Какие существуют raid массивы. RAID-массив. Что это? Зачем? И как создать

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

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

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

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

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

Что такое RAID массив?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

RAID 0, что это такое?

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

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

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

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

RAID 1, что это такое?

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

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

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

RAID 2-6, что это такое?

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

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

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

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

Какой выбрать RAID массив?

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

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

Вывод

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

Многие пользователи слышали о таком понятии, как дисковые массивы RAID, однако на практике мало кто себе представляет себе, что это такое. Но как оказывается, ничего сложного тут нет. Разберем суть этого термина, что называется, на пальцах, исходя из объяснения информации для рядового обывателя.

Что представляют собой дисковые массивы RAID?

Для начала рассмотрим общую трактовку, которая предлагается интернет-изданиями. Дисковые массивы - это целые системы хранения информации, состоящие из связки двух и более жестких дисков, служащих либо для увеличения скорости доступа к хранимой информации, либо для ее дублирования, например, при сохранении бэкап-копий.

В такой связке количество винчестеров в плане установки теоретически ограничений не имеет. Все зависит только от того, сколько подключений поддерживает материнская плата. Собственно, почему используются дисковые массивы RAID? Тут стоит обратить внимание на то, что в направлении развития технологий (относительно именно жестких дисков) они давно замерли на одной точке (скорость вращения шпинделя 7200 об./мин, размер кэша и т. д.). Исключение в этом плане составляют только модели SSD, но и у них в основном производится только увеличение объема. В то же время в производстве процессоров или планок оперативной памяти прогресс более ощутим. Таким образом, за счет применения RAID-массивов осуществляется увеличение прироста производительности при обращении к винчестерам.

Дисковые массивы RAID: виды, назначение

Что же касается самих массивов, условно их можно разделить по используемой нумерации (0, 1, 2 и т. д.). Каждый такой номер соответствует выполнению одной из заявленных функций.

Основными в этой классификации являются дисковые массивы с номерами 0 и 1 (далее будет понятно, почему), поскольку именно на них возложены основные задачи.

При создании массивов с подключением нескольких винчестеров изначально следует использовать настройки BIOS, где в разделе конфигурации SATA устанавливается значение RAID. При этом важно обратить внимание, что подключаемые диски должны иметь абсолютно идентичные параметры в плане объема, интерфейса, подключения, кэша и т. д.

RAID 0 (Striping)

Нулевые дисковые массивы по сути своей предназначены для ускорения доступа к хранимой информации (записи или считывания). Они, как правило, могут иметь в связке от двух до четырех винчестеров.

Но тут самая главная проблема состоит в том, что при удалении информации на одном из дисков она исчезает и на других. Информация записывается в виде блоков поочередно на каждый диск, а увеличение производительности прямо пропорционально количеству винчестеров (то есть, четыре диска в два раза быстрее двух). Но вот потеря информации связана только с тем, что блоки могут находиться на разных дисках, хотя пользователь в том же «Проводнике» видит файлы в нормальном отображении.

RAID 1

Дисковые массивы с единичным обозначением относятся к разряду Mirroring (зеркальное отображение) и служат для сохранения данных путем дублирования.

Грубо говоря, при таком положении дел пользователь несколько теряет в производительности, зато может быть точно уверен, что при исчезновении данных из одного раздела они будут сохранены в другом.

RAID 2 и выше

Массивы с номерами 2 и выше имеют двойное назначение. С одной стороны, они предназначены для записи информации, с другой - используются для коррекции ошибок.

Иными словами, дисковые массивы этого типа совмещают в себе возможности RAID 0 и RAID 1, но среди компьютерщиков особой популярностью не пользуются, хотя в основе их работы лежит использование

Что лучше использовать на практике?

Безусловно, если на компьютере предполагается использование ресурсоемких программ, например, современных игр, лучше использовать массивы RAID 0. В случае работы с важной информацией, которую нужно сохранить любым способом, придется обратиться к массивам RAID 1. В силу того, что связки с номерами от двух и выше популярными так и не стали, их применение обусловливается исключительно желанием пользователя. Кстати, применение нулевых массивов является практичным и в том случае, если пользователь часто загружает на компьютер файлы мультимедиа, скажем, фильмы или музыку с высоким битрейтом для формата MP3 или в стандарте FLAC.

В остальном же придется полагаться на собственные предпочтения и нужды. Именно от этого и будет зависеть применение того или иного массива. И, конечно же, при установке связки лучше отдавать предпочтение дискам SSD, поскольку по сравнению с обычными винчестерами они уже изначально имеют более высокие показатели по скорости записи и считывания. Но они должны быть абсолютно одинаковыми по своим характеристикам и параметрам, иначе подключаемая комбинация попросту работать не будет. И именно это является одним из самых главных условий. Так что придется обратить внимание и на этот аспект.

