Короткий огляд технології RAID

У цьому документі описуються базові елементи технології RAID і наведено короткий огляд різних рівнів RAID.

• RAID 2, 3

  RAID 4, 5

  Таблиця: переваги та недоліки основних рівнів RAID

RAID- це акронім від Redundant Array of Independent Disks.

Дисковий масив - це набір дискових пристроїв, що працюють разом, щоб підвищити швидкість та надійність системи вводу/виводу. Цим набором пристроїв керує спеціальний RAID-контролер ( контролер масиву), який інкапсулює в собі функції розміщення даних масиву; а для решти системи дозволяє представляти весь масив як один логічний пристрій введення/виводу. За рахунок паралельного виконання операцій читання та запису на декількох дисках, масив забезпечує підвищену швидкість обмінів у порівнянні з одним великим диском.

Масиви також можуть забезпечувати надмірне зберігання даних, щоб дані не були втрачені у разі виходу з ладу одного з дисків. Залежно від рівня RAID, проводиться або віддзеркалення або розподіл даних по дисках.

Рівні RAID

Кожен із чотирьох основних рівнів RAID використовує унікальний метод записування даних на диски, і тому всі рівні забезпечують різні переваги. Рівні RAID 1,3 та 5 забезпечують дзеркалювання або зберігання бітів парності; і тому дозволяють відновити інформацію у разі збою одного з дисків.

RAID рівня 0

Технологія RAID 0 також відома як розподіл даних ( data striping). З використанням цієї технології, інформація розбивається на шматки (фіксовані обсяги даних, зазвичай іменовані блоками); і ці шматки записуються на диски та зчитуються з них у паралель. З погляду продуктивності це означає два основні переваги:

підвищується пропускна здатність послідовного введення/виводу за рахунок одночасного завантаження кількох інтерфейсів.

знижується латентність випадкового доступу; декілька запитів до різних невеликих сегментів інформації можуть виконуватись одночасно.

Нестача: рівень RAID 0 призначений виключно для підвищення продуктивності і не забезпечує надмірності даних. Тому будь-які дискові збої вимагатимуть відновлення інформації із резервних носіїв.

Мал. 1. Схема роботи масиву та розподіл даних по дисках для RAID 0. Примітка: сегмент- це 2 дискові блоки по 512 байт.

RAID рівня 1

Технологія RAID 1 також відома як дзеркало ( disk mirroring). У цьому випадку копії кожного шматка інформації зберігаються на окремому диску; або, зазвичай, кожен (використовується) диск має "двійника", який зберігає точну копіюцього диска. Якщо відбувається збій одного з основних дисків, цей заміщається своїм "двійником". Продуктивність довільного читання може бути покращена, якщо для читання інформації використовуватиметься той із "двійників", головка якого розташована ближче до необхідного блоку.

Час запису може бути трохи більше, ніж для одного диска, залежно від стратегії запису: запис на два диски може здійснюватися або паралель (для швидкості), або суворо послідовно (для надійності).

Рівень RAID 1 добре підходить для додатків, які вимагають високої надійності, низької латентності при читанні, а також, якщо не потрібна мінімізація вартості. RAID 1 забезпечує надмірність зберігання інформації, але у будь-якому випадку слід підтримувати резервну копіюданих, т.к. це єдиний спосіб відновити випадково видалені файличи директорії.

Мал. 2. Розподіл даних на дисках для RAID 1.

RAID рівнів 2 та 3

Технологія RAID рівнів 2 та 3 передбачає паралельну ("в унісон") роботу всіх дисків. Ця архітектура вимагає зберігання бітів парності кожного елемента інформації, розподіленого по дискам. Відмінність RAID 3 від RAID 2 полягає лише в тому, що RAID 2 використовує для зберігання бітів парності кілька дисків, тоді як RAID 3 використовує лише один. RAID 2 використовується дуже рідко.

Якщо відбувається збій одного диска з даними, то система може відновити його вміст за вмістом інших дисків з даними та диска з парністю.

Продуктивність у цьому випадку дуже велика для великих обсягів інформації, але може бути дуже скромною для малих обсягів, оскільки читання декількох невеликих сегментів інформації неможливо перекривається.

Мал. 3. Розподіл даних на дисках для RAID 3.

RAID рівнів 4 та 5

RAID 4 виправляє деякі недоліки технології RAID 3 за рахунок використання великих сегментів інформації, що розподіляються на всіх дисках, за винятком диска з парністю. При цьому для невеликих обсягів інформації використовується лише диск, на якому потрібна інформація. Це означає, що можливе одночасне виконання кількох запитів на читання. Однак запити на запис породжують блокування під час запису інформації парності. RAID 4 використовується дуже рідко.

Технологія RAID 5 дуже схожа на RAID 4, але усуває пов'язані з нею блокування. Відмінність полягає в тому, що інформація парності розподіляється на всіх дисках масиву. У разі можливі як одночасні операції читання, і записи.

Ця технологія добре підходить для програм, які працюють з невеликими обсягами даних, наприклад, для систем обробки транзакцій.

Мал. 4. Розподіл даних на дисках для RAID 5.

Переваги та недоліки основних рівнів RAID

Перенесення центру тяжкості з процесорно-орієнтованих на дата-орієнтовані програми зумовлює підвищення значущості систем зберігання даних. Разом з цим проблема низької пропускної спроможності та стійкості до відмов характерна для таких систем завжди була досить важливою і завжди вимагала свого вирішення.

У сучасній комп'ютерній індустрії як вторинна система зберігання даних повсюдно використовуються магнітні диски, бо, незважаючи на всі свої недоліки, вони мають найкращими характеристикамидля відповідного типу пристроїв за доступною ціною.

Особливості технології побудови магнітних дисків призвели до значної невідповідності між збільшенням продуктивності процесорних модулів та самих магнітних дисків. Якщо 1990 р. найкращими серед серійних були 5.25″ диски із середнім часом доступу 12мс та часом затримки 5 мс (при обертах шпинделя близько 5 000 об/м 1 ), то сьогодні пальма першості належить 3.5″ дискам із середнім часом часом затримки 1 мс (при оборотах шпинделя 10000 об/м). Тут ми бачимо покращення технічних характеристикна величину близько 100%. Водночас швидкодія процесорів збільшилася більш ніж на 2 000%. Багато в чому це стало можливим завдяки тому, що процесори мають прямі переваги використання VLSI (надбільшої інтеграції). Її використання не тільки дає можливість збільшувати частоту, а й кількість компонентів, які можуть бути інтегровані в чіп, що дає змогу впроваджувати архітектурні переваги, що дозволяють здійснювати паралельні обчислення.

