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.

RAID	Минимум дисков	Потребность в дисках	Отказо- устойчивость	Скорость передачи данных	Интенсивность обработки запросов	Практическое использование
0	2	N			очень высокая до N х 1 диск	Графика, видео
1	2	2N *		R > 1 диск W = 1 диск	до 2 х 1 диск W = 1 диск	малые файл-серверы
2	7	2N		~ RAID 3	Низкая	мейнфреймы
3	3	N+1			Низкая	Графика, видео
4	3	N+1		R W	R = RAID 0 W	файл-серверы
5	3	N+1		R W	R = RAID 0 W	серверы баз данных
6	4	N+2	самая высокая	низкая	R > 1 диск W	используется крайне редко
7	12	N+1		самая высокая	самая высокая	разные типы приложений

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Уровни RAID в «числах».

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

Уровень ~~~~~~~

Избы- точ- ность ~~~~~~~

Исполь- зование емкости дисков ~~~~~~~

Произво- дитель- ность чтения ~~~~~~~

Произво- дитель- ность записи ~~~~~~~

Встроен- ный диск резерва ~~~~~~~

Мин. кол-во дисков ~~~~~~~

Макс. кол-во дисков ~~~~~~~

Отл

Отл

Отл

Отл

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

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

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

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

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

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

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

В интернете есть масса статей с описанием RAID. Например, эта описывает все очень подробно. Но как обычно, читать все не хватает времени, поэтому надо что-нибудь коротенькое для понимания - а надо оно или нет, и что лучше использовать применительно к работе с СУБД (InterBase, Firebird или что то иное - на самом деле все равно). Перед вашими глазами - именно такой материал.

В первом приближении RAID это объединение дисков в один массив. SATA, SAS, SCSI, SSD - неважно. Более того, практически каждая нормальная материнская плата сейчас поддерживает возможность организации SATA RAID. Пройдемся по списку, какие бывают RAID и зачем они. (Хотел бы сразу заметить, что в RAID нужно объединять одинаковые диски. Объединение дисков от разных производителей, от одного но разных типов, или разных размеров - это баловство для человека, сидящего на домашнем компьютере).

RAID 0 (Stripe)

Грубо говоря, это последовательное объединение двух (или более) физических дисков в один "физический" диск. Годится разве что для организации огромных дисковых пространств, например, для тех, кто работает с редактированием видео. Базы данных на таких дисках держать нет смысла - в самом деле, если даже у вас база данных имеет размер 50 гигабайт, то почему вы купили два диска размером по 40 гигабайт, а не 1 на 80 гигабайт? Хуже всего то, что в RAID 0 любой отказ одного из дисков ведет к полной неработоспособности такого RAID, потому что данные записываются поочередно на оба диска, и соответственно, RAID 0 не имеет средств для восстановления в случае сбоев.

Конечно, RAID 0 дает ускорение в работе из-за чередования чтения/записи.

RAID 0 часто используют для размещения временных файлов.

RAID 1 (Mirror)

Зеркалирование дисков. Если Shadow в IB/FB это программное зеркалирование (см. Operations Guide.pdf), то RAID 1 - аппаратное зеркалирование, и ничего более. Упаси вас от использования программного зеркалирования средствами ОС или сторонним ПО. Надо или "железный" RAID 1, или shadow.

При сбое тщательно проверяйте, какой именно диск сбойнул. Самый частый случай погибания данных на RAID 1 - это неверные действия при восстановлении (в качестве "целого" указан не тот диск).

Насчет производительности - по записи выигрыш 0, по чтению - возможно до 1.5 раз, т. к. чтение может производиться "параллельно" (поочередно с разных дисков) . Для баз данных ускорение мало, в то время как при параллельном обращении к разным (!) частям (файлам) диска ускорение будет абсолютно точно.

RAID 1+0

Под RAID 1+0 имеют в виду вариант RAID 10, когда два RAID 1 объединяются в RAID 0. Вариант, когда два RAID 0 объединяются в RAID 1 называется RAID 0+1, и "снаружи" представляет собой тот же RAID 10.

RAID 2-3-4

Эти RAID являются редкими, т. к. в них используются коды Хэмминга, либо разбиение байт на блоки + контрольные суммы и т. п., но общее резюме таково - эти RAID дают только надежность, при 0-вом увеличении производительности, и иногда даже ее ухудшении.

RAID 5

Для него нужно минимально 3 диска. Данные четности распределяются по всем дискам массива

Обычно говорится, что "RAID5 использует независимый доступ к дискам, так что запросы к разным дискам могут выполняться параллельно". Следует иметь в виду, что речь идет, конечно, о параллельных запросах на ввод-вывод. Если такие запросы идут последовательно (в SuperServer), то конечно, эффекта распараллеливания доступа на RAID 5 вы не получите. Разумеется, RAID5 даст прирост производительности, если с массивом будут работать операционная система и другие приложения (например, на нем будет находиться виртуальная память, TEMP и т. п.).

