60 объединены характеристики из уровней 6 и 0. RAID 60 массива объединяет прямой уровне блоков чередование RAID 0 с распределенной дважды паритет в RAID 6, а именно: массива RAID 0 распределяются среди RAID 6 элементов. RAID 60 виртуальный диск может выжить о потере двух жестких дисков в каждом из RAID 6 устанавливает без потери данных. Она является наиболее эффективной с данными, нужна высокая надежность, высокая запрос курсы, высокие передачу данных, и средних и крупных емкости. Минимальное количество дисков-8.

Линейный RAID

Линейный RAID представляет собой простое объединение дисков, создающее большой виртуальный диск. В линейном RAID, блоки выделяются сначала на одном диске, включенном в массив, затем, если этот заполнен, на другом и т.д. Такое объединение не даёт выигрыша в производительности, так как скорее всего операции ввода/вывода не будут распределены между дисками. Линейный RAID также не содержит избыточности и, в действительности, увеличивает вероятность сбоя - если всего одни диск откажет, весь массив выйдет из строя. Ёмкость массива равняется суммарной ёмкости всех дисков.

Главный вывод, который можно сделать – у каждого уровня рейда есть свои плюсы и минусы.

Еще главнее вывод – рейд не гарантирует целостности ваших данных. То есть если кто-то удалит файл или он будет поврежден, каким либо процессом, рейд нам не поможет. Поэтому рейд не освобождает нас от необходимости делать бекапы. Но помогает, когда возникают проблемы с дисками на физическом уровне.

RAID – аббревиатура, расшифровываемая как Redundant Array of Independent Disks – “отказоустойчивый массив из независимых дисков” (раньше иногда вместо Independent использовалось слово Inexpensive). Концепция структуры, состоящей из нескольких дисков, объединенных в группу, обеспечивающую отказоустойчивость родилась в 1987 году в основополагающей работе Паттерсона, Гибсона и Катца.

Исходные типы RAID-массивов

RAID-0
Если мы считаем, что RAID это “отказоустойчивость”(Redundant…), то RAID-0 это “нулевая отказоустойчивость”, отсутствие ее. Структура RAID-0 это “массив дисков с чередованием”. Блоки данных поочередно записываются на все входящие в массив диски, по порядку. Это повышает быстродействие, в идеале во столько раз, сколько дисков входит в массив, так как запись распараллеливается между несколькими устройствами.
Однако во столько же раз снижается надежность, поскольку данные будут потеряны при выходе из строя любого из входящих в массив дисков.

RAID-1
Это так называемое “зеркало”. Операции записи производятся на два диска параллельно. Надежность такого массива выше, чем у одиночного диска, однако быстродействие повышается незначительно (или не повышается вовсе).

RAID-10
Попытка объединить достоинства двух типов RAID и лишить их присущих им недостатков. Если взять группу RAID-0 с повышенной производительностью, и придать каждому из них (или массиву целиком) “зеркальные” диски для защиты данных от потери в результате выхода из строя, мы получим отказоустойчивый массив с повышенным, в результате использования чередования, быстродействием.
На сегодняшний день “в живой природе” это один из наиболее популярных типов RAID.
Минусы – мы платим за все вышеперечисленные достоинства половиной суммарной емкости входящих в массив дисков.

RAID-2
Остался полностью теоретическим вариантом. Это массив, в котором данные кодируются помехоустойчивым кодом Хэмминга, позволяющим восстанавливать отдельные сбойные фрагменты за счет его избыточности. Кстати различные модификации кода Хэмминга, а также его наследников, используются в процессе считывания данных с магнитных головок жестких дисков и оптических считывателей CD/DVD.

