Обзорная инструкция про RAID

Определение RAID
Виды RAID. RAID 0
Виды RAID. RAID 1
Виды RAID. RAID 2
Виды RAID. RAID 5
Виды RAID. RAID 6
Виды RAID. RAID 10
Аппаратные RAID-контроллеры
Программный RAID

Определение RAID

RAID – это дисковый массив из нескольких жестких дисков. Он используется для повышения надежности хранения данных или для увеличения скорости чтения/записи.

Разные типы этих конфигураций как раз и отмечаются разными номерами: 1, 2, 3, 4 и, соответственно, выполняют разные функции.

• RAID 0 — дисковый массив повышенной производительности с чередованием без отказоустойчивости;

• RAID 1 — зеркальный дисковый массив;
  
• RAID 2 — зарезервирован для массивов, которые применяют код Хемминга;
  
• RAID 3 — дисковый массив с выделенным диском чётности;
  
• RAID 4 — дисковый массив с чередованием и выделенным диском чётности;
  
• RAID 5 — дисковый массив с чередованием, в том числе данных чётности;
  
• RAID 6 — дисковый массив с чередованием, использующий две контрольные суммы, вычисляемые двумя независимыми способами;
  
• RAID 10 — массив RAID 0, построенный из массивов RAID 1.

Виды RAID

RAID 0

RAID 0 (чередование дисков) – на данном уровне задействован процесс разделения массива данных на блоки с последующим их распределением по нескольким устройствам хранения, объединенных в одну совокупную группу. Блоки распределяются последовательно и содержат каждый свою часть данных на отдельном диске. 

Распределение данных в RAID-массиве нулевого уровня происходит без данных четности и не имеет избыточности или отказоустойчивости. Это означает, что в случае сбоя какого-то одного диска происходит разрушение всего дискового массива, и восстановить информацию в полном объеме не получится без использования данных с неисправного накопителя.

Системы хранения выполняют чередование дисков по-разному. Система может чередовать данные на уровне байтов, блоков или разделов, или чередовать данные на всех или некоторых дисках кластера.

RAID 0 лучше всего использовать для хранилища, наличие защиты от потери данных в котором не критично, но требуется поддержка высокоскоростного режима чтения и записи. Например, это могут быть задачи по обработке потокового видео в реальном времени и редактирование файлов медиа-формата, хранение временных данных.

Преимущества RAID 0:

• Повышенная производительность чтения и записи;

• Использование полной мощности накопителей;

• Легко реализуется.

Недостатки RAID 0:

• Отсутствует отказоустойчивость.

Наглядная схема RAID 0 состоящая из двух дисков представлена на рисунке.

RAID 1

RAID 1 - массив из двух (или более) дисков, являющихся полными копиями друг друга. Самая простая система RAID-массивов из всех возможных. Представляет собой параллельную запись информации с основного диска на другие — дублирующие. Повышение производительности происходит только при чтении данных, за счёт распараллеливания запросов. Зеркальное копирование дисков особенно полезно для сценариев аварийного восстановления, поскольку обеспечивает мгновенное восстановление требуемых, для критически важных приложений, данных сразу после отказа диска. Если первичные диски в массиве повреждены или не могут быть использованы, произойдет переключение на вторичные или зеркальные резервные диски, обладающие работоспособными копиями, и функционирование приложений, обращающихся к востребованным данным, не будет нарушено.

Достоинства:

• Обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения при распараллеливании запросов.

• Имеет высокую надёжность — работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве. Вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна произведению вероятностей отказа каждого диска, то есть значительно ниже вероятности выхода из строя отдельного диска.

Недостатки:

• По цене двух жестких дисков пользователь получает объём одного.

Наглядная схема RAID 1.

RAID 2

Массивы такого типа основаны на использовании кода Хэмминга. Но поскольку современные жесткие диски также используют самоконтролирующийся код Хемминга, то уровень «RAID 2» теперь считается устаревшим. Чтобы получить RAID данного типа, создаются две группы дисков – одна для хранения данных, другая - для кодов исправления ошибок.

Данный код исправления ошибок позволяет производить анализ данных, которые считываются или пересылаются, и, при необходимости, исправлять их непосредственно во время процесса передачи. 

Достоинства:

• Быстрое исправление ошибок, без снижения скорости передачи данных между дисковым массивом и процессором.

Недостатки:

• Минимальное количество дисков 7, только начиная с этого количества для него требуется меньше дисков, чем для RAID 1 (4 диска с данными, 3 диска с кодами коррекции ошибок), в дальнейшем избыточность уменьшается по экспоненте.

Наглядная схема RAID 2.

RAID 5

RAID 5 — дисковый массив с чередованием блоков данных и контролем чётности.