Вообще RAID 5 раньше был наиболее часто используемым массивом дисков для работы с СУБД. Сейчас такой массив можно организовать и на SATA дисках, причем он получится существенно дешевле, чем на SCSI. Цены и контроллеры вы можете посмотреть в статьях
Причем, следует обратить внимание на объем покупаемых дисков - например, в одной из упомянутых статей RAID5 собирается из 4-х дисков объемом 34 гиг, при этом объем "диска" получается 103 гигабайта.

Тестирование пяти контроллеров SATA RAID - http://www.thg.ru/storage/20051102/index.html .

Adaptec SATA RAID 21610SA в массивах RAID 5 - http://www.ixbt.com/storage/adaptec21610raid5.shtml .

Почему RAID 5 - это плохо - https://geektimes.ru/post/78311/

Внимание! При закупке дисков для RAID5 обычно берут 3 диска, по минимуму (скорее из-за цены). Если вдруг по прошествии времени один из дисков откажет, то может возникнуть ситуация, когда не удастся приобрести диск, аналогичный используемым (перестали выпускаться, временно нет в продаже, и т. п.). Поэтому более интересной идеей кажется закупка 4-х дисков, организация RAID5 из трех, и подключение 4-го диска в качестве резервного (для бэкапов, других файлов и прочих нужд).

Объем дискового массива RAID5 расчитывается по формуле (n-1)*hddsize, где n - число дисков в массиве, а hddsize - размер одного диска. Например, для массива из 4-х дисков по 80 гигабайт общий объем будет 240 гигабайт.

Есть по поводу "непригодности" RAID5 для баз данных. Как минимум его можно рассматривать с той точки зрения, что для получения хорошей производительности RAID5 необходимо использовать специализированный контроллер, а не то, что есть по умолчанию на материнской плате.

Статья RAID-5 must die . И еще о потерях данных на RAID5 .

Примечание. На 05.09.2005 стоимость SATA диска Hitachi 80Gb составляет 60 долларов.

RAID 10, 50

Дальше идут уже комбинации из перечисленных вариантов. Например, RAID 10 это RAID 0 + RAID 1. RAID 50 - это RAID 5 + RAID 0.

Интересно, что комбинация RAID 0+1 в плане надежности оказывается хуже, чем RAID5. В копилке службы ремонта БД есть случай сбоя одного диска в системе RAID0 (3 диска) + RAID1 (еще 3 таких же диска). При этом RAID1 не смог "поднять" резервный диск. База оказалась испорченной без шансов на ремонт.

Для RAID 0+1 требуется 4 диска, а для RAID 5 - 3. Подумайте об этом.

RAID 6

В отличие от RAID 5, который использует четность для защиты данных от одиночных неисправностей, в RAID 6 та же четность используется для защиты от двойных неисправностей. Соответственно, процессор более мощный, чем в RAID 5, и дисков требуется уже не 3, а минимум 5 (три диска данных и 2 диска контроля четности). Причем, количество дисков в raid6 не имеет такой гибкости, как в raid 5, и должно быть равно простому числу (5, 7, 11, 13 и т. д.)

Допустим одновременный сбой двух дисков, правда, такой случай является весьма редким.

По производительности RAID 6 я данных не видел (не искал), но вполне может быть, что из-за избыточного контроля производительность может быть на уровне RAID 5.

Rebuild time

У любого массива RAID, который остается работоспособным при сбое одного диска, существует такое понятие, как rebuild time . Разумеется, когда вы заменили сдохший диск на новый, контроллер должен организовать функционирование нового диска в массиве, и на это потребуется определенное время.

Во время "подключения" нового диска, например, для RAID 5, контроллер может допускать работу с массивом. Но скорость работы массива в этом случае будет весьма низкой, как минимум потому, что даже при "линейном" наполнении нового диска информацией запись на него будет "отвлекать" контроллер и головки диска на операции синхронизации с остальными дисками массива.

Время восстановления функционирования массива в нормальном режиме напрямую зависит от объема дисков. Например, Sun StorEdge 3510 FC Array при размере массива 2 терабайта в монопольном режиме делает rebuild в течение 4.5 часов (при цене железки около $40000). Поэтому, при организации массива и планировании восстановления при сбое нужно в первую очередь думать именно о rebuild time. Если ваша база данных и бэкапы занимают не более 50 гигабайт, и рост в год составляет 1-2 гигабайта, то вряд ли имеет смысл собирать массив из 500-гигабайтных дисков. Достаточно будет и 250-гигабайтных, при этом даже для raid5 это будет минимум 500 гигабайт места для размещения не только базы данных, но и фильмов. Зато rebuild time для 250 гигабайтных дисков будет примерно в 2 раза меньше, чем для 500 гигабайтных.