RAID-3 и 4
“Творческое развитие” идеи защиты данных избыточным кодом. Код Хэмминга незаменим в случае “постоянно недостоверного” потока, насыщенного непрерывными слабопредсказуемыми ошибками, такого, например, как зашумленный эфирный канал связи. Однако в случае жестких дисков основная проблема не в ошибках считывания (мы считаем, что данные выдаются жесткими дисками в том виде, в каком мы их записали, если уж он работает), а в выходе из строя целиком диска.
Для таких условий можно скомбинировать схему с чередованием (RAID-0) и для защиты от выхода из строя одного из дисков дополнить записываемую информацию избыточностью, которая позволит восстановить данные при потере какой-то ее части, выделив под это дополнительный диск.
При потере любого из дисков данных мы можем восстановить хранившиеся на нем данные путем несложных математических операций над данными избыточности, в случае выходя из строя диска с данными избыточности мы все равно имеем данные, считываемые с дискового массива типа RAID-0.
Варианты RAID-3 и RAID-4 отличаются тем, что в первом случае чередуются отдельные байты, а во втором – группы байт, “блоки”.
Основным недостатком этих двух схем является крайне низкая скорость записи на массив, поскольку каждая операция записи вызывает обновление “контрольной суммы”, блока избыточности для записанной информации. Очевидно, что, несмотря на структуру с чередованием, производительность массива RAID-3 и RAID-4 ограничена производительностью одного диска, того, на котором лежит “блок избыточности”.

RAID-5
Попытка обойти это ограничение породила следующий тип RAID, в настоящее время он получил, наряду с RAID-10, наибольшее распространение. Если запись на диск “блока избыточности” ограничивает весь массив, давайте его тоже размажем по дискам массива, сделаем для этой информации невыделенный диск, тем самым операции обновления избыточности окажутся распределенными по всем дискам массива. То есть мы также как и в случае RAID-3(4) берем дисков для хранения N информации в количестве N + 1 диск, но в отличие от Type 3 и 4 этот диск также используется для хранения данных вперемешку с данными избыточности, как и остальные N.
Недостатки? А как же без них. Проблема с медленной записью отчасти была решена, но все же не полностью. Запись на массив RAID-5 осуществляется, тем не менее, медленнее, чем на массив RAID-10. Зато RAID-5 более “экономически эффективен”. Для RAID-10 мы платим за отказоустойчивость ровно половиной дисков, а в случае RAID-5 это всего один диск.

Однако скорость записи снижается пропорционально увеличению количества дисков в массиве (в отличие от RAID-0, где она только растет). Это связано с тем, что при записи блока данных массиву нужно заново рассчитать блок избыточности, для чего прочитать остальные “горизонтальные” блоки и пересчитать в соответствии с их даными блок избыточности. То есть на одну операцию записи массив из 8 дисков (7 дисков данных + 1 дополнительный) будет делать 6 операций чтения в кэш (остальные блоки данных со всех дисков, чтобы рассчитать блок избыточности), вычислять из этих блоков блок избыточности, и делать 2 записи (запись блока записываемых данных и перезапись блока избыточности). В современных системах частично острота снимается за счет кэширования, но тем не менее удлиннение группы RAID-5 хотя и вызывает пропорциональное увеличение скорости чтения, но также и соответственное ему снижение скорости записи.
Ситуация со снижением производительности при записи на RAID-5 иногда порождает любопытный экстремизм, например, http://www.baarf.com/ ;)

Тем не менее, поскольку RAID-5 есть наиболее эффективная RAID-структура с точки зрения расхода дисков на “погонный мегабайт” он широко используется там, где снижение скорости записи не является решающим параметром, например для долговременного хранения данных или для данных, преимущественно считываемых.
Отдельно следует упомянуть, что расширение дискового массива RAID-5 добавлением дополнительного диска вызывает полное пересчитывание всего RAID, что может занимать часы, а в отдельных случаях и дни, во время которых производительность массива катастрофически падает.

RAID-6
Дальнейшее развитие идеи RAID-5. Если мы рассчитаем дополнительную избыточность по иному нежели применяемому в RAID-5 закону, то мы сможем сохранить доступ к данным при отказе двух дисков массива.
Платой за это является дополнительный диск под данные второго “блока избыточности”. То есть для хранения данных равных объему N дисков нам нужно будет взять N + 2 диска.Усложняется “математика” вычисления блоков избыточности, что вызывает еще большее снижение скорости записи по сравнению с RAID-5, зато повышается надежность. Причем в ряде случаев она даже превышает уровень надежности RAID-10. Нетрудно увидеть, что RAID-10 тоже выдерживает выход из строя двух дисков в массиве, однако в том случае, если эти диски принадлежат одному “зеркалу” или разным, но при этом не двум зеркальным дискам. А вероятность именно такой ситуации никак нельзя сбрасывать со счета.