1 - Усереднені дані.

Ситуацію, що склалася, можна охарактеризувати як кризу введення-виведення вторинної системи зберігання даних.

Збільшуємо швидкодію

Неможливість значного збільшення технологічних параметрів магнітних дисків спричиняє необхідність пошуку інших шляхів, одним із яких є паралельна обробка.

Якщо розмістити блок даних N дисків деякого масиву і організувати це розміщення так, щоб існувала можливість одночасного зчитування інформації, то цей блок можна буде вважати в N раз швидше, (без урахування часу формування блоку). Оскільки всі дані передаються паралельно, це архітектурне рішення називається parallel-access array(Масив з паралельним доступом).

Масиви з паралельним доступом зазвичай використовуються для додатків, що вимагають передачі великого розміру.

Деякі завдання, навпаки, характерні великою кількістюмалих запитів. До таких завдань належать, наприклад, завдання обробки баз даних. Розташовуючи записи бази даних дисків масиву, можна розподілити завантаження, незалежно позиціонуючи диски. Таку архітектуру прийнято називати independent-access array(Масив з незалежним доступом).

Збільшуємо відмовостійкість

На жаль, зі збільшенням кількості дисків у масиві, надійність всього масиву зменшується. При незалежних відмовах та експоненційному законі розподілу напрацювання на відмову, MTTF всього масиву (mean time to failure – середній час безвідмовної роботи) обчислюється за формулою MTTF array = MMTF hdd / N hdd (MMTF hdd – середній час безвідмовної роботи одного диска; NHDD – кількість дисків).

Таким чином, виникає необхідність підвищення стійкості до відмови дискових масивів. Для підвищення стійкості до відмови масивів використовують надмірне кодування. Існує два основних типи кодування, які застосовуються в надмірних дискових масивах – це дублювання та парність.

Дублювання, або дзеркалізація - найчастіше використовують у дискових масивах. Прості дзеркальні системи використовують дві копії даних, кожна копія розміщується на окремих дисках. Ця схема досить проста і не вимагає додаткових апаратних витрат, але має одну істотну нестачу - вона використовує 50% дискового простору для зберігання копії інформації.

Другий спосіб реалізації надлишкових дискових масивів – використання надлишкового кодування за допомогою обчислення парності. Четність обчислюється як операція XOR всіх символів у слові даних. Використання парності в надмірних дискових масивах зменшує накладні витрати до величини, що обчислюється формулою: НР hdd = 1/N hdd (НР hdd – накладні витрати; N hdd – кількість дисків у масиві).

Історія та розвиток RAID

Незважаючи на те, що системи зберігання даних, засновані на магнітних дисках, Виробляються вже 40 років, масове виробництво відмовостійких систем почалося зовсім недавно. Дискові масиви з надмірністю даних, які прийнято називати RAID (redundant arrays of inexpensive disks – надлишковий масив недорогих дисків) були представлені дослідниками (Петтерсон, Гібсон та Катц) з Каліфорнійського університету в Берклі у 1987 році. Але широке поширення RAID системи набули лише тоді, коли диски, які підходять для використання у надлишкових масивах стали доступними та досить продуктивними. З часу подання офіційної доповіді про RAID у 1988 році, дослідження у сфері надмірних дискових масивів почали бурхливо розвиватися, намагаючись забезпечити широкий спектр рішень у сфері компромісу - ціна-продуктивність-надійність.

З абревіатурою RAID свого часу трапився казус. Справа в тому, що недорогими дисками під час написання статті називалися всі диски, які використовувалися в ПК, на противагу дорогим дискам для мейнфрейму (універсальна ЕОМ). Але для використання в масивах RAID довелося використовувати досить дорогу апаратуру в порівнянні з іншим комплектуванням ПК, тому RAID почали розшифровувати як redundant array of independent disks 2 – надмірний масив незалежних дисків.

2 - Визначення RAID Advisory Board

RAID 0 був представлений індустрією як визначення неустойчивого дискового масиву. У Берклі RAID 1 було визначено як дзеркальний масив. RAID 2 зарезервований для масивів, які використовують код Хеммінгу. Рівні RAID 3, 4, 5 використовують парність захисту даних від одиночних несправностей. Саме ці рівні, включно по 5-й, були представлені в Берклі, і ця систематика RAID була прийнята як стандарт де-факто.

Рівні RAID 3,4,5 досить популярні, мають хороший коефіцієнт використання дискового простору, але вони мають один істотний недолік - вони стійкі лише до одиночних несправностей. Особливо це актуально при використанні великої кількості дисків, коли можливість одночасного простою більш ніж одного пристрою збільшується. Крім того, для них характерне тривале відновлення, що також накладає деякі обмеження для їхнього використання.

На сьогоднішній день розроблено досить велику кількість архітектур, які забезпечують працездатність масиву при одночасній відмові будь-яких двох дисків без втрати даних. Серед усієї множини варто відзначити 2-dimensional parity (двопросторова парність) і EVENODD, які для кодування використовують парність, і RAID 6, в якому використовується кодування Reed-Solomon.

У схемі, яка використовує двопросторову парність, кожен блок даних бере участь у побудові двох незалежних кодових слів. Таким чином, якщо з ладу виходить другий диск у тому самому кодовому слові, для реконструкції даних використовується інше кодове слово.

Мінімальна надмірність у такому масиві досягається при рівній кількості стовпців та рядків. І дорівнює: 2 x Square (N Disk) (в "квадрат").

Якщо ж двопросторовий масив не буде організований у «квадрат», то при реалізації вищезгаданої схеми надмірність буде вищою.

Архітектура EVENODD має схожу на двопросторову парність схему стійкості до відмови, але інше розміщення інформаційних блоків, яке гарантує мінімальне надмірне використання ємностей. Так само як і в двопросторовій парності кожен блок даних бере участь у побудові двох незалежних кодових слів, але слова розміщені таким чином, що коефіцієнт надмірності постійний (на відміну від попередньої схеми) і дорівнює: 2 x Square (N Disk).