Резюме

Получается, что самым осмысленным является использование либо RAID 1, либо RAID 5. Однако, самая частая ошибка, которую делают практически все - это использование RAID "подо все". То есть, ставят RAID, на него наваливают все что есть, и... получают в лучшем случае надежность, но никак не улучшение производительности.

Еще часто не включают write cache, в результате чего запись на raid происходит медленнее, чем на обычный одиночный диск. Дело в том, что у большинства контроллеров эта опция по умолчанию выключена, т.к. считается, что для ее включения желательно наличие как минимум батарейки на raid-контроллере, а также наличие UPS.

Текст
В старой статье hddspeed.htmLINK (и в doc_calford_1.htmLINK) показано, как можно получить существенное увеличение производительности путем использования нескольких физических дисков, даже для IDE. Соответственно, если вы организуете RAID - положите на него базу, а остальное (temp, OS, виртуалка) делайте на других винчестерах. Ведь все равно, RAID сам по себе является одним "диском", пусть даже и более надежным и быстродействующим.
признан устаревшим. Все вышеупомянутое вполне имеет право на существование на RAID 5. Однако перед таким размещением необходимо выяснить - каким образом можно делать backup/restore операционной системы, и сколько по времени это будет занимать, сколько времени займет восстановление "умершего" диска, есть ли (будет ли) под рукой диск для замены "умершего" и так далее, т. е. надо будет заранее знать ответы на самые элементарные вопросы на случай сбоя системы.

Я все-таки советую операционную систему держать на отдельном SATA-диске, или если хотите, на двух SATA-дисках, связанных в RAID 1. В любом случае, располагая операционную систему на RAID, вы должны спланировать ваши действия, если вдруг прекратит работать материнская плата - иногда перенос дисков raid-массива на другую материнскую плату (чипсет, raid-контроллер) невозможен из-за несовместимости умолчательных параметров raid.

Размещение базы, shadow и backup

Несмотря на все преимущества RAID, категорически не рекомендуется, например, делать backup на этот же самый логический диск. Мало того что это плохо влияет на производительность, но еще и может привести к проблемам с отсутствием свободного места (на больших БД) - ведь в зависимости от данных файл backup может быть эквивалентным размеру БД, и даже больше. Делать backup на тот же физический диск - еще куда ни шло, хотя самый оптимальный вариант - backup на отдельный винчестер.

Объяснение очень простое. Backup - это чтение данных из файла БД и запись в файл бэкапа. Если физически все это происходит на одном диске (даже RAID 0 или RAID 1), то производительность будет хуже, чем если чтение производится с одного диска, а запись - на другой. Еще больше выигрыш от такого разделения - когда backup делается во время работы пользователей с БД.

То же самое в отношении shadow - нет никакого смысла класть shadow, например, на RAID 1, туда же где и база, даже на разные логические диски. При наличии shadow сервер пишет страницы данных как в файл базы так и в файл shadow. То есть, вместо одной операции записи производятся две. При разделении базы и shadow по разным физическим дискам производительность записи будет определяться самым медленным диском.

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

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

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

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

Выгрузка первого жесткого диска IBM 350 с самолета

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

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

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

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

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

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

Что такое RAID

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

RAID 3 и RAID 4

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

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

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

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

Минимальное число жестких дисков для построения RAID 5 - три.

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

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

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

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

Комбинированные типы RAID

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

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

Построение массива дисков - от теории к практике

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

Внешний RAID-контроллер c четырьмя портами SATA

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

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

RAID массив (Redundant Array of Independent Disks) – подключение нескольких устройств, для повышения производительности и\или надежности хранения данных, в переводе - избыточный массив независимых дисков.

Согласно закону Мура, нынешняя производительность возрастает с каждым годом (а именно количество транзисторов на чипе удваивается каждые 2 года). Это можно заметить практически в каждой отрасли производства оборудования для компьютеров. Процессоры увеличивают количество ядер и транзисторов, уменьшая при этом тех процесс, оперативная память увеличивает частоту и пропускную способность, память твердотельных накопителей повышает износостойкость и скорость чтения.

Но вот простые жесткие диски (HDD) особо не продвинулись за последние 10 лет. Как была стандартной скорость 7200 об/мин, так она и осталась (не беря в расчет серверные HDD c оборотами 10.000 и более). На ноутбуках все еще встречаются медленные 5400 об/мин. Для большинства пользователей, чтобы повысить производительность своего компьютера будет удобнее купить SDD, но цена за 1 гигабайт такого носителя значительно больше, чем у простого HDD. «Как повысить производительность накопителей без сильной потери денег и объема? Как сохранить свои данные или повысить безопасность сохранности Ваших данных?» На эти вопросы есть ответ – RAID массив.

Виды RAID массивов

На данный момент существуют следующие типы RAID массивов:

RAID 0 или «Чередование» – массив из двух или более дисков для повышения общей производительности. Объем рейда будет общий (HDD 1 + HDD 2 = Общий объем), скорость считывания\записи будет выше (за счет разбиения записи на 2 устройства), но страдает надежность сохранности информации. Если одно из устройств выйдет из строя, то вся информация массива будет потеряна.

RAID 1 или «Зеркало» –несколько дисков копирующих друг друга для повышения надежности. Скорость записи остаётся на прежнем уровне, скорость считывания увеличивается, многократно повышается надежность (даже если одно устройство выйдет из строя, второе будет работать), но стоимость 1 Гигабайта информации увеличивается в 2 раза (если делать массив из двух hdd).

RAID 2 – массив, построенный на работе дисков для хранения информации и дисков коррекции ошибок. Расчет количества HDD для хранения информации выполняется по формуле «2^n-n-1», где n - количество HDD коррекции. Данный тип используется при большом количестве HDD, минимальное приемлемое число – 7, где 4 для хранения информации, а 3 для хранения ошибок. Плюсом этого вида будет повышенная производительность, по сравнению с одним диском.

RAID 3 – состоит из «n-1» дисков, где n – диск хранения блоков четности, остальные устройства для хранения информации. Информацию делится на куски меньше объема сектора (разбиваются на байты), хорошо подходит для работы с большими файлами, скорость чтения файлов малого объема очень мала. Характерен высокой производительностью, но малой надежностью и узкой специализацией.

RAID 4 – похож на 3й тип, но разделение происходит на блоки, а не байты. Этим решением получилось исправить малую скорость чтения файлов малого объема, но скорость записи осталось низкой.

RAID 5 и 6 – вместо отдельного диска для корреляции ошибок, как в прошлых вариантах, используются блоки, равномерно распределённые по всем устройствам. В этом случае повышается скорость чтения\записи информации за счет распараллеливания записи. Минусом данного типа является долговременное восстановление информации в случае выхода из строя одного из дисков. Во время восстановления идёт очень высокая нагрузка на другие устройства, что понижает надежность и повышает выход другого устройства из строя и потерю всех данных массива. Тип 6 повышает общую надежность, но понижает производительность.

Комбинированные виды RAID массивов:

RAID 01 (0+1) – Два Рейд 0 объединяются в Рейд 1.

RAID 10 (1+0) – дисковые массивы RAID 1, которые используются в архитектуре 0 типа. Считается самым надежным вариантом хранения данных, объединяя в себе высокую надежность и производительность.

Также можно создать массив из SSD накопителей . Согласно тестированию 3DNews, такое комбинирование не даёт существенного прироста. Лучше приобрести накопитель с более производительным интерфейсом PCI или eSATA

Рейд массив: как создать

Создается путем подключения через специальный RAID контроллер. На данный момент есть 3 вида контроллеров:

1. Программный – программными средствами эмулируется массив, все вычисления производятся за счет ЦП.
2. Интегрированный – в основном распространено на материнских платах (не серверного сегмента). Небольшой чип на мат. плате, отвечающий за эмуляцию массива, вычисления производятся через ЦП.
3. Аппаратный – плата расширения (для стационарных компьютеров), обычно с PCI интерфейсом, обладает собственной памятью и вычислительным процессором.

RAID массив hdd: Как сделать из 2 дисков через IRST

Восстановление данных

Некоторые варианты восстановления данных:

1. В случае сбоя Рейд 0 или 5 может помочь утилита RAID Reconstructor , которая соберет доступную информацию накопителей и перезапишет на другое устройство или носитель в виде образа прошлого массива. Данный вариант поможет, если диски исправны и ошибка программная.
2. Для Linux систем используется mdadm восстановление (утилита для управления программными Рейд-массивами).
3. Аппаратное восстановление должно выполняться через специализированные сервисы, потому что без знания методики работы контроллера можно потерять все данные и вернуть их будет очень сложно или вообще невозможно.

Есть множество нюансов, которые нужно учитывать при создании Рейд на Вашем компьютере. В основном большинство вариантов используются в серверном сегменте, где важна и необходима стабильность и сохранность данных. Если у Вас есть вопросы или дополнения, Вы можете оставить их в комментариях.

Отличного Вам дня!