Дальнейшее увеличение номеров типов RAID происходит за счет “гибридизации”, так появляются RAID-0+1 ставший уже рассмотренным RAID-10, или всяческие химерические RAID-51 и так далее.
В живой природе к счастью не встречаются, обычно оставаясь “сном разума” (ну, кроме уже описанного выше RAID-10).

Краткий обзор технологии RAID

В этом документе описываются базовые элементы технологии RAID и приводится краткий обзор различных уровней RAID.

• RAID 2, 3

  RAID 4, 5

  Таблица: преимущества и недостатки основных уровней RAID

RAID - это акроним от Redundant Array of Independent Disks .

Дисковый массив - это набор дисковых устройств, работающих вместе, чтобы повысить скорость и надежность системы ввода/вывода. Этим набором устройств управляет специальный RAID-контроллер (контроллер массива ), который инкапсулирует в себе функции размещения данных по массиву; а для всей остальной системы позволяет представлять весь массив как одно логическое устройство ввода/вывода. За счет параллельного выполения операций чтения и записи на нескольких дисках, массив обеспечивает повышенную скорость обменов по сравнению с одним большим диском.

Массивы также могут обеспечивать избыточное хранение данных, с тем, чтобы данные не были потеряны в случае выхода из строя одного из дисков. В зависимости от уровня RAID, проводится или зеркалирование или распределение данных по дискам.

Уровни RAID

Каждый из четырех основных уровней RAID использует уникальный метод записи данных на диски, и поэтому все уровни обеспечивают различные преимущества. Уровни RAID 1,3 и 5 обеспечивают зеркалирование или хранение битов четности; и поэтому позволяют восстановить информацию в случае сбоя одного из дисков.

RAID уровня 0

Технология RAID 0 также известна как распределение данных (data striping ). С применение этой технологии, информация разбивается на куски (фиксированные объемы данных, обычно именуемы блоками); и эти куски записываются на диски и считываются с них в параллель. С точки зрения производительности это означает два основных преимущества :

повышается пропускная способность последовательного ввода/вывода за счет одновременной загрузки нескольких интерфейсов.

снижается латентность случайного доступа; несколько запросов к различным небольшим сегментам информации могут выполнятся одновременно.

Недостаток : уровень RAID 0 предназначен исключительно для повышения производительности, и не обеспечивает избыточности данных. Поэтому любые дисковые сбои потребуют восстановления информации с резервных носителей.

рис. 1. Схема работы массива и распределение данных по дискам для RAID 0. Примечание: сегмент - это 2 дисковых блока по 512 байт.

RAID уровня 1

Технология RAID 1 также известна как зеркалирование (disk mirroring ). В этом случае, копии каждого куска информации хранятся на отдельном диске; или, обычно каждый (используемый) диск имеет "двойника", который хранит точную копию этого диска. Если происходит сбой одного из основных дисков, этот замещается своим "двойником". Производительность произвольного чтения может быть улучшена, если для чтения информации будет использоваться тот из "двойников", головка которого расположена ближе к требуемому блоку.

Время записи может оказаться несколько больше , чем для одного диска, в зависимости от стратегии записи: запись на два диска может производится либо в параллель (для скорости), либо строго последовательно (для надежности).

Уровень RAID 1 хорошо подходит для приложений, которые требуют высокой надежности, низкой латентности при чтении, а также если не требуется минимизация стоимости. RAID 1 обеспечивает избыточность хранения информации, но в любом случае следует поддерживать резервную копию данных, т.к. это единственный способ восстановить случайно удаленные файлы или директории.

рис. 2. Распределение данных по дискам для RAID 1.

RAID уровней 2 и 3

Технология RAID уровней 2 и 3 предусматривает параллельную ("в унисон") работу всех дисков. Эта архитектура требует хранения битов четности для каждого элемента информации, распределяемого по дискам. Отличие RAID 3 от RAID 2 состоит только в том, что RAID 2 использует для хранения битов четности несколько дисков, тогда как RAID 3 использует только один. RAID 2 используется крайне редко.

Если происходит сбой одного диска с данными, то система может восстановить его содержимое по содержимому остальных дисков с данными и диска с информацией четности.