Схож по своему принципу работы с RAID 1. Только теперь потребуется минимум 3 накопителя, на одном из которых будет храниться продублированная информация. Избыточный массив конфигурации независимых дисков подобного формата основан в соответствии с принципом чередования на уровне блоков четности. Данные и информация о четности распределяются равномерно по всем дискам, что влечет за собой снижение критичной уязвимости отдельного запоминающего накопителя из организованного объединения, и позволяет массиву «RAID 5» функционировать даже в случае сбоя какого-нибудь одного диска, а также даже восстановить данные за счёт чередования, утраченные с проблемного устройства.

Достоинства:

• RAID 5 получил широкое распространение, в первую очередь благодаря своей экономичности.  С увеличением количества дисков в массиве экономия (по сравнению с другими уровнями RAID, обладающими отказоустойчивостью) продолжает увеличиваться. 
• RAID 5 обеспечивает высокую скорость чтения — выигрыш достигается за счёт независимых потоков данных с нескольких дисков массива, которые могут обрабатываться параллельно.

Недостатки:

• Производительность RAID 5 заметно ниже на операциях записи в произвольном порядке, при которых производительность падает на 10-25 % от производительности RAID 0 (или RAID 10), так как требует большего количества операций с дисками. Каждая операция записи заменяется на контроллере RAID на четыре — две операции чтения и две операции записи.

Наглядная схема RAID 5.

RAID 6

RAID 6 — массив из четырёх или более дисков, обеспечивающий двойной контроль четности хранимой информации. Разработанный для защиты от потери данных при выходе из строя сразу двух жестких дисков в массиве. За счёт двух дисков избыточности он имеет более высокую степень надёжности. Среди дисковых массивов RAID 6 — самый надёжный, но и самый медленный. Архитектурное построение «RAID 6» представляет собой одну из нескольких схем «RAID», которая функционирует, размещая данные на нескольких дисках и позволяя операциям ввода/вывода («I/O») перекрываться сбалансированным образом. Использование дополнительной четности позволяет массиву продолжать свое функционирование, даже если два диска выходят из строя одновременно

Достоинства:

• Надёжность — она максимальна из всех массивов данных RAID.

• Если два диска выйдут из строя, и их придется заменить, вы все равно будете иметь доступ ко всем данным.

Недостатки:

• Отказы дисков влияют на производительность массива;

• Операции записи медленнее, чем в RAID 5, из-за дополнительных блоков четности, принимающих участие в вычислениях.

Наглядная схема RAID 6.

RAID 10

RAID 10 (RAID 1+0) — зеркалированный массив, данные в котором записываются последовательно на несколько дисков, как в RAID 0. Диски вложенного массива объединяются в «зеркала» RAID 1. Эти зеркальные пары затем преобразуются в общий массив с использованием чередования RAID 0. Вам потребуется минимум 4 носителя, и их количество всегда должно быть четным. В данном массиве вы получаете высокую производительность и высокую надежность. Однако, как в случае и с RAID 1, вам будет доступна лишь половина от общего объема всей системы.

Достоинства:

• RAID 10 объединяет в себе высокую отказоустойчивость и производительность.

• RAID 10 является достаточно надёжным вариантом для хранения данных в связи с тем, что весь массив RAID 10 будет выведен из строя только после выхода из строя всех накопителей в одном и том же массиве RAID 1.

Недостатки:

• Эффективность дискового пространства 50%.

Наглядная схема RAID 10.

Аппаратные RAID-контроллеры

Представляют собой плату расширения либо размещаются вне сервера (например, в составе внешней дисковой подсистемы либо NAS). Имеют собственный процессор, многие имеют кэш-память для ускорения работы.  При значительной нагрузке на систему дисков, которая требует от сервера обработки больших объемов данных, может работать только отдельное оборудование RAID-контроллера. Он подключается через разъем PCI к материнской плате и самостоятельно решает задачи управления массивом жестких дисков. 

Для подключения дисков контроллер может иметь внутренние либо внешние порты, либо и те, и другие.

Контроллеры различных производителей, как правило, не совместимы и не взаимозаменяемы между собой — это следует иметь в виду в случае выхода из строя платы контроллера. Информация о конфигурации RAID-массива хранится на дисках, но прочитать её, даже с полностью исправных дисков, и воссоздать массив сможет только контроллер того же производителя. Программные RAID-массивы также лишены этого недостатка.

Программный RAID

Дисковый массив, который создается в операционной системе, называется программным RAID. Для реализации RAID можно применять не только аппаратные средства, но и полностью программные компоненты (драйверы). Управлять RAID-устройствами в РЕД ОС можно с помощью утилиты mdadm. 

Главное преимущество программной реализации – невысокая стоимость. 

Недостатки – низкая производительность и постоянная дополнительная нагрузка на процессор. 

Получается, программная реализация лучше всего проявляет себя в работе с теми массивами дисков, которые не требуют объемных вычислений.

Дата последнего изменения: 06.09.2024

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter.