Технология обеспечения отказоустойчивости с помощью массивов жестких дисков называется RAID - Redundant Array of Inexpensive Disks (избыточный массив недорогих дисков). Рассмотрим основные характеристики уровней RAID.

RAID 0 по существу не является отказоустойчивой системой, но способен значительно повысить производительность. В обычной системе данные последовательно записываются на диск, пока не будет исчерпан его объем. RAID 0 распределяет данные по дискам массива следующим образом. Если, например, используются четыре диска, то данные записываются на первую дорожку первого диска, затем на первую дорожку второго диска, первую дорожку третьего и первую дорожку четвертого. Затем данные записываются на вторую дорожку первого диска и т. д. Такое распределение данных позволяет одновременно читать и записывать данные на четырех дисках и тем самым увеличивает производительность системы. С другой стороны, если один из дисков выйдет из строя, восстанавливать данные придется тоже на всех четырех дисках. Таким образом, технология RAID 0 является самой быстрой, но и самой ненадежной с точки зрения сохранения информации.

RAID 1 реализует метод зеркаливания/дуплексирования данных, создавая для каждого диска массива вторую копию данных на отдельном диске. Дуплексирование помимо данных на диске дублирует также адаптерную плату и кабель, обеспечивая еще большую избыточность. Метод хранения двух копий данных - надежный способ реализации отказоустойчивой дисковой подсистемы, и он нашел широкое применение в современных архитектурах.

RAID 2 распределяет данные на дисках массива побитно: первый бит записывается на первом диске, второй бит - на втором диске и т. д. Избыточность обеспечивается за счет нескольких дополнительных дисков, куда записывается код коррекции ошибок. Эта реализация дороже, поскольку требует больших накладных расходов: массив с числом основных дисков от 16 до 32 должен иметь три дополнительных диска для хранения кода коррекции. RAID 2 обеспечивает высокую производительность и надежность, но его применение ограничено главным образом рынком компьютеров для научных исследований из-за высоких требований к минимальному объему дискового пространства. В сетевых файловых серверах этот метод в настоящее время не используется.

RAID 3 распределяет данные на дисках массива побайтно: первый байт записывается на первом диске, второй байт - на втором диске и т. д. Избыточность обеспечивает один дополнительный диск, куда записывается сумма данных по модулю 2 (XOR) для каждого из основных дисков. Таким образом, RAID 3 разбивает записи файлов данных, храня их одновременно на нескольких дисках и обеспечивая очень быстрые чтение и запись. XOR-сегменты на дополнительном диске позволяют обнаружить любую неисправность дисковой подсистемы, а специальное ПО определит, какой из дисководов массива вышел из строя. Использование побайтного распределения данных позволяет выполнять одновременное чтение или запись данных с нескольких дисков для файлов с очень длинными записями. В каждый момент времени может выполняться только одна операция чтения или записи.

RAID 4 аналогичен RAID 3, за тем исключением, что данные распределяются на дисках по блокам. Для хранения XOR-сегментов также используется один дополнительный диск. Эта реализация удобна для файлов с очень короткими записями и большей частотой операций чтения по сравнению с операциями записи, поскольку в этом случае при подходящем размере блоков на диске возможно одновременное выполнение нескольких операций чтения. Однако по-прежнему допустима только одна операция записи в момент времени, так как все операции записи используют один и тот же дополнительный диск для вычисления контрольной суммы.

RAID 5, как и RAID 4, использует поблочное распределение данных, но XOR-сегменты распределены по всем дискам массива. Это позволяет выполнять несколько операций записи одновременно. RAID 5 также удобен для файлов с короткими записями.

RAID 7 - разработка компании Storage Computer. RAID 7 не является, по существу, уровнем RAID, поскольку не предлагает новых способов организации данных. Основные изменения коснулись способов доступа к данным. Все диски, которых может быть до 48 (46 - непосредственно для данных, 1 для четности, 1 - в горячем резерве), подключены к индивидуальным каналам, что позволяет организовать асинхронный доступ к данным. Система поддерживает подключения к 12 серверам, обмен данными с которыми тоже осуществляется асинхронно. Доступом к каждому диску и операциями с каждым сервером заведует свой интеллектуальный контроллер с ассоциированным буфером. В системе имеется объединенный кэш и процессор управления доступом, работающий в системе реального времени. В случае отказа накопителей или других элементов запрос помещается в кэш, в то время как система перестраивает данные. RAID 7 поддерживает все традиционные уровни RAID, но преимущественно ориентируется на уровни 3 и 5, автоматически адаптируя способ организации хранения данных под конкретные задачи.