Производительность в этом случае очень велика для больших объемов информации, но может быть весьма скромной для малых объемов, поскольку невозможно перекрывающееся чтение нескольких небольших сегментов информации.

рис. 3. Распределение данных по дискам для RAID 3.

RAID уровней 4 и 5

RAID 4 исправляет некоторые недостатки технологии RAID 3 за счет использования больших сегментов информации, распределяемых по всем дискам, за исключением диска с информацией четности. При этом для небольших объемов информации используется только диск, на котором находится нужная информация. Это означает, что возможно одновременное исполнение нескольких запросов на чтение. Однако запросы на запись порождают блокировки при записи информации четности. RAID 4 используется крайне редко.

Технология RAID 5 очень похожа на RAID 4, но устраняет связанные с ней блокировки. Различие состоит в том, что информация четности распределяется по всем дискам массива. В данном случае возможны как одновременные операции чтения, так и записи.

Данная технология хорошо подходит для приложений, которые работают с небольшими объемами данных, например, для систем обработки транзакций.

рис. 4. Распределение данных по дискам для RAID 5.

Преимущества и недостатки основных уровней RAID

© Андрей Егоров, 2005, 2006. Группа компаний ТИМ.

Посетители форума задают нам вопрос: «Какой уровень RAID самый надежный?» Все знают, что наиболее распространенным является уровень RAID5, однако он отнюдь не лишен серьезных недостатков, которые неочевидны для неспециалистов.

RAID 0, RAID 1, RAID 5, RAID6, RAID 10 или что такое уровни RAID?

В своей статье я попытаюсь охарактеризовать самые популярные уровни RAID, а затем сформулирую рекомендации по использованию этих уровней. Для иллюстрации статьи я построил диаграмму, на которой поместил эти уровни в трехмерном пространстве надежности, производительности и ценовой эффективности.

JBOD (Just a Bunch of Disks) – это простое объединение (spanning) жестких дисков, которое уровнем RAID формально не является. Томом JBOD может быть массив из одного диска или объединение нескольких дисков. Контроллеру RAID для работы с таким томом не требуется проведение каких-либо вычислений. На нашей диаграмме диск JBOD служит в качестве «ординара» или отправной точки – его значения надежности, производительности и стоимости совпадают с соответствующими показателями единичного жесткого диска.

RAID 0 (“Striping”) избыточности не имеет, а информацию распределяет сразу по всем входящим в массив дискам в виде небольших блоков («страйпов»). За счет этого существенно повышается производительность, но страдает надежность. Как и в случае JBOD, за свои деньги мы получаем 100% емкости диска.

Поясню, почему уменьшается надежность хранения данных на любом составном томе – так как при выходе из строя любого из входящих в него винчестеров полностью и безвозвратно пропадает вся информация. В соответствии с теорией вероятностей математически надежность тома RAID0 равна произведению надежностей составляющих его дисков, каждая из которых меньше единицы, поэтому совокупная надежность заведомо ниже надежности любого диска.

Хороший уровень – RAID 1 (“Mirroring”, «зеркало»). Он имеет защиту от выхода из строя половины имеющихся аппаратных средств (в общем случае – одного из двух жестких дисков), обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения за счет распараллеливания запросов. Недостаток заключается в том, что приходится выплачивать стоимость двух жестких дисков, получая полезный объем одного жесткого диска.

Изначально предполагается, что жесткий диск – вещь надежная. Соответственно, вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна (по формуле) произведению вероятностей, т.е. ниже на порядки! К сожалению, реальная жизнь – не теория! Два винчестера берутся из одной партии и работают в одинаковых условиях, а при выходе из строя одного из дисков нагрузка на оставшийся увеличивается, поэтому на практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры – вновь восстанавливать избыточность. Для этого с любым уровнем RAID (кроме нулевого) рекомендуют использовать диски горячего резерва HotSpare . Достоинство такого подхода – поддержание постоянной надежности. Недостаток – еще большие издержки (т.е. стоимость 3-х винчестеров для хранения объема одного диска).