Використовуючи два символи для перевірки, парність і недвійкові коди, слово даних може бути сконструйовано таким чином, щоб забезпечити стійкість до відмови при виникненні подвійної несправності. Така схема відома як RAID 6. Недвійковий код, побудований на основі кодування Reed-Solomon, зазвичай обчислюється з використанням таблиць або як ітераційний процес з використанням лінійних регістрівз зворотним зв'язком, а це - відносно складна операція, яка потребує спеціалізованих апаратних засобів.

Враховуючи те, що застосування класичних варіантів RAID, що реалізують для багатьох додатків достатню стійкість до відмов, має часто неприпустимо низьку швидкодію, дослідники час від часу реалізують різні ходи, які допомагають збільшити швидкодію RAID систем.

У 1996 р. Саведж і Вілкс запропонували AFRAID - часто надмірний масив незалежних дисків (A Frequently Redundant Array of Independent Disks). Ця архітектура певною мірою приносить відмовостійкість у жертву швидкодії. Роблячи спробу компенсувати проблему малого запису (small-write problem), характерну для масивів RAID 5-го рівня, дозволяється залишати стрипінг без обчислення парності на певний період. Якщо диск, призначений для запису парності, зайнятий, його запис відкладається. Теоретично доведено, що 25% зменшення відмовостійкості може збільшити швидкодію на 97%. AFRAID фактично змінює модель відмов масивів стійких до одиночних несправностей, оскільки кодове слово, яке має оновленої парності, сприйнятливе до відмов дисків.

Замість того, щоб приносити в жертву стійкість до відмов, можна використовувати такі традиційні способи збільшення швидкодії, як кешування. Враховуючи те, що дисковий трафік має пульсуючий характер, можна використовувати кеш пам'ять зі зворотним записом (writeback cache) для зберігання даних у момент, коли диски зайняті. І якщо кеш-пам'ять буде виконано у вигляді енергонезалежної пам'яті, тоді у разі зникнення живлення дані будуть збережені. Крім того, відкладені дискові операції дають можливість об'єднати в довільному порядку малі блоки для виконання ефективніших дискових операцій.

Існує також безліч архітектур, які, приносячи в жертву обсяг, збільшують швидкодію. Серед них - відкладена модифікація на log диск та різноманітні схеми модифікації логічного розміщення даних у фізичному, які дозволяють розподіляти операції в масиві більш ефективно.

Один з варіантів - parity logging(реєстрація парності), який передбачає вирішення проблеми малого запису (small-write problem) та ефективнішого використання дисків. Реєстрація парності передбачає відкладення зміни парності у RAID 5, записуючи її у FIFO log (журнал реєстрацій типу FIFO), який розміщений частково у пам'яті контролера та частково на диску. Враховуючи те, що доступ до повного треку в середньому в 10 разів більш ефективний, ніж доступ до сектора, за допомогою реєстрації парності збираються великі кількості даних модифікованої парності, які потім записуються на диск, призначений для зберігання парності по всьому треку.

Архітектура floating data and parity(Плаваючі дані та парність), яка дозволяє перерозподілити фізичне розміщення дискових блоків. Вільні сектори розміщуються на кожному циліндрі для зменшення rotational latency(затримки обертання), дані та парність розміщуються на цих вільних місцях. Для того, щоб забезпечити працездатність при зникненні живлення, карту парності та даних потрібно зберігати в незалежній пам'яті. Якщо втратити карту розміщення, всі дані в масиві будуть втрачені.

Virtual stripping- є архітектурою floating data and parity з використанням writeback cache. Природно реалізуючи позитивні сторониобох.

Крім того, існують інші способи підвищення швидкодії, наприклад розподіл RAID операцій. У свій час фірма Seagate вбудувала підтримку RAID операцій у свої диски з інтерфейсом Fibre Chanel та SCSI. Що дало можливість зменшити трафік між центральним контролеромі дисками в масиві для систем RAID 5. Це було кардинальним нововведенням у сфері реалізацій RAID, але технологія не отримала путівки в життя, оскільки деякі особливості Fibre Chanel та SCSI стандартів послаблюють модель відмов для дискових масивів.

Для того ж RAID 5 було представлено архітектуру TickerTAIP. Виглядає вона так - центральний механізм управління originator node (вузол-ініціатор) отримує запити користувача, вибирає алгоритм обробки і потім передає роботу з диском і парність worker node (робочий вузол). Кожен робочий вузол обробляє деяке підмножина дисків масиві. Як і моделі фірми Seagate, робочі вузли передають дані між собою без участі вузла-ініціатора. У разі відмови робочого вузла диски, які він обслуговував, стають недоступними. Але якщо кодове слово побудовано так, що кожен його символ обробляється окремим робочим вузлом, то схема стійкості до відмови повторює RAID 5. Для попередження відмов вузла-ініціатора він дублюється, таким чином, ми отримуємо архітектуру, стійку до відмов будь-якого її вузла. При всіх своїх позитивних рисах ця архітектура страждає від проблеми «помилки запису» («write hole»). Що передбачає виникнення помилки при одночасному зміні кодового слова кількома користувачами та відмови вузла.

Слід також згадати досить популярний спосіб швидкого відновлення RAID - використання вільного диска(Spare). При відмові одного з дисків масиву, RAID може бути відновлений з використанням вільного диска замість того, що вийшов з ладу. Основною особливістю такої реалізації є те, що система переходить у свій попередній (відмовостійкий стан без зовнішнього втручання). При використанні архітектури розподілу вільного диска (distributed sparing), логічні блоки spare диска розподіляються фізично по всіх дисках масиву, знімаючи необхідність перебудови масиву при відмові диска.

Для того щоб уникнути проблеми відновлення, характерної для класичних рівнів RAID, використовується також архітектура, яка має назву parity declustering(Розділ парності). Вона передбачає розміщення меншої кількості логічних дисків із більшим обсягом на фізичні диски меншого обсягу, але більшої кількості. При використанні цієї технології час реакції системи на запит під час реконструкції покращується більш ніж удвічі, а час реконструкції значно зменшується.

Архітектура основних рівнів RAID

Тепер розглянемо архітектуру основних рівнів (basic levels) RAID детальніше. Перед розглядом приймемо деякі припущення. Для демонстрації принципів побудови RAID систем розглянемо набір з N дисків (для спрощення N вважатимемо парним числом), кожен із яких складається з M блоків.

Дані позначатимемо - D m,n , де m - число блоків даних, n - число підблоків, на які розбивається блок даних D.

Диски можуть підключатися як до одного, так і кількох каналів передачі даних. Використання більшої кількості каналів підвищує пропускну здатність системи.

RAID 0. Дисковий масив без відмовостійкості (Striped Disk Array without Fault Tolerance)

Є дисковим масивом, в якому дані розбиваються на блоки, і кожен блок записуються (або ж зчитується) на окремий диск. Таким чином, можна здійснювати кілька операцій введення-виведення одночасно.

Переваги:

• найвища продуктивність для додатків, які потребують інтенсивної обробки запитів введення/виводу та даних великого обсягу;
• простота реалізації;
• низька вартість одиницю обсягу.

Недоліки:

• не відмовостійке рішення;
• відмова одного диска тягне у себе втрату всіх даних масиву.

RAID 1. Дисковий масив із дублюванням або дзеркалка (mirroring)

Дзеркаловання - традиційний спосіб підвищення надійності дискового масиву невеликого обсягу. У найпростішому варіанті використовується два диски, на які записується однакова інформація, і у разі відмови одного з них залишається дубль, який продовжує працювати в колишньому режимі.

Переваги:

• простота реалізації;
• простота відновлення масиву у разі відмови (копіювання);
• досить висока швидкодія для додатків із великою інтенсивністю запитів.

Недоліки:

• висока вартість на одиницю обсягу – 100% надмірність;
• невисока швидкість передачі.

RAID 2. Відмовостійкий дисковий масив із використанням коду Хеммінгу (Hamming Code ECC).

Надмірне кодування, яке використовується в RAID 2, має назву коду Хеммінга. Код Хеммінгу дозволяє виправляти поодинокі та виявляти подвійні несправності. Сьогодні активно використовується у технології кодування даних в оперативній пам'яті типу ECC. І кодування даних на магнітних дисках.

В даному випадку показаний приклад із фіксованою кількістю дисків у зв'язку з громіздкістю опису (слово даних складається з 4 біт, відповідно ECC код із 3-х).

Переваги:

• швидка корекція помилок («на льоту»);
• дуже висока швидкість передачі великих обсягів;
• зі збільшенням кількості дисків, накладні витрати зменшуються;
• досить проста реалізація.

Недоліки:

• висока вартість при малій кількості дисків;
• низька швидкістьобробки запитів (не підходить для систем, орієнтованих на обробку транзакцій).

RAID 3. Відмовостійкий масив з паралельною передачею даних та парністю (Parallel Transfer Disks with Parity)

Дані розбиваються на підблоки на рівні байт і записуються одночасно на всі диски масиву, крім одного, який використовується для парності. Використання RAID 3 вирішує проблему великої надмірності в RAID 2. Більшість контрольних дисків, які у RAID рівня 2, потрібні визначення положення несправного розряду. Але цього немає потреби, оскільки більшість контролерів може визначити, коли диск відмовив за допомогою спеціальних сигналів, або додаткового кодування інформації, записаної на диск і використовуваної для виправлення випадкових збоїв.

Переваги:

• дуже висока швидкість передачі;
• відмова диска мало впливає швидкість роботи масиву;

Недоліки:

• складна реалізація;
• низька продуктивність за великої інтенсивності запитів даних невеликого обсягу.

RAID 4. Відмовостійкий масив незалежних дисків з диском парності (Independent Data disks with shared Parity disk)

Дані розбиваються на блочному рівні. Кожен блок даних записується окремий диск і може бути прочитаний окремо. Четність для групи блоків генерується під час запису і перевіряється під час читання. RAID рівня 4 підвищує продуктивність передачі невеликих обсягів даних за рахунок паралелізму, даючи можливість виконувати більше одного звернення щодо введення/виводу одночасно. Головна відмінність між RAID 3 і 4 полягає в тому, що в останньому розшарування даних виконується на рівні секторів, а не на рівні бітів або байтів.

Переваги:

• дуже висока швидкість читання великих обсягів;
• висока продуктивність за великої інтенсивності запитів читання даних;
• малі накладні витрати для реалізації надмірності.

Недоліки:

• дуже низька продуктивність під час запису даних;
• низька швидкість читання даних малого обсягу при поодиноких запитах;
• асиметричність швидкодії щодо читання та запису.

RAID 5. Відмовостійкий масив незалежних дисків з розподіленою парністю (Independent Data disks with distributed parity blocks)

Цей рівень схожий на RAID 4, але, на відміну від попереднього, парність розподіляється циклічно по всіх дисках масиву. Ця зміна дозволяє збільшити продуктивність запису невеликих обсягів даних багатозадачних системах. Якщо операції запису спланувати належним чином, можливо паралельно обробляти до N/2 блоків, де N - число дисків у групі.

Переваги:

• висока швидкість запису даних;
• досить висока швидкість читання даних;
• висока продуктивність за великої інтенсивності запитів читання/запису даних;
• малі накладні витрати для реалізації надмірності.

Недоліки:

• швидкість читання даних нижче, ніж у RAID 4;
• низька швидкість читання/запису даних малого обсягу при поодиноких запитах;
• досить складна реалізація;
• складне відновлення даних.

RAID 6. Відмовостійкий масив незалежних дисків з двома незалежними розподіленими схемами парності.

Дані розбиваються на блочному рівні, аналогічно RAID 5, але на додаток до попередньої архітектури використовується друга схема підвищення відмовостійкості. Ця архітектура є стійкою до подвійних відмов. Однак при виконанні логічного запису реально відбувається шість звернень до диска, що збільшує час обробки одного запиту.

Переваги:

• висока стійкість до відмов;
• досить висока швидкість обробки запитів;
• щодо малі накладні витрати для реалізації надмірності.

Недоліки:

• дуже складна реалізація;
• складне відновлення даних;
• дуже низька швидкість запису даних.

Сучасні RAID контролери дозволяють комбінувати різні рівні RAID. Таким чином, можна реалізувати системи, які поєднують у собі переваги різних рівнів, а також системи з великою кількістю дисків. Зазвичай це комбінація нульового рівня (stripping) та будь-якого відмовостійкого рівня.

RAID 10. Відмовостійкий масив з дублюванням та паралельною обробкою

Ця архітектура є масивом типу RAID 0, сегментами якого є масиви RAID 1. Він поєднує в собі дуже високу відмовостійкість і продуктивність.

Переваги:

• висока стійкість до відмов;
• висока продуктивність.

Недоліки:

• дуже висока вартість;
• обмежене масштабування.

RAID 30. Відмовостійкий масив з паралельною передачею даних та підвищеною продуктивністю.

Є масивом типу RAID 0, сегментами якого є масиви RAID 3. Він поєднує в собі відмовостійкість і високу продуктивність. Зазвичай використовується додатків потребують послідовної передачі великих обсягів.

Переваги:

• висока стійкість до відмов;
• висока продуктивність.

Недоліки:

• висока вартість;
• обмежене масштабування.

RAID 50. Відмовостійкий масив з розподіленою парністю та підвищеною продуктивністю

Є масивом типу RAID 0, сегментами якого є масиви RAID 5. Він поєднує в собі відмовостійкість і високу продуктивність для додатків з великою інтенсивністю запитів і високу швидкість передачі даних.

Переваги:

• висока стійкість до відмов;
• висока швидкість передачі;
• Висока швидкість обробки запитів.

Недоліки:

• висока вартість;
• обмежене масштабування.

RAID 7. Відмовостійкий масив, оптимізований для підвищення продуктивності. (Optimized Asynchrony для High I/O Rates як добре як High Data Transfer Rates). RAID 7® є зареєстрованою торговою маркою Storage Computer Corporation (SCC)

Для розуміння архітектури RAID 7 розглянемо її особливості:

1. Всі запити на передачу даних обробляються асинхронно та незалежно.
2. Всі операції читання/запису кешуються через високошвидкісну шину x-bus.
3. Диск парності може бути розміщений будь-якому каналі.
4. У мікропроцесорі контролера масиву використовується операційна система реального часу, орієнтована на обробку процесів.
5. Система має хорошу масштабованість: до 12 host-інтерфейсів та до 48 дисків.
6. Операційна система контролює комунікаційні канали.
7. Використовуються стандартні SCSI диски, шини, материнські плати та модулі пам'яті.
8. Використовується високошвидкісна шина X-bus для роботи із внутрішньою кеш пам'яттю.
9. Процедура створення парності інтегрована в кеш.
10. Диски, приєднані до системи, можуть бути задекларовані як окремі.
11. Для керування та моніторингу системи можна використовувати SNMP агент.

Переваги:

• висока швидкість передачі даних і висока швидкість обробки запитів (1.5 - 6 разів вище за інші стандартні рівні RAID);
• висока масштабованість хост інтерфейсів;
• швидкість запису даних збільшується зі збільшенням кількості дисків у масиві;
• для обчислення парності немає необхідності додаткової передачі даних.

Недоліки:

• власність одного виробника;
• дуже висока вартість одиницю обсягу;
• короткий гарантійний термін;
• не може обслуговуватись користувачем;
• потрібно використовувати блок безперебійного живленнядля запобігання втраті даних із кеш пам'яті.

Розглянемо тепер стандартні рівні разом порівняння їх характеристик. Порівняння проводиться у межах архітектур, згаданих у таблиці.

Уточнення:

• * - розглядається зазвичай використовуваний варіант;
• k – кількість підсегментів;
• R – читання;
• W – запис.

Деякі аспекти реалізації RAID систем

Розглянемо три основні варіанти реалізації RAID систем:

• програмна (software-based);
• апаратна – шинно-орієнтована (bus-based);
• апаратна – автономна підсистема (subsystem-based).

Не можна однозначно сказати, що якась реалізація краща, ніж інша. Кожен варіант організації масиву задовольняє тим чи іншим потребам користувача залежно від фінансових можливостей, кількості користувачів та додатків.

Кожна з перерахованих вище реалізацій базується на виконанні програмного коду. Відрізняються вони тим, де цей код виконується: у центральному процесорі комп'ютера (програмна реалізація) чи спеціалізованому процесорі на RAID контролері (апаратна реалізація).

Головна перевага програмної реалізації – низька вартість. Але при цьому вона має багато недоліків: низьку продуктивність, завантаження додатковою роботою центрального процесора, збільшення шинного трафіку. Програмно зазвичай реалізують прості рівні RAID – 0 та 1, оскільки вони не вимагають значних обчислень. Враховуючи ці особливості, RAID системи з програмною реалізацією використовуються на серверах. початкового рівня.

Апаратні реалізації RAID відповідно коштують більше ніж програмні, оскільки використовують додаткову апаратуру для виконання операцій виводу. При цьому вони розвантажують або звільняють центральний процесор та системну шину і, відповідно, дозволяють збільшити швидкодію.

Шинно-орієнтовані реалізації є RAID контролери, які використовують швидкісну шину комп'ютера, в який вони встановлюються (останнім часом зазвичай використовується шина PCI). У свою чергу шинно-орієнтовані реалізації можна поділити на низькорівневі та високорівневі. Перші зазвичай не мають SCSI чіпів і використовують так званий RAID портна материнській платі із вбудованим SCSI контролером. При цьому функції обробки коду RAID та операцій введення/виводу розподіляються між процесором на RAID контролері та чіпами SCSI на материнській платі. Таким чином, центральний процесор звільняється від обробки додаткового коду та зменшується шинний трафік порівняно з програмним варіантом. Вартість таких плат зазвичай невелика, особливо якщо вони орієнтовані на системи RAID - 0 або 1 (є також реалізації RAID 3, 5, 10, 30, 50, але вони дорожчі), завдяки чому вони потроху витісняють програмні реалізаціїз ринку серверів початкового рівня. Високорівневі контролери з шинною реалізацією мають дещо іншу структуру, ніж молодші брати. Вони беруть він всі функції, пов'язані з вводом/выводом і виконанням RAID коду. Крім того, вони не такі залежні від реалізації материнської плати і, як правило, мають більше можливостей (наприклад, можливість підключення модуля для зберігання інформації в кеш у разі відмови материнської плати або зникнення живлення). Такі контролери зазвичай коштують дорожче за низькорівневі і використовуються в серверах середнього і високого рівня. Вони, як правило, реалізують RAID рівнів 0,1, 3, 5, 10, 30, 50. Враховуючи те, що шинно-орієнтовані реалізації підключаються прямо до внутрішньої PCI шини комп'ютера, вони є найбільш продуктивними серед систем, що розглядаються (при організації одно- хостових систем). Максимальна швидкодія таких систем може досягати 132 Мбайт/с (32bit PCI) або 264 Мбайт/с (64bit PCI) при частоті шини 33MHz.

Разом із перерахованими перевагами шинно-орієнтована архітектура має такі недоліки:

• залежність від операційної системи та платформи;
• обмежена масштабованість;
• обмежені можливості щодо організації відмовостійких систем.

Усіх цих недоліків можна уникнути, використовуючи автономні підсистеми. Ці системи мають повністю автономну зовнішню організацію й у принципі є окремий комп'ютер, який використовується в організацію систем зберігання інформації. Крім того, у разі вдалого розвитку технології оптоволоконних каналів швидкодія автономних систем ні в чому не поступатиметься шинно-орієнтованим системам.

Зазвичай зовнішній контролер ставиться в окрему стійку і, на відміну від систем з шинною організацією, може мати велику кількість каналів вводу/виводу, у тому числі і хост-каналів, що дає можливість підключати до системи кілька хост-комп'ютерів та організовувати кластерні системи. У системах з автономним контролером можна реалізувати гаряче резервування контролерів.

Одним із недоліків автономних систем залишається їхня велика вартість.

Враховуючи сказане вище, відзначимо, що автономні контролери зазвичай використовуються для реалізації високоємних сховищ даних і кластерних систем.

RAID (Redundant Array of Independent Disks)- Надлишковий масив незалежних дисків, тобто. об'єднання фізичних жорстких дисків в один логічний для вирішення будь-яких завдань. Швидше за все, ви його використовуватимете для стійкості до відмови. При виході з ладу одного з дисків система продовжуватиме працювати. У операційній системімасив виглядатиме як звичайний HDD. RAID- масиви зародилися в сегменті серверних рішень, але зараз набули широкого поширення і вже використовуються вдома. Для управління RAID використовується спеціальна мікросхема з інтелектом, яка називається RAID-контролер. Це чипсет на материнській платі, чи окрема зовнішня плата.

Типи RAID масивів

Апаратний- Це коли станом масиву управляє спеціальна мікросхема. На мікросхемі є свій CPU і всі обчислення лягають на нього, звільняючи CPU сервера від надмірного навантаження.

Програмний– це коли станом масиву керує спеціальна програмав ОС. У цьому випадку буде створюватись додаткове навантаження на CPU сервера. Адже всі обчислення лягають саме на нього.

Однозначно сказати, який тип рейду краще – не можна. У разі програмного рейду нам не потрібно купувати дорогий рейд-контролер. Який зазвичай коштує від 250 у. (можна знайти і за 70 у.о. але я не став би ризикувати даними) Але всі обчислення лягають на CPU сервера. Програмна

реалізація добре підходить для рейдів 0 і 1. Вони досить прості і для їхньої роботи не потрібні великі обчислення. Тому програмні рейди найчастіше використовують у рішеннях початкового рівня. Апаратний рейд у роботі використовує рейд-контролер. Рейд-контролер має свій процесор для обчислень, і саме він здійснює операції введення/виводу.

Рівні RAID-масивів

Їх досить багато. Це основні – 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 та комбіновані – 10, 30, 50, 53… Ми розглянемо лише найходовіші, які використовуються в сучасній інфраструктурі підприємства. Літера D у схемах означає Data (дані), або блок даних.

RAID 0 (Striped Disk Array без Fault Tolerance)

Він же stripe. Це коли два або більше фізичних дисків поєднуються в один логічний з метою об'єднання місця. Тобто беремо два диски по 500 Гб, поєднуємо їх у RAID 0 і в системі бачимо 1 HDD об'ємом 1 Тб. Інформація розподіляється по всіх дисках рейду рівномірно як невеликих блоків (страйпів).

Плюси - Висока продуктивність, простота реалізації.

Мінуси – відсутність стійкості до відмов. При використанні цього рейду надійність системи знижується вдвічі (якщо використовуємо два диски). Адже при виході з ладу хоча б одного диска ви втрачаєте всі дані.

RAID 1 (Mirroring & Duplexing)

Він же mirror. Це коли два або більше фізичних дисків поєднуються в один логічний диск з метою підвищення стійкості до відмови. Інформація пишеться відразу на обидва диски масиву та при виході одного з них інформація зберігається на іншому.

Плюси – висока швидкість читання/запису, простота реалізації.

Мінуси – висока надмірність. У разі використання 2 дисків це 100%.

RAID 1E

RAID 1E працює так: три фізичні диски об'єднуються в масив, після чого створюється логічний том. Дані розподіляються на дисках, утворюючи блоки. Порція даних (strip), позначена ** – це копія попередньої порції *. При цьому кожен блок дзеркальної копії записується зі зсувом на один диск

Найбільш просте в реалізації з стійких до відмови рішення - це RAID 1 (mirroring), дзеркальне відображення двох дисків. Висока доступністьданих гарантовано наявністю двох повних копій. Така надмірність структури масиву позначається на його вартості – адже корисна ємність удвічі менша від використовуваної. Оскільки RAID 1 будується на двох HDD - цього явно мало сучасним, ненажерливим до дискового простору додатків. В силу таких вимог область застосування RAID 1 зазвичай обмежується службовими томами (OS, SWAP, LOG), для розміщення даних користувача ними користуються хіба що в малобюджетних рішеннях.

RAID 1E – це комбінація розподілу інформації по дисках (striping) від RAID 0 і дзерклювання – від RAID 1. Поруч із записом області даних однією накопичувач створюється їх копія на наступному дискумасиву. Відмінність від RAID 1 у цьому, що кількість HDD може бути непарним (мінімум 3). Як і у випадку з RAID 1, корисна ємність складає 50% сумарної ємності дисків масиву. Правда, якщо кількість дисків парна, краще використовувати RAID 10, який при тій же утилізації ємності складається з двох (або більше) "дзеркал". При фізичній відмові одного з дисків RAID 1E контролер перемикає запити читання та запису на диски масиву, що залишилися.

Переваги:

• висока захищеність даних;
• непогана продуктивність.

Недоліки:

• як і RAID 1, використовується лише 50% ємності дисків масиву.

RAID 2

У масивах такого типу диски діляться на дві групи - для даних і кодів корекції помилок, причому якщо дані зберігаються на дисках, то зберігання кодів корекції необхідно дисків. Дані записуються на відповідні диски так само, як і RAID 0, вони розбиваються на невеликі блоки за кількістю дисків, призначених для зберігання інформації. Диски, що залишилися, зберігають коди корекції помилок, за якими у разі виходу будь-якого жорсткого диска з ладу можливе відновлення інформації. Метод Хеммінга давно застосовується в пам'яті типу ECC і дозволяє на льоту виправляти одноразові та виявляти дворазові помилки.

Недолік масиву RAID 2 в тому, що для його функціонування потрібна структура майже з подвійної кількості дисків, тому такий вид масиву не отримав поширення.

RAID 3

У масиві RAID 3 з дисків дані розбиваються на шматки розміром менше сектора (розбиваються на байти) або блоку та розподіляються по дисках. Ще один диск використається для зберігання блоків парності. У RAID 2 для цієї мети застосовувався диск, але більшість інформації на контрольних дисках використовувалася для корекції помилок на льоту, тоді як більшість користувачів задовольняє просте відновлення інформації у разі поломки диска, для чого вистачає інформації, що міститься на одному виділеному жорсткому диску.

Відмінності RAID 3 від RAID 2: неможливість корекції помилок на льоту та менша надмірність.

Переваги:

• висока швидкість читання та запису даних;
• мінімальна кількість дисків для створення масиву дорівнює трьом.

Недоліки:

• масив цього хороший лише для однозадачной роботи з великими файлами, оскільки час доступу до окремому сектору, розбитому по дисках, дорівнює максимальному з інтервалів доступу до секторів кожного з дисків. Для блоків малого розміру час доступу набагато більший за час читання.
• велике навантаження на контрольний диск, і, як наслідок, його надійність падає в порівнянні з дисками, що зберігають дані.

RAID 4

RAID 4 схожий на RAID 3, але відрізняється від цього тим, що дані розбиваються на блоки, а чи не на байти. Таким чином, вдалося частково перемогти проблему низької швидкості передачі даних невеликого обсягу. Запис проводиться повільно через те, що парність для блоку генерується при записі і записується на єдиний диск. Із систем зберігання широкого поширення RAID-4 застосовується на пристроях зберігання компанії NetApp (NetApp FAS), де його недоліки успішно усунуті за рахунок роботи дисків у спеціальному режимі групового запису, що визначається використовується на пристроях внутрішньою файловою системою WAFL.

RAID 5 (Independent Data Disks with Distributed Parity Blocks)

Найпопулярніший вид рейд-масиву, загалом завдяки економічності використання носіїв даних. Блоки даних та контрольні суми циклічно записуються на всі диски масиву. При виході з ладу одного з дисків буде помітно знижено продуктивність, тому що доведеться здійснювати додаткові маніпуляції для функціонування масиву. Сам по собі рейд має досить хорошу швидкість читання/запису, але трохи поступається RAID 1. Потрібно не менше трьох дисків щоб організувати RAID 5.

Плюси – економічне використання носіїв, відмінна швидкість читання/запису. Різниця у продуктивності порівняно з RAID 1 не так сильно помітна як економія дискового простору. У разі використання трьох HDD надмірність становить лише 33%.

Мінуси – складне відновлення даних та реалізація.

RAID 5E

RAID 5E працює так. З чотирьох фізичних дисків збирається масив, у ньому створюється логічний диск. Розподілений резервний диск – це вільний простір. Дані розподіляються за накопичувачами, створюючи блоки на логічному диску. Контрольні суми також розподіляються по дисках масиву і записуються зі зсувом від диска до диска, як і RAID 5. Резервний HDD залишається порожнім.

"Класичний" RAID 5 багато років вважається стандартом відмовостійкості дискових підсистем. У ньому застосовується розподіл даних (striping) по HDD масиву, кожної з порцій (stripe), визначеної у ньому, обчислюються і записуються контрольні суми (парність, parity). Відповідно, швидкість запису знижується через постійний перерахунок КС з надходженням нових даних. Для збільшення продуктивності запису КС розподіляються за всіма накопичувачами масиву, чергуючись з даними. Під зберігання КС витрачається ємність одного носія, тому RAID 5 утилізує на один диск менше від їх загальної кількості в масиві. RAID 5 вимагає мінімум трьох (і максимум 16) НЖМД, його ККД використання дискового простору знаходиться в діапазоні 67-94% залежно від кількості дисків. Очевидно, що це більше, ніж у RAID 1, що утилізує 50% доступної ємності.

Малі накладні витрати для реалізації надмірності RAID 5 обертаються досить складною реалізацією та тривалим процесом відновлення даних. Підрахунок контрольних сум та адрес покладається на апаратний RAID-контролер з високими вимогами до його процесора, логіки та кеш-пам'яті. Продуктивність масиву RAID 5 у його деградованому стані дуже низька, а час відновлення вимірюється годинами. У результаті проблема неповноцінності масиву посилюється ризиками повторної відмови одного з дисків до того моменту, коли RAID буде відновлено. Це призводить до руйнування томів даних.

Поширений підхід з включенням у RAID 5 виділеного диска гарячого резерву (hot-spare) – зниження часу простою до фізичної заміни збійного диска. Після відмови одного з накопичувачів вихідного масиву контролер включає резервний диск масив і починає процес перебудови RAID. Важливо уточнити, що першої відмови резервний накопичувач працює на холостому ходу, роками може брати участь у функціонуванні масиву і перевірятися на помилки поверхні. Так само, як і той, який пізніше принесуть по гарантійній заміні замість збійного, вставлять у дисковий кошик і призначать резервним. Великим сюрпризом може стати його непрацездатність, причому з'ясується це в невідповідний момент.

RAID 5E – це RAID 5 із включеним до масиву резервним диском (hot-spare) постійного використання, ємність якого додається порівну до кожного елемента масиву. Для RAID 5E потрібно щонайменше чотири HDD. Як і у RAID 5, дані та контрольні суми розподіляються по дисках масиву. Утилізація корисної ємності у RAID 5E дещо нижча, зате продуктивність вища, ніж у RAID 5 c hot-spare.

