Непрерывные длинные сигналы raid

Обновлено: 03.07.2024

Устройства хранения данных позволяют защитить любые важные данные сервера и сохранить их для последующего извлечения. Если у вас нет высоких требований к избыточности или производительности, вам вполне подойдёт один диск. В противном случае можно использовать RAID.

Данное руководство ознакомит вас с общими понятиями RAID, преимуществами подобных массивов и различиями в технологиях их реализации.

Что такое RAID?

RAID расшифровывается как Redundant Arrays of Independent Disks (избыточный массив дисковых накопителей). Это технология виртуализации данных, которая объединяет несколько дисков в логический блок. Существует несколько шаблонов виртуализации, благодаря чему администраторы могут повысить производительность ил избыточность данных. RAID внедряется как промежуточный слой между неформатированными устройствами или разделами и файловой системой.

Когда используется RAID?

Обычно RAID используется для повышения производительности и избыточности.

Избыточность данных – это технология, позволяющая повысить доступность данных путём их накопления и дублирования. В случае сбоя одного из устройств копию данных можно будет извлечь с другого устройства.

Примечание: Избыточность и резервное копирование – не одно и то же. RAID-массивам бекап так же необходим, как и любому другому типу устройств.

В отдельных случаях RAID используется для оптимизации производительности. Потоки ввода и вывода на некоторых устройствах ограничены. В RAID-массивах данные либо избыточны, либо распределены, а это означает, что операции чтения можно выполнять на нескольких дисках, а это увеличивает общую пропускную способность. Операции записи также можно оптимизировать: RAID позволяет делить данные и записывать на отдельный диск лишь часть общего объема данных.

Недостатками RAID являются:

сложность управления;
уменьшение количества имеющихся возможностей машины;
дополнительные затраты (например, на специализированные аппаратные средства, если массив не удалось полностью реализовать в программном обеспечении);
повышенный риск полной потери данных.

Аппаратный и программный RAID

RAID можно реализовать с помощью разных технологий.

Аппаратный RAID

Специальное аппаратное обеспечение RAID – это RAID-контроллеры или RAID-карты, с помощью которых можно создавать и управлять массивами RAID независимо от операционной системы. Контроллеры RAID имеют специальный процессор для управления устройствами RAID.

Производительность: RAID-контроллеры не занимают циклов процессора для управления дисками. Это значит, что для управления устройствами хранения не нужны дополнительные ресурсы. Кроме того, высококачественные контроллеры обеспечивают кэширование, что может иметь огромное влияние на производительность.
Простота: RAID-контроллеры позволяют отделить диск от операционной системы. RAID представляет целую группу дисков как один логический блок хранения. Операционной системе не нужно понимать расположение дисков RAID, она может просто взаимодействовать с массивом так, как если бы это было одно устройство.
Высокая доступность: поскольку массив управляется без помощи ПО, он будет доступен сразу же после загрузки сервера. Потому главную файловую систему можно установить на RAID-массив.

Конечно, аппаратный RAID имеет и значительные недостатки.

Зависимость от единственного поставщика: поскольку в управлении устройствами RAID важна прошивка самого оборудования, массив зависит от оборудования, с помощью которого он был создан. Если контроллер RAID ломается, его (почти во всех случаях) нужно заменить аналогичной или совместимой моделью. Потому некоторые администраторы рекомендуют заранее приобрести один или несколько резервных контроллеров.
Высокая стоимость: качественные контроллеры RAID, как правило, стоят довольно дорого.

Программный RAID

Также RAID можно настроить с помощью операционной системы. Поскольку отношения между дисками определяются операционной системой, а не встроенным программным обеспечением аппаратного устройства, такой RAID называется программным.

Преимущества программного RAID:

Гибкость: управление RAID происходит с помощью операционной системы, потому такой массив можно настроить из работающей системы без перенастройки оборудования. Особенной гибкостью отличается программный RAID Linux, который предлагает много различных типов конфигурации RAID.
Открытый код: реализация программного RAID для систем с открытым исходным кодом (например Linux и FreeBSD) тоже является открытой. Вы можете легко прочитать и внедрить код в другие системы. К примеру, RAID-массив, созданный в Ubuntu, можно легко переместить на сервер CentOS. При этом почти нет риска потерять доступ к данным из-за программных различий.
Никаких дополнительных расходов: программный RAID не требует специального аппаратного обеспечения.

Недостатки программного RAID:

Зависимость от реализации: программный RAID не привязан к конкретному оборудованию, однако он обычно зависит от конкретной реализации. Linux использует mdadm, FreeBSD – RAID на основе механизма GEOM, Windows – собственную версию RAID. Реализации RAID с открытым исходным кодом можно читать и перемещать, только если формат совпадает. Разные реализации программного RAID обычно несовместимы.
Ресурсные затраты: В течение всего срока существования программный RAID критикуют за повышенное ресурсопотребление. Управление массивом занимает циклы процессора и память, которые можно использовать для других целей. Такие программные реализации как mdadm почти устраняют эту проблему на современном оборудовании; теперь расход ресурсов процессора сведён к минимуму и в большинстве случаев незначителен.