Зеркало на многих дисках – это уровень RAID 10 . При использовании такого уровня зеркальные пары дисков выстраиваются в «цепочку», поэтому объем полученного тома может превосходить емкость одного жесткого диска. Достоинства и недостатки – такие же, как и у уровня RAID1. Как и в других случаях, рекомендуется включать в массив диски горячего резерва HotSpare из расчета один резервный на пять рабочих.

RAID 5 , действительно, самый популярный из уровней – в первую очередь благодаря своей экономичности. Жертвуя ради избыточности емкостью всего одного диска из массива, мы получаем защиту от выхода из строя любого из винчестеров тома. На запись информации на том RAID5 тратятся дополнительные ресурсы, так как требуются дополнительные вычисления, зато при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких накопителей массива распараллеливаются.

Недостатки RAID5 проявляются при выходе из строя одного из дисков – весь том переходит в критический режим, все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко падает производительность, диски начинают греться. Если срочно не принять меры – можно потерять весь том. Поэтому, (см. выше) с томом RAID5 следует обязательно использовать диск Hot Spare.

Помимо базовых уровней RAID0 - RAID5, описанных в стандарте, существуют комбинированные уровни RAID10, RAID30, RAID50, RAID15, которые различные производители интерпретируют каждый по-своему.

Суть таких комбинаций вкратце заключается в следующем. RAID10 – это сочетание единички и нолика (см. выше). RAID50 – это объединение по “0” томов 5-го уровня. RAID15 – «зеркало» «пятерок». И так далее.

Таким образом, комбинированные уровни наследуют преимущества (и недостатки) своих «родителей». Так, появление «нолика» в уровне RAID 50 нисколько не добавляет ему надежности, но зато положительно отражается на производительности. Уровень RAID 15 , наверное, очень надежный, но он не самый быстрый и, к тому же, крайне неэкономичный (полезная емкость тома составляет меньше половины объема исходного дискового массива).

RAID 6 отличается от RAID 5 тем, что в каждом ряду данных (по-английски stripe ) имеет не один, а два блока контрольных сумм. Контрольные суммы – «многомерные», т.е. независимые друг от друга, поэтому даже отказ двух дисков в массиве позволяет сохранить исходные данные. Вычисление контрольных сумм по методу Рида-Соломона требует более интенсивных по сравнению с RAID5 вычислений, поэтому раньше шестой уровень практически не использовался. Сейчас он поддерживается многими продуктами, так как в них стали устанавливать специализированные микросхемы, выполняющие все необходимые математические операции.

Согласно некоторым исследованиям, восстановление целостности после отказа одного диска на томе RAID5, составленном из дисков SATA большого объема (400 и 500 гигабайт), в 5% случаев заканчивается утратой данных. Другими словами, в одном случае из двадцати во время регенерации массива RAID5 на диск резерва Hot Spare возможен выход из строя второго диска... Отсюда рекомендации лучших RAIDоводов: 1) всегда делайте резервные копии; 2) используйте RAID6 !

Недавно появились новые уровни RAID1E, RAID5E, RAID5EE. Буква “Е” в названии означает Enhanced .

RAID level-1 Enhanced (RAID level-1E) комбинирует mirroring и data striping. Эта смесь уровней 0 и 1 устроена следующим образом. Данные в ряду распределяются точь-в-точь так, как в RAID 0. То есть ряд данных не имеет никакой избыточности. Следующий ряд блоков данных копирует предыдущий со сдвигом на один блок. Таким образом как и в стандартном режиме RAID 1 каждый блок данных имеет зеркальную копию на одном из дисков, поэтому полезный объем массива равен половине суммарного объема входящих в массив жестких дисков. Для работы RAID 1E требуется объединение трех или более дисков.

Мне очень нравится уровень RAID1E. Для мощной графической рабочей станции или даже для домашнего компьютера – оптимальный выбор! Он обладает всеми достоинствами нулевого и первого уровней – отличная скорость и высокая надежность.

Перейдем теперь к уровню RAID level-5 Enhanced (RAID level-5E) . Это то же самое что и RAID5, только со встроенным в массив резервным диском spare drive . Это встраивание производится следующим образом: на всех дисках массива оставляется свободным 1/N часть пространства, которая при отказе одного из дисков используется в качестве горячего резерва. За счет этого RAID5E демонстрирует наряду с надежностью лучшую производительность, так как чтение/запись производится параллельно с бОльшего числа накопителей одновременно и spare drive не простаивает, как в RAID5. Очевидно, что входящий в том резервный диск нельзя делить с другими томами (dedicated vs. shared). Том RAID 5E строится минимум на четырех физических дисках. Полезный объем логического тома вычисляется по формуле N-2.

RAID level-5E Enhanced (RAID level-5EE) подобен уровню RAID level-5E, но он имеет более эффективное распределение spare drive и, как следствие, – более быстрое время восстановления. Как и уровень RAID5E, этот уровень RAID распределяет в рядах блоки данных и контрольных сумм. Но он также распределяет и свободные блоки spare drive, а не просто оставляет под эти цели часть объема диска. Это позволяет уменьшить время, необходимое на реконструкцию целостности тома RAID5EE. Входящий в том резервный диск нельзя делить с другими томами – как и в предыдущем случае. Том RAID 5EE строится минимум на четырех физических дисках. Полезный объем логического тома вычисляется по формуле N-2.

Как ни странно, никаких упоминаний об уровне RAID 6E на просторах Интернета я не нашел - пока такой уровень никем из производителей не предлагается и даже не анонсируется. А ведь уровень RAID6E (или RAID6EE?) можно предложить по тому же принципу, что и предыдущий. Диск HotSpare обязательно должен сопровождать любой том RAID, в том числе и RAID 6. Конечно, мы не потеряем информацию при выходе из строя одного или двух дисков, но начать регенерацию целостности массива крайне важно как можно раньше, чтобы скорее вывести систему из «критического» режима. Поскольку необходимость диска Hot Spare для нас не подлежит сомнению, логичным было бы последовать дальше и «размазать» его по тОму так, как это сделано в RAID 5EE, чтобы получить преимущества от использования бОльшего количества дисков (лучшая скорость на чтении-записи и более быстрое восстановление целостности).

Уровни RAID в «числах».

В таблицу я собрал некоторые важные параметры почти всех уровней RАID, чтобы можно было сопоставить их между собой и четче понять их суть.

Все «зеркальные» уровни – RAID 1, 1+0, 10, 1E, 1E0.

Давайте еще раз попробуем досконально разобраться, чем же различаются эти уровни?

RAID 1.
Это – классическое «зеркало». Два (и только два!) жестких диска работают как один, являясь полной копией друг друга. Выход из строя любого из этих двух дисков не приводит к потере ваших данных, так как контроллер продолжает работу с оставшимся диском. RAID1 в цифрах: двукратная избыточность, двукратная надежность, двукратная стоимость. Производительность на запись эквивалентна производительности одного жесткого диска. Производительность чтения выше, так как контроллер может распределять операции чтения между двумя дисками.

RAID 10.
Суть этого уровня в том, что диски массива объединяются парами в «зеркала» (RAID 1), а затем все эти зеркальные пары в свою очередь объединяются в общий массив с чередованием (RAID 0). Именно поэтому его иногда обозначают как RAID 1+0 . Важный момент – в RAID 10 можно объединить только четное количество дисков (минимум – 4, максимум – 16). Достоинства: от "зеркала" наследуется надежность, от «нуля» – производительность как на чтение, так и на запись.

RAID 1Е.
Буква "E" в названии означает "Enhanced", т.е. "улучшенный". Принцип этого улучшения следующий: данные блоками "чередуются" ("striped") на все диски массива, а потом еще раз "чередуются" со сдвигом на один диск. В RAID 1E можно объединять от трех до 16 дисков. Надежность соответствует показателям "десятки", а производительность за счет большего "чередования" становится чуть лучше.

RAID 1Е0.
Этот уровень реализуется так: мы создаем "нулевой" массив из массивов RAID1E. Следовательно, общее количество дисков должно быть кратно трем: минимум три и максимум – шестьдесят! Преимущество в скорости при этом мы вряд ли получим, а сложность реализации может неблагоприятно отразиться на надежности. Главное достоинство – возможность объединить в один массив очень большое (до 60) количество дисков.

Сходство всех уровней RAID 1X заключается в их показателях избыточности: ради реализации надежности жертвуется ровно 50% суммарной емкости дисков массива.