Перенос центра тяжести с процессоро-ориентированных на дата-ориентированные приложения обуславливает повышение значимости систем хранения данных. Вместе с этим проблема низкой пропускной способности и отказоустойчивости характерная для таких систем всегда была достаточно важной и всегда требовала своего решения.

В современной компьютерной индустрии в качестве вторичной системы хранения данных повсеместно используются магнитные диски, ибо, несмотря на все свои недостатки, они обладают наилучшими характеристиками для соответствующего типа устройств при доступной цене.

Особенности технологии построения магнитных дисков привели к значительному несоответствию между увеличением производительности процессорных модулей и самих магнитных дисков. Если в 1990 г. лучшими среди серийных были 5.25″ диски со средним временем доступа 12мс и временем задержки 5 мс (при оборотах шпинделя около 5 000 об/м 1), то сегодня пальма первенства принадлежит 3.5″ дискам со средним временем доступа 5 мс и временем задержки 1 мс (при оборотах шпинделя 10 000 об/м). Здесь мы видим улучшение технических характеристик на величину около 100%. В тоже время, быстродействие процессоров увеличилось более чем на 2 000%. Во многом это стало возможно благодаря тому, что процессоры имеют прямые преимущества использования VLSI (сверхбольшой интеграции). Ее использование не только дает возможность увеличивать частоту, но и число компонент, которые могут быть интегрированы в чип, что дает возможность внедрять архитектурные преимущества, которые позволяют осуществлять параллельные вычисления.

1 - Усредненные данные.

Сложившуюся ситуацию можно охарактеризовать как кризис ввода-вывода вторичной системы хранения данных.

Увеличиваем быстродействие

Невозможность значительного увеличения технологических параметров магнитных дисков влечет за собой необходимость поиска других путей, одним из которых является параллельная обработка.

Если расположить блок данных по N дискам некоторого массива и организовать это размещение так, чтобы существовала возможность одновременного считывания информации, то этот блок можно будет считать в N раз быстрее, (без учёта времени формирования блока). Поскольку все данные передаются параллельно, это архитектурное решение называется parallel-access array (массив с параллельным доступом).

Массивы с параллельным доступом обычно используются для приложений, требующих передачи данных большого размера.

Некоторые задачи, наоборот, характерны большим количеством малых запросов. К таким задачам относятся, например, задачи обработки баз данных. Располагая записи базы данных по дискам массива, можно распределить загрузку, независимо позиционируя диски. Такую архитектуру принято называть independent-access array (массив с независимым доступом).

Увеличиваем отказоустойчивость

К сожалению, при увеличении количества дисков в массиве, надежность всего массива уменьшается. При независимых отказах и экспоненциальном законе распределения наработки на отказ, MTTF всего массива (mean time to failure - среднее время безотказной работы) вычисляется по формуле MTTF array = MMTF hdd /N hdd (MMTF hdd - среднее время безотказной работы одного диска; NHDD - количество дисков).

Таким образом, возникает необходимость повышения отказоустойчивости дисковых массивов. Для повышения отказоустойчивости массивов используют избыточное кодирование. Существует два основных типа кодирования, которые применяются в избыточных дисковых массивах - это дублирование и четность.

Дублирование, или зеркализация - наиболее часто используются в дисковых массивах. Простые зеркальные системы используют две копии данных, каждая копия размещается на отдельных дисках. Это схема достаточно проста и не требует дополнительных аппаратных затрат, но имеет один существенный недостаток - она использует 50% дискового пространства для хранения копии информации.

Второй способ реализации избыточных дисковых массивов - использование избыточного кодирования с помощью вычисления четности. Четность вычисляется как операция XOR всех символов в слове данных. Использование четности в избыточных дисковых массивах уменьшает накладные расходы до величины, исчисляемой формулой: НР hdd =1/N hdd (НР hdd - накладные расходы; N hdd - количество дисков в массиве).

История и развитие RAID

Несмотря на то, что системы хранения данных, основанные на магнитных дисках, производятся уже 40 лет, массовое производство отказоустойчивых систем началось совсем недавно. Дисковые массивы с избыточностью данных, которые принято называть RAID (redundant arrays of inexpensive disks - избыточный массив недорогих дисков) были представлены исследователями (Петтерсон, Гибсон и Катц) из Калифорнийского университета в Беркли в 1987 году. Но широкое распространение RAID системы получили только тогда, когда диски, которые подходят для использования в избыточных массивах стали доступны и достаточно производительны. Со времени представления официального доклада о RAID в 1988 году, исследования в сфере избыточных дисковых массивов начали бурно развиваться, в попытке обеспечить широкий спектр решений в сфере компромисса - цена-производительность-надежность.

С аббревиатурой RAID в свое время случился казус. Дело в том, что недорогими дисками во время написания статьи назывались все диски, которые использовались в ПК, в противовес дорогим дискам для мейнфрейм (универсальная ЭВМ). Но для использования в массивах RAID пришлось использовать достаточно дорогостоящую аппаратуру по сравнению с другой комплектовкой ПК, поэтому RAID начали расшифровывать как redundant array of independent disks 2 - избыточный массив независимых дисков.

2 - Определение RAID Advisory Board

RAID 0 был представлен индустрией как определение не отказоустойчивого дискового массива. В Беркли RAID 1 был определен как зеркальный дисковый массив. RAID 2 зарезервирован для массивов, которые применяют код Хемминга. Уровни RAID 3, 4, 5 используют четность для защиты данных от одиночных неисправностей. Именно эти уровни, включительно по 5-й были представлены в Беркли, и эта систематика RAID была принята как стандарт де-факто.

Уровни RAID 3,4,5 достаточно популярны, имеют хороший коэффициент использования дискового пространства, но у них есть один существенный недостаток - они устойчивы только к одиночным неисправностям. Особенно это актуально при использовании большого количества дисков, когда вероятность одновременного простоя более чем одного устройства увеличивается. Кроме того, для них характерно длительное восстановление, что также накладывает некоторые ограничения для их использования.

На сегодняшний день разработано достаточно большое количество архитектур, которые обеспечивают работоспособность массива при одновременном отказе любых двух дисков без потери данных. Среди всего множества стоит отметить two-dimensional parity (двухпространственная четность) и EVENODD, которые для кодирования используют четность, и RAID 6, в котором используется кодирование Reed-Solomon.

В схеме использующей двухпространственную четность, каждый блок данных участвует в построении двух независимых кодовых слов. Таким образом, если из строя выходит второй диск в том же кодовом слове, для реконструкции данных используется другое кодовое слово.

Минимальная избыточность в таком массиве достигается при равном количестве столбцов и строчек. И равна: 2 x Square (N Disk) (в «квадрат»).

Если же двухпространственный массив не будет организован в «квадрат», то при реализации вышеуказанной схемы избыточность будет выше.

Архитектура EVENODD имеет похожую на двухпространственную четность схему отказоустойчивости, но другое размещение информационных блоков, которое гарантирует минимальное избыточное использование емкостей. Так же как и в двухпространственной четности каждый блок данных участвует в построении двух независимый кодовых слов, но слова размещены таким образом, что коэффициент избыточности постоянен (в отличие от предыдущей схемы) и равен: 2 x Square (N Disk).

Используя два символа для проверки, четность и недвоичные коды, слово данных может быть сконструировано таким образом, чтобы обеспечить отказоустойчивость при возникновении двойной неисправности. Такая схема известна как RAID 6. Недвоичный код, построенный на основе Reed-Solomon кодирования, обычно вычисляется с использованием таблиц или как итерационный процесс с использованием линейных регистров с обратной связью, а это - относительно сложная операция, требующая специализированных аппаратных средств.

Учитывая то, что применение классических вариантов RAID, реализующих для многих приложений достаточную отказоустойчивость, имеет часто недопустимо низкое быстродействие, исследователи время от времени реализуют различные ходы, которые помогают увеличить быстродействие RAID систем.

В 1996 г. Саведж и Вилкс предложили AFRAID - часто избыточный массив независимых дисков (A Frequently Redundant Array of Independent Disks). Эта архитектура в некоторой степени приносит отказоустойчивость в жертву быстродействию. Делая попытку компенсировать проблему малой записи (small-write problem), характерную для массивов RAID 5-го уровня, разрешается оставлять стрипинг без вычисления четности на некоторый период времени. Если диск, предназначенный для записи четности, занят, то ее запись откладывается. Теоретически доказано, что 25% уменьшение отказоустойчивости может увеличить быстродействие на 97%. AFRAID фактически изменяет модель отказов массивов устойчивых к одиночным неисправностям, поскольку кодовое слово, которое не имеет обновленной четности, восприимчиво к отказам дисков.