RAID 10 - объединение технологий RAID 1 и RAID 0. Каждый физический диск уровня RAID 0 заменяется массивом RAID 1. Это обеспечивает высокую передачу данных (сервер видит массив как RAID 0) и высокую их сохранность, но значительно ограничивает масштабирование, и коэффициент использования дискового пространства получается очень низким - всего 25%.

теория RAID

В основе теории RAID лежат пять основных принципов – пять таинственных слов. Это Массив (Array), Зеркалирование (Mirroring), Дуплекс (Duplexing), Чередование (Striping) и Четность (Parity).

Массивом называют несколько накопителей, которые централизованно настраиваются, форматируются и управляются. Логический массив – это уже более высокий уровень представления, на котором не учитываются физические характеристики системы. Соответственно, логические диски могут по количеству и объему не совпадать с физическими. Но лучше все-таки соблюдать соответствие: физический диск – логический диск. Наконец, для операционной системы вообще весь массив является одним большим диском.

Зеркалирование – технология, позволяющая повысить надежность системы. В RAID массиве с зеркалированием все данные одновременно пишутся не на один, а на два жестких диска. То есть создается «зеркало» данных. При выходе из строя одного из дисков вся информация остается сохраненной на втором.

За такую стопроцентную защиту приходится дорого платить: считайте, что один винчестер у вас работает просто так, не увеличивая доступную емкость ни на Мегабайт. При этом нет никакого выигрыша в производительности.

Дуплекс – развитие идеи зеркалирования. В этом случае так же высок уровень надежности и требуется в два раза больше жестких дисков. Но появляются дополнительные затраты: для повышения надежности в систему устанавливаются два независимых RAID контроллера. Выход из строя одного диска или контроллера не сказывается на работоспособности системы.

Столь дорогое решение используется только во внешних RAID-массивах, предназначенных для ответственных приложений.

Чередование – отличная возможность повысить быстродействие системы. Очевидно, если чтение и запись вести параллельно на нескольких жестких дисках, можно получить выигрыш в скорости. Как это делается? Записываемый файл разбивается на части определенного размера и посылается одновременно на все имеющиеся накопители. В таком фрагментированном виде файл и хранится. Считывается он тоже «по кусочкам».

Размер «кусочка» может быть минимальным – 1 байт, но чаще используют более крупное дробление – по 512 байт (размер сектора).

Четность является альтернативным решением, соединяющим в себе достоинства зеркалирования (высокая надежность) и чередования (высокая скорость работы). Используется тот же принцип, что и в контроле четности оперативной памяти.

Если имеется I блоков данных и на их основе вычисляется еще один дополнительный экстраблок, из получившихся (I+1) блоков всегда можно восстановить информацию даже при повреждении одного из них. Соответственно, для создания нормального RAID-массива в этом случае требуется (I+1) жесткий диск.

Распределение блоков по дискам точно такое же, как при чередовании. Экстраблок может записываться на отдельный накопитель, либо раскидываться по дискам.

Что же хранится в экстраблоке? Обычно каждый бит экстраблока состоит из суммы бит всех I блоков, точнее из результата выполнения логической операции XOR. Многие помнят со школы, что XOR – удивительный оператор, при его повторном наложении мы можем получить первоначальный результат. То есть (A XOR B) XOR B = A. Это правило распространяется на любое количество операндов.

Плюсы четности очевидны. За счет использования чередования повышается скорость работы. При зеркалировании надежность сохраняется, но при этом «нерабочий» объем массива заметно уменьшается, он одинаков при любом количестве дисков и составляет емкость одного диска, то есть при 5 дисках в массиве пропадает всего 20% емкости.

Но у четности есть весомый минус. Для формирования экстраблоков требуются вычисления! Их надо делать на лету, причем с миллионами, миллиардами бит! Если это дело поручить центральному процессору, мы получим очень «тормознутую» систему. Необходимо использовать довольно дорогие платы с RAID-контроллерами, которые «берут все вычисления на себя». В случае выхода из строя одного из дисков, процесс восстановления будет не столь быстрым, как при зеркалировании.

Распространенные single RAID массивы

Распространенные multi-RAID массивы