Полуаппаратный RAID (Fake RAID)

Третий тип RAID-массивов называется полуаппаратным (также он известен как Fake RAID). Его особенность заключается в разделении обработки данных: управление RAID-массивом выполняет контроллер (как правило, для этого достаточно недорогого контроллера), а обработку данных берёт на себя операционная система.

Преимущества полуаппаратного RAID:

Поддержка нескольких операционных систем: поскольку RAID запускается вместе с сервером, а затем передаётся операционной системе, несколько операционных систем могут использовать один массив. Программный RAID такого обеспечить не может.

Недостатки полуаппаратного RAID:

Ограниченная поддержка: обычно полуаппаратный RAID поддерживает только RAID 0 или RAID 1.
Необходимо специальное оборудование: как и аппаратный RAID, полуаппаратный RAID привязан к устройствам, с помощью которых был создан массив. Особенно сложно, если эта проблема затрагивает материнскую плату: в случае замены RAID-контроллера придётся поменять и плату, чтобы получить доступ к данным.
Ресурсные затраты: как и программный RAID, полуаппаратный RAID забирает ресурсы системы для обработки данных.

Большинство системных администраторов стараются избегать полуаппартного RAID, поскольку он имеет недостатки первых двух типов RAID.

Терминология RAID

Ниже приведены общие термины RAID, которые нужно знать.

Уровень RAID характеризует отношения между компонентами устройства хранения данных. Устройства могут быть по-разному сконфигурированы, что приводит к различиям в эксплуатационных характеристиках и избыточности данных. Больше об уровнях RAID можно узнать в специальном разделе этого руководства.
Чередование – это процесс разделения операций записи между компонентами массива; при этом данные делятся на куски, каждый из которых записывается, по меньшей мере, на один из базовых дисков. Эта стратегия используется многими уровнями RAID.
Размер куска – это объём данных, которые будут находиться в каждом куске. Настраивая размер куска, нужно учитывать характеристики потоков ввода и вывода – так можно оптимизировать производительность массива.
Четность – это механизм целостности данных, реализованный посредством вычисления информации из блоков данных, записанных в массив. Информация о четности может быть использована для восстановления данных в случае сбоя диска. Расчет четности помещается на отдельное устройство, которое вычисляет данные и (в большинстве случаев) распределяет их по доступным дискам. Это позволяет повысить повышения производительность и избыточность.
Деградированный массив: массивы с избыточностью данных могут страдать от разного рода сбоев, и если в результате сбоя один из дисков прекращает работу, массив переходит в «деградированный режим». Деградированные массивы можно восстановить до обычного состояния путём замены неисправного оборудования. В деградированных массивах наблюдается снижение производительности.
Синхронизация (или перенос актуальных данных) – это восстановление деградированного массива. В зависимости от конфигурации и ошибки в массиве RAID, синхронизация выполняется путём копирования данных из существующих файлов, либо путём вычисления данных по чётности.
Вложенные массивы – это группы RAID-массивов, которые можно объединять в более объемные массивы. Часто массивы с избыточностью (как RAID 1 и RAID 5) используются для построения массива RAID 0.
Span – это: 1) два или больше дисков, объединённые в одно логическое устройство без изменения производительности и избыточности. Такой режим также называется линейным RAID (примером является mdadm); 2) нижние уровни массивов, которые объединяются для формирования вложенного RAID-массива (RAID 10, например).
Проверка массива – это процесс чтения каждого блока в массиве с целью обнаружить ошибки целостности данных. Это позволяет вовремя выявить и восполнить недостающие куски данных.

Уровни RAID

Характеристики RAID-массива определяются его уровнем. Рассмотрим самые распространённые уровни.

RAID 0

Недостатки такого массива:

Нет отказоустойчивости. Сбой одного диска выведет из строя весь массив, все данные будут потеряны.
В отличие от других массивов, данные RAID 0 нельзя восстановить, поскольку ни один компонент из подмножества не содержит достаточного количества информации. Потому массивам RAID 0 крайне необходимо постоянное резервное копирование данных.

RAID 1

RAID 1 – это зеркальный массив, состоящий из двух или больше дисков. Данные, записанные в такой массив, помещаются на каждом устройстве группы. Таким образом, каждое устройство имеет полный набор данных, обеспечивая избыточность в случае отказа одного из дисков. В массиве RAID 1 данные будут доступны до тех пор, пока в массиве функционирует хотя бы одно устройство. Массив можно восстановить путем замены неисправных дисков. Чтобы добавить данные на новые диски, достаточно скопировать их со старых дисков.

Недостатки RAID 1:

Как и в RAID 0, теоретическую скорость чтения можно рассчитать, умножив скорость чтения отдельного диска на количество дисков в массиве. Однако при этом максимальная теоретическая производительность – это производительность самого медленного устройства в массиве (это потому, что все данные записываются на каждое устройство массива).
Кроме того, общая емкость массива – это, опять же, емкость самого маленького диска. Таким образом, массив RAID 1 из двух устройств одинакового размера будет иметь полезную емкость одного диска. Дополнительные диски могут увеличить количество избыточных копий данных, но это не приведет к увеличению объема доступной мощности.