Місткість логічного тому RAID 5E менше загальної ємності на об'єм двох носіїв (ємність одного йде під контрольні суми, другого – під hot-spare). Зате читання та запис на чотири фізичних пристрої RAID 5E швидше операцій із трьома фізичними накопичувачами RAID 5 із класичним hot-spare (у той час як четвертий, hot-spare, участі у роботі не бере). Резервний диск RAID 5E – повноправний постійний член масиву. Його неможливо призначити резервним двом різним масивам («слугою двох панів» – як це допускається у RAID 5).

У разі відмови одного з фізичних дисків дані зі збійного накопичувача відновлюються. Масив піддається стиску, і розподілений резервний диск стає частиною масиву. Логічний диск залишається на рівні RAID 5E. Після заміни збійного диска на нові дані логічного диска розгортаються в вихідний стансхеми розподілу HDD. При використанні логічного диска RAID 5E у відмовостійких кластерних схемах він не виконуватиме своїх функцій під час компресії-декомпресії даних.

Переваги:

• висока захищеність даних;
• утилізація корисної ємності вище, ніж у RAID 1 чи RAID 1E;
• продуктивність вища, ніж у RAID 5.

Недоліки:

• продуктивність нижча, ніж у RAID 1E;
• не може поділяти резервний диск з іншими масивами.

RAID 5EE

Примітка: підтримується не у всіх контролерах RAID level-5EE подібний до масиву RAID-5E, але з більш ефективним використанням резервного диска і більш коротким часом відновлення. Подібно до RAID level-5E, цей рівень RAID-масиву створює ряди даних і контрольних сум у всіх дисках масиву. Масив RAID-5EE має покращений захист та продуктивність. При застосуванні RAID level-5E ємність логічного тома обмежується ємністю двох фізичних вінчестерів масиву (один для контролю, один резервний). Резервний диск є частиною масиву RAID Level-5EE. Тим не менш, на відміну від RAID level-5E, що використовує нерозділене вільне місце для резерву, RAID level-5EE в резервний диск вставлені блоки контрольних сум, як показано на прикладі. Це дозволяє швидше перебудовувати дані під час поломки фізичного диска. За такої конфігурації, ви не зможете використовувати його з іншими масивами. Якщо вам необхідний запасний диск для іншого масиву, вам слід мати ще один резервний вінчестер. RAID level-5E вимагає як мінімум чотирьох дисків і, залежно від рівня прошивки та їхньої ємності, підтримує від 8 до 16 дисків. RAID level-5E має певну прошивку. Примітка: для RAID level-5EЕ, ви можете використовувати лише один логічний том у масиві.

Переваги:

• 100% захист даних
• Велика ємність фізичних дисків у порівнянні з RAID-1 або RAID-1E
• Більша продуктивність у порівнянні з RAID-5
• Швидше відновлення RAID порівняно з RAID-5E

Недоліки:

• Нижча продуктивність, ніж у RAID-1 або RAID-1E
• Підтримка лише одного логічного тому на масив
• Неможливість спільного використання резервного диска з іншими масивами
• Підтримка не всіх контролерів

RAID 6

RAID 6 - схожий на RAID 5, але має більш високий рівень надійності - під контрольні суми виділяється ємність 2-х дисків, розраховуються 2 суми за різними алгоритмами. Потребує потужніший RAID-контролер. Забезпечує працездатність після одночасного виходу з експлуатації двох дисків - захист від кратної відмови. Для організації масиву потрібно щонайменше 4 диски. Зазвичай використання RAID-6 викликає приблизно 10-15% падіння продуктивності дискової групи, порівняно з аналогічними показниками RAID-5, що викликано великим обсягом обробки для контролера (необхідність розраховувати другу контрольну суму, а також прочитувати та перезаписувати більше дискових блоків під час запису кожного) блоку).

RAID 7

RAID 7 - зареєстрована торгова марка компанії Storage Computer Corporation, окремим рівнем RAID не є. Структура масиву така: диски зберігаються дані, один диск використовується для складування блоків парності. Запис на диски кешується з використанням оперативної пам'яті, сам масив вимагає обов'язкового ДБЖ; у разі перебоїв із харчуванням відбувається пошкодження даних.

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

Поєднання дзеркального рейду та рейду з чергуванням дисків. У роботі цього виду рейду диски об'єднуються парами в дзеркальні рейди (RAID 1), а потім усі ці дзеркальні пари об'єднуються в масив із чергуванням (RAID 0). У рейд можна поєднати лише парну кількість дисків, мінімум – 4, максимум – 16. Від RAID 1 ми успадковуємо надійність, від RAID 0 – швидкість.

Плюси – висока відмовостійкість та продуктивність

Мінуси – висока вартість

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

Він же RAID 50, це поєднання RAID 5 і RAID 0. Масив поєднує в собі високу продуктивність та стійкість до відмов.

Плюси – висока стійкість до відмов, швидкість передачі даних і виконання запитів

Мінуси – висока вартість

RAID 60

RAID-масив рівня 60 об'єднані характеристики з рівнів 6 і 0. RAID 60 масиву поєднує прямий рівень блоків чергування RAID 0 з розподіленою двічі паритетом у RAID 6, а саме: масиву RAID 0 розподіляються серед RAID 6 елементів. RAID 60 віртуальний дискможе вижити про втрату двох жорстких дисків у кожному RAID 6 встановлює без втрати даних. Вона є найбільш ефективною з даними, потрібна висока надійність, висока запит курси, високі передачі даних, а також середні і великі ємності. Мінімальна кількість дисків-8.

Лінійний RAID

Лінійний RAID є простим об'єднанням дисків, що створює великий віртуальний диск. У лінійному RAID блоки виділяються спочатку на одному диску, включеному в масив, потім, якщо цей заповнений, на іншому і т.д. Таке об'єднання не дає виграшу у продуктивності, оскільки швидше за все операції введення/виводу не будуть розподілені між дисками. Лінійний RAID також не містить надмірності і, насправді, збільшує ймовірність збою - якщо лише один диск відмовить, весь масив вийде з ладу. Місткість масиву дорівнює сумарній ємності всіх дисків.

Головний висновок, який можна зробити – кожен рівень рейду має свої плюси та мінуси.

Ще головніше висновок – рейд не гарантує цілісності ваших даних. Тобто якщо хтось видалити файл або він буде пошкоджений будь-яким процесом, рейд нам не допоможе. Тому рейд не звільняє нас від необхідності робити бекапи. Але допомагає, коли виникають проблеми з дисками фізично.