Вместо того чтобы приносить в жертву отказоустойчивость, можно использовать такие традиционные способы увеличения быстродействия, как кэширование. Учитывая то, что дисковый трафик имеет пульсирующий характер, можно использовать кеш память с обратной записью (writeback cache) для хранения данных в момент, когда диски заняты. И если кеш-память будет выполнена в виде энергонезависимой памяти, тогда, в случае исчезновения питания, данные будут сохранены. Кроме того, отложенные дисковые операции, дают возможность объединить в произвольном порядке малые блоки для выполнения более эффективных дисковых операций.

Существует также множество архитектур, которые, принося в жертву объем, увеличивают быстродействие. Среди них - отложенная модификация на log диск и разнообразные схемы модификации логического размещение данных в физическое, которые позволяют распределять операции в массиве более эффективно.

Один из вариантов - parity logging (регистрация четности), который предполагает решение проблемы малой записи (small-write problem) и более эффективного использования дисков. Регистрация четности предполагает отложение изменения четности в RAID 5, записывая ее в FIFO log (журнал регистраций типа FIFO), который размещен частично в памяти контроллера и частично на диске. Учитывая то, что доступ к полному треку в среднем в 10 раз более эффективен, чем доступ к сектору, с помощью регистрации четности собираются большие количества данных модифицированной четности, которые потом все вместе записываются на диск, предназначенный для хранения четности по всему треку.

Архитектура floating data and parity (плавающие данные и четность), которая разрешает перераспределить физическое размещение дисковых блоков. Свободные сектора размещаются на каждом цилиндре для уменьшения rotational latency (задержки вращения), данные и четность размещаются на этих свободных местах. Для того, чтобы обеспечить работоспособность при исчезновении питания, карту четности и данных нужно сохранять в энергонезависимой памяти. Если потерять карту размещения все данные в массиве будут потеряны.

Virtual stripping - представляет собой архитектуру floating data and parity с использованием writeback cache. Естественно реализуя положительные стороны обеих.

Кроме того, существуют и другие способы повышения быстродействия, например распределение RAID операций. В свое время фирма Seagate встроила поддержку RAID операций в свои диски с интерфейсом Fibre Chanel и SCSI. Что дало возможность уменьшить трафик между центральным контроллером и дисками в массиве для систем RAID 5. Это было кардинальным новшеством в сфере реализаций RAID, но технология не получила путевки в жизнь, так как некоторые особенности Fibre Chanel и SCSI стандартов ослабляют модель отказов для дисковых массивов.

Для того же RAID 5 была представлена архитектура TickerTAIP. Выглядит она следующим образом - центральный механизм управления originator node (узел-инициатор) получает запросы пользователя, выбирает алгоритм обработки и затем передает работу с диском и четность worker node (рабочий узел). Каждый рабочий узел обрабатывает некоторое подмножество дисков в массиве. Как и в модели фирмы Seagate, рабочие узлы передают данные между собой без участия узла-инициатора. В случае отказа рабочего узла, диски, которые он обслуживал, становятся недоступными. Но если кодовое слово построено так, что каждый его символ обрабатывается отдельным рабочим узлом, то схема отказоустойчивости повторяет RAID 5. Для предупреждения отказов узла-инициатора он дублируется, таким образом, мы получаем архитектуру, устойчивую к отказам любого ее узла. При всех своих положительных чертах эта архитектура страдает от проблемы «ошибки записи» («;write hole»). Что подразумевает возникновение ошибки при одновременном изменении кодового слова несколькими пользователями и отказа узла.

Следует также упомянуть достаточно популярный способ быстрого восстановления RAID - использование свободного диска (spare). При отказе одного из дисков массива, RAID может быть восстановлен с использованием свободного диска вместо вышедшего из строя. Основной особенностью такой реализации есть то, что система переходит в свое предыдущее (отказоустойчивое состояние без внешнего вмешательства). При использовании архитектуры распределения свободного диска (distributed sparing), логические блоки spare диска распределяются физически по всем дискам массива, снимая необходимость перестройки массива при отказе диска.

Для того чтобы избежать проблемы восстановления, характерной для классических уровней RAID, используется также архитектура, которая носит название parity declustering (распределение четности). Она предполагает размещение меньшего количества логических дисков с большим объемом на физические диски меньшего объема, но большего количества. При использовании этой технологии время реакции системы на запрос во время реконструкции улучшается более чем вдвое, а время реконструкции - значительно уменьшается.

Архитектура основных уровней RAID

Теперь давайте рассмотрим архитектуру основных уровней (basic levels) RAID более детально. Перед рассмотрением примем некоторые допущения. Для демонстрации принципов построения RAID систем рассмотрим набор из N дисков (для упрощения N будем считать четным числом), каждый из которых состоит из M блоков.

Данные будем обозначать - D m,n , где m - число блоков данных, n - число подблоков, на которые разбивается блок данных D.

Диски могут подключаться как к одному, так и к нескольким каналам передачи данных. Использование большего количества каналов увеличивает пропускную способность системы.

RAID 0. Дисковый массив без отказоустойчивости (Striped Disk Array without Fault Tolerance)

Представляет собой дисковый массив, в котором данные разбиваются на блоки, и каждый блок записываются (или же считывается) на отдельный диск. Таким образом, можно осуществлять несколько операций ввода-вывода одновременно.

Преимущества :

• наивысшая производительность для приложений требующих интенсивной обработки запросов ввода/вывода и данных большого объема;
• простота реализации;
• низкая стоимость на единицу объема.

Недостатки :

• не отказоустойчивое решение;
• отказ одного диска влечет за собой потерю всех данных массива.

RAID 1. Дисковый массив с дублированием или зеркалка (mirroring)

Зеркалирование - традиционный способ для повышения надежности дискового массива небольшого объема. В простейшем варианте используется два диска, на которые записывается одинаковая информация, и в случае отказа одного из них остается его дубль, который продолжает работать в прежнем режиме.

Преимущества :

• простота реализации;
• простота восстановления массива в случае отказа (копирование);
• достаточно высокое быстродействие для приложений с большой интенсивностью запросов.

Недостатки :

• высокая стоимость на единицу объема - 100% избыточность;
• невысокая скорость передачи данных.

RAID 2. Отказоустойчивый дисковый массив с использованием кода Хемминга (Hamming Code ECC).

Избыточное кодирование, которое используется в RAID 2, носит название кода Хемминга. Код Хемминга позволяет исправлять одиночные и обнаруживать двойные неисправности. Сегодня активно используется в технологии кодирования данных в оперативной памяти типа ECC. И кодировании данных на магнитных дисках.

В данном случае показан пример с фиксированным количеством дисков в связи с громоздкостью описания (слово данных состоит из 4 бит, соответственно ECC код из 3-х).

Преимущества :

• быстрая коррекция ошибок («на лету»);
• очень высокая скорость передачи данных больших объемов;
• при увеличении количества дисков, накладные расходы уменьшаются;
• достаточно простая реализация.

Недостатки :

• высокая стоимость при малом количестве дисков;
• низкая скорость обработки запросов (не подходит для систем ориентированных на обработку транзакций).

RAID 3. Отказоустойчивый массив с параллельной передачей данных и четностью (Parallel Transfer Disks with Parity)

Данные разбиваются на подблоки на уровне байт и записываются одновременно на все диски массива кроме одного, который используется для четности. Использование RAID 3 решает проблему большой избыточности в RAID 2. Большинство контрольных дисков, используемых в RAID уровня 2, нужны для определения положения неисправного разряда. Но в этом нет нужды, так как большинство контроллеров в состоянии определить, когда диск отказал при помощи специальных сигналов, или дополнительного кодирования информации, записанной на диск и используемой для исправления случайных сбоев.

Преимущества :

• очень высокая скорость передачи данных;
• отказ диска мало влияет на скорость работы массива;

Недостатки :

• непростая реализация;
• низкая производительность при большой интенсивности запросов данных небольшого объема.

RAID 4. Отказоустойчивый массив независимых дисков с разделяемым диском четности (Independent Data disks with shared Parity disk)

Данные разбиваются на блочном уровне. Каждый блок данных записывается на отдельный диск и может быть прочитан отдельно. Четность для группы блоков генерируется при записи и проверяется при чтении. RAID уровня 4 повышает производительность передачи небольших объемов данных за счет параллелизма, давая возможность выполнять более одного обращения по вводу/выводу одновременно. Главное отличие между RAID 3 и 4 состоит в том, что в последнем, расслоение данных выполняется на уровне секторов, а не на уровне битов или байтов.

Преимущества :

• очень высокая скорость чтения данных больших объемов;
• высокая производительность при большой интенсивности запросов чтения данных;
• малые накладные расходы для реализации избыточности.

Недостатки :

• очень низкая производительность при записи данных;
• низкая скорость чтения данных малого объема при единичных запросах;
• асимметричность быстродействия относительно чтения и записи.

RAID 5. Отказоустойчивый массив независимых дисков с распределенной четностью (Independent Data disks with distributed parity blocks)

Этот уровень похож на RAID 4, но в отличие от предыдущего четность распределяется циклически по всем дискам массива. Это изменение позволяет увеличить производительность записи небольших объемов данных в многозадачных системах. Если операции записи спланировать должным образом, то, возможно, параллельно обрабатывать до N/2 блоков, где N - число дисков в группе.

Преимущества :

• высокая скорость записи данных;
• достаточно высокая скорость чтения данных;
• высокая производительность при большой интенсивности запросов чтения/записи данных;
• малые накладные расходы для реализации избыточности.

Недостатки :

• скорость чтения данных ниже, чем в RAID 4;
• низкая скорость чтения/записи данных малого объема при единичных запросах;
• достаточно сложная реализация;
• сложное восстановление данных.

RAID 6. Отказоустойчивый массив независимых дисков с двумя независимыми распределенными схемами четности (Independent Data disks with two independent distributed parity schemes)

Данные разбиваются на блочном уровне, аналогично RAID 5, но в дополнение к предыдущей архитектуре используется вторая схема для повышения отказоустойчивости. Эта архитектура является устойчивой к двойным отказам. Однако при выполнении логической записи реально происходит шесть обращений к диску, что сильно увеличивает время обработки одного запроса.

Преимущества :

• высокая отказоустойчивость;
• достаточно высокая скорость обработки запросов;
• относительно малые накладные расходы для реализации избыточности.

Недостатки :

• очень сложная реализация;
• сложное восстановление данных;
• очень низкая скорость записи данных.

Современные RAID контроллеры позволяют комбинировать различные уровни RAID. Таким образом, можно реализовать системы, которые объединяют в себе достоинства различных уровней, а также системы с большим количеством дисков. Обычно это комбинация нулевого уровня (stripping) и какого либо отказоустойчивого уровня.

RAID 10. Отказоустойчивый массив с дублированием и параллельной обработкой

Эта архитектура являет собой массив типа RAID 0, сегментами которого являются массивы RAID 1. Он объединяет в себе очень высокую отказоустойчивость и производительность.

Преимущества :

• высокая отказоустойчивость;
• высокая производительность.

Недостатки :

• очень высокая стоимость;
• ограниченное масштабирование.

RAID 30. Отказоустойчивый массив с параллельной передачей данных и повышенной производительностью.

Представляет собой массив типа RAID 0, сегментами которого являются массивы RAID 3. Он объединяет в себе отказоустойчивость и высокую производительность. Обычно используется для приложений требующих последовательной передачи данных больших объемов.

Преимущества :

• высокая отказоустойчивость;
• высокая производительность.

Недостатки :

• высокая стоимость;
• ограниченное масштабирование.

RAID 50. Отказоустойчивый массив с распределенной четностью и повышенной производительностью

Являет собой массив типа RAID 0, сегментами которого являются массивы RAID 5. Он объединяет в себе отказоустойчивость и высокую производительность для приложений с большой интенсивностью запросов и высокую скорость передачи данных.

Преимущества :

• высокая отказоустойчивость;
• высокая скорость передачи данных;
• высокая скорость обработки запросов.

Недостатки :

• высокая стоимость;
• ограниченное масштабирование.

RAID 7. Отказоустойчивый массив, оптимизированный для повышения производительности. (Optimized Asynchrony for High I/O Rates as well as High Data Transfer Rates). RAID 7® является зарегистрированной торговой маркой Storage Computer Corporation (SCC)

Для понимания архитектуры RAID 7 рассмотрим ее особенности:

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

Преимущества :

• высокая скорость передачи данных и высокая скорость обработки запросов (1.5 - 6 раз выше других стандартных уровней RAID);
• высокая масштабируемость хост интерфейсов;
• скорость записи данных увеличивается с увеличением количества дисков в массиве;
• для вычисления четности нет необходимости в дополнительной передаче данных.

Недостатки :

• собственность одного производителя;
• очень высокая стоимость на единицу объема;
• короткий гарантийный срок;
• не может обслуживаться пользователем;
• нужно использовать блок бесперебойного питания для предотвращения потери данных из кеш памяти.

Рассмотрим теперь стандартные уровни вместе для сравнения их характеристик. Сравнение производится в рамках архитектур, упомянутых в таблице.

Уточнения :

• * - рассматривается обычно используемый вариант;
• k - количество подсегментов;
• R - чтение;
• W - запись.

Некоторые аспекты реализации RAID систем

Рассмотрим три основных варианта реализации RAID систем:

• программная (software-based);
• аппаратная - шинно-ориентированная (bus-based);
• аппаратная - автономная подсистема (subsystem-based).

Нельзя однозначно сказать, что какая-либо реализация лучше, чем другая. Каждый вариант организации массива удовлетворяет тем или иным потребностям пользователя в зависимости от финансовых возможностей, количества пользователей и используемых приложений.

Каждая из вышеперечисленных реализаций базируется на исполнении программного кода. Отличаются они фактически тем, где этот код исполняется: в центральном процессоре компьютера (программная реализация) или в специализированном процессоре на RAID контроллере (аппаратная реализация).

Главное преимущество программной реализации - низкая стоимость. Но при этом у нее много недостатков: низкая производительность, загрузка дополнительной работой центрального процессора, увеличение шинного трафика. Программно обычно реализуют простые уровни RAID - 0 и 1, так как они не требуют значительных вычислений. Учитывая эти особенности, RAID системы с программной реализацией используются в серверах начального уровня.

Аппаратные реализации RAID соответственно стоят больше чем программные, так как используют дополнительную аппаратуру для выполнения операций ввода вывода. При этом они разгружают или освобождают центральный процессор и системную шину и соответственно позволяют увеличить быстродействие.

Шинно-ориентированные реализации представляют собой RAID контроллеры, которые используют скоростную шину компьютера, в который они устанавливаются (в последнее время обычно используется шина PCI). В свою очередь шинно-ориентированные реализации можно разделить на низкоуровневые и высокоуровневые. Первые обычно не имеют SCSI чипов и используют так называемый RAID порт на материнской плате со встроенным SCSI контроллером. При этом функции обработки кода RAID и операций ввода/вывода распределяются между процессором на RAID контроллере и чипами SCSI на материнской плате. Таким образом, центральный процессор освобождается от обработки дополнительного кода и уменьшается шинный трафик по сравнению с программным вариантом. Стоимость таких плат обычно небольшая, особенно если они ориентированы на системы RAID - 0 или 1 (есть также реализации RAID 3, 5, 10, 30, 50, но они дороже), благодаря чему они понемногу вытесняют программные реализации с рынка серверов начального уровня. Высокоуровневые контроллеры с шинной реализацией имеют несколько другую структуру, чем их младшие братья. Они берут на себя все функции, связанные с вводом/выводом и исполнением RAID кода. Кроме того, они не так зависимы от реализации материнской платы и, как правило, имеют больше возможностей (например, возможность подключения модуля для хранения информации в кеш в случае отказа материнской платы или исчезновения питания). Такие контроллеры обычно стоят дороже низкоуровневых и используются в серверах среднего и высокого уровня. Они, как правило, реализуют RAID уровней 0,1, 3, 5, 10, 30, 50. Учитывая то, что шинно-ориентированные реализации подключаются прямо к внутренней PCI шине компьютера, они являются наиболее производительными среди рассматриваемых систем (при организации одно-хостовых систем). Максимальное быстродействие таких систем может достигать 132 Мбайт/с (32bit PCI) или же 264 Мбайт/с (64bit PCI) при частоте шины 33MHz.

Вместе с перечисленными преимуществами шинно-ориентированная архитектура имеет следующие недостатки:

• зависимость от операционной системы и платформы;
• ограниченная масштабируемость;
• ограниченные возможности по организации отказоустойчивых систем.

Всех этих недостатков можно избежать, используя автономные подсистемы. Эти системы имеют полностью автономную внешнюю организацию и в принципе являют собой отдельный компьютер, который используется для организации систем хранения информации. Кроме того, в случае удачного развития технологии оптоволоконных каналов быстродействие автономных систем ни в чем не будет уступать шинно-ориентированным системам.

Обычно внешний контроллер ставится в отдельную стойку и в отличие от систем с шинной организацией может иметь большое количество каналов ввода/вывода, в том числе и хост-каналов, что дает возможность подключать к системе несколько хост-компьютеров и организовывать кластерные системы. В системах с автономным контроллером можно реализовать горячее резервирование контроллеров.

Одним из недостатков автономных систем остается их большая стоимость.

Учитывая вышесказанное, отметим, что автономные контроллеры обычно используются для реализации высокоемких хранилищ данных и кластерных систем.

Жесткие диски выполняют не последнюю роль в компьютере. На них хранится различная информация пользователя, с них осуществляется запуск ОС и т.п. Жесткие диски не вечны и имеют определенный запас прочности. А также каждый жесткий диск обладает своими отличительными характеристиками.

Скорее всего, когда-нибудь вы слышали о том, что из обычных жестких дисков можно сделать так называемые рейд-массивы. Это необходимо для того, чтобы улучшить работу накопителей, а также обеспечить надежность хранения информации. Кроме того, такие массивы могут иметь свои номера (0, 1, 2, 3, 4 и т.д.). В данной статье мы расскажем вам о RAID-массивах.

RAID представляется собой совокупность жестких дисков или же дисковый массив. Как мы уже говорили, такой массив обеспечивает надежность хранения данных, а также повышает скорость чтения или записи информации. Существуют различные конфигурации RAID-массивов, которые отмечаются номера 1, 2, 3, 4 и т.д. и отличаются функциями, которые они выполняют. Благодаря использованию таких массивов с конфигурацией 0 вы значительно улучшите производительность. Единичный RAID-массив гарантирует полнейшую сохранность ваших данных, так как если один из дисков выйдет из строя, то информация будет находиться на втором жестком диске.

По сути, RAID-массив – это 2 или n-ное количество жестких дисков, подключенных к материнской плате, которая поддерживает возможность создания рейдов. Программно вы можете выбрать конфигурацию рейда, то есть указать, каким образом эти самые диски должны работать. Для этого потребуется указать настройки в БИОСе.

Для установки массива нам потребуется материнская плата, которая поддерживает технологию рейд, 2 одинаковых (полностью по всем параметрам) жестких диска, которые и подключаем к материнской плате. В БИОСе необходимо выставить параметр SATA Configuration : RAID. При загрузке компьютера нажимаем сочетание клавиш CTR-I, и уже там осуществляем настройку RAID. И уже после этого как обычно осуществляем установку Windows.

Стоит обратить внимание на то, что если вы создаете или удаляете рейд, то вся информация, которая имеется на накопителях, удаляется. Поэтому необходимо предварительно сделать её копию.

Давайте рассмотрим конфигурации RAID, о которых мы уже говорили. Их несколько: RAID 1, RAID 2, RAID 3, RAID 4, RAID 5, RAID 6 и т.д.

RAID-0 (striping) , он же массив нулевого уровня или «нулевой массив». Данный уровень на порядок повышает скорость работы с дисками, но не обеспечивает дополнительной отказоустойчивости. На самом деле, эта конфигурация является рейд-массивом сугубо формально, ведь при такой конфигурации отсутствует избыточность. Запись в такой связке происходит блоками, поочерёдно записываемыми на разные диски массива. Главным минусом здесь является ненадёжность хранения данных: при выходе из строя одного из дисков массива, вся информация уничтожается. Почему так получается? А получается это потому, что каждый файл может быть записан блоками сразу на несколько винчестеров, и при неисправности любого из них нарушается целостность файла, а, следовательно, восстановить его не является возможным. Если вы цените быстродействие и регулярно делаете бэкапы, то этот уровень массива можно применять на домашнем ПК, что даст ощутимый прирост в производительности.

RAID-1 (mirroring) – «зеркальный режим». Можно назвать этот уровень RAID-массивов уровнем для параноиков: этот режим почти не даёт никакого прироста к производительности системы, но абсолютно защищает ваши данные от повреждения. Даже выведя из строя один из дисков, точная копия утраченного будет храниться на другом диске. Этот режим, как и первый, также можно реализовать на домашнем ПК людям, чрезвычайно дорожащим данными на их дисках.

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

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

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

RAID 3 и RAID 4

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

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

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

RAID-5 . Так называемый отказоустойчивый массив независимых дисков с распределённым хранением контрольных сумм. Это значит, что на массиве из n дисков, n-1 диск будет отведён под непосредственное хранение данных, а последний будет хранить контрольную сумму итерации n-1 страйпа. Чтобы объяснить наглядней, представим, что нам требуется записать некоторый файл. Он поделится на порции одинаковой длины и поочередно начнет циклично записываться на все n-1 дисков. На последний диск будет записываться контрольная сумма байтов порций данных каждой итерации, где контрольная сумма будет реализована поразрядной операцией XOR.

Стоит сразу предупредить, что при выходе из строя любого из дисков, он весь перейдёт в аварийный режим, что существенно снизит быстродействие, т.к. для сборки файла воедино будут производиться лишние манипуляции для восстановления его «пропавших» частей. При выходе из строя одновременно двух и более дисков, информацию, хранимую на них, невозможно будет восстановить. В целом, реализация рейд-массива пятого уровня обеспечивает достаточно высокую скорость доступа, параллельный доступ к различным файлам и хорошую отказоустойчивость.

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

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

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

Комбинированные типы RAID

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

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

Построение массива дисков — от теории к практике

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

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