RAID 5

RAID 5 объединяет функции предыдущих двух уровней. RAID 5 – дисковый массив с чередованием и отказоустойчивостью. RAID 5 вычисляет код четности для всех данных, хранящихся в массиве, чтобы использовать его для восстановления данных при сбоях. Диск получает блок четности вместо блока данных.

Преимущества RAID 5:

Как и другие массивы с чередованием, RAID 5 увеличивает производительность операций чтения (так как данные можно прочитать с любого диска).
Блоки четности позволяют полностью восстановить данные, если случится сбой.
Поскольку блоки четности распределены (некоторые менее распространенные уровни RAID используют выделенный диск четности), каждый диск имеет сбалансированное количество информации о четности.
В отличие от массива RAID 1, чья ёмкость ограничена размером одного диска, RAID 5 может обеспечить уровень избыточности за счет пространства всего одного диска. Таким образом, четыре диска по 100G в массиве RAID 5 дают 300G полезного пространства (один диск будет занят информацией четности).

Недостатки RAID 5:

Во время вычисления четности снижается общая производительность системы. Это может повлиять на операции записи.
В случае если один из дисков выходит из строя и весь массив переходит в деградированный режим, может снизиться производительность операций чтения (отсутствующие данные нужно будет вычислить из остальных дисков).
После восстановления массива путём замены отказавшего диска каждый диск нужно прочитать заново, и ресурсы процессора используются для расчета и восстановления недостающих данных. Это может повредить оставшиеся диски, что иногда приводит к дополнительным сбоям и даже к потере всех данных.

RAID 6

RAID 6 – аналог массива RAID 5, дисковый массив с чередованием и двумя дисками контроля чётности. Такой массив может выдержать сбой двух дисков. Это является существенным преимуществом в связи с увеличением вероятности дополнительного сбоя диска во время интенсивного восстановления после сбоя. Как и другие уровни RAID с чередованием данных, скорость операций чтения, как правило, достаточно высока. Кроме того, RAID 6 имеет все преимущества массива RAID 5.

Недостатки RAID 6:

Двойная чётность массива уменьшает его емкость. Это означает, что общая емкость массива представляет собой объединённое пространство всех дисков минус два диска.
Расчет данных о четности в RAID 6 сложнее, чем в RAID 5, что может привести к ухудшению производительности операций записи.
RAID 6 имеет те же проблемы с деградацией массива, что и RAID 5 (однако дополнительный избыточный диск уменьшает вероятность дополнительных отказов во время восстановления).

Вложенный RAID 1+0

Традиционно массив RAID 10 считается вложенным массивом; по сути, это массив RAID 0, состоящий из двух и больше массивов RAID 1. Сегодня RAID 10 также называют RAID 1+0. В целом такая архитектура требует минимум 4 диска: RAID 0 чередуется по двум массивам RAID1, в каждом из которых минимум два устройства.

Массивы RAID 1+0 обладают высокой производительностью RAID 0 и зеркалированием RAID 1, что обеспечивает избыточность данных. Этот тип конфигурации может обрабатывать сбои дисков в любом из зеркальных массивов RAID 1, пока хотя бы один диск остаётся доступным.

RAID 10 в mdadm

Массивы Linux (mdadm) предлагают собственную версию RAID 10, который имеет преимущества RAID 1+0, но при этом обладает гибкостью и некоторыми дополнительными функциями.

Как и RAID 1+0, RAID 10 в mdadm поддерживает множество копий и чередование данных. Однако такие устройства упорядочены не по принципу зеркальных пар: в данном случае администратор сам принимает решение о количестве копий, которые будут записаны в массив. Данные фрагментированы и записываются в массив в нескольких экземплярах, при этом каждая копия фрагмента записывается на различные физические устройства. В конечном результате существует то же самое количество копий, но массив не ограничен вложенностью.

Где искать свежие, оригинальные идеи? Новые технологии не сразу приходят к конечным пользователям. Сначала они окупаются и обкатываются на профессиональном рынке, служа бизнесу или государству, и лишь затем потихоньку дрейфуют «в массы», появляясь в бюджетных решениях.

В нашу тестовую лабораторию попала на редкость интересная вещица, одно название которой вызвает трепет: плата контроллера RAID-массива LSI LOGIC MegaRAID SCSI 320-1 PCI 64 1ch 64МБ (RAID levels: 0, 1, 50, 10, 5).

Представьте, именно такой абракадаброй кажутся непосвященным пользователям краткие характеристики какого-нибудь системного блока. Но приходит опыт, и цифры обретают смысл.

Плата RAID контроллера LSI LOGIC MegaRAID

Внешний SCSI разъем на плате

Внутренний SCSI разъем на плате

Перед нами типичный образец платы с RAID-контроллером, используемой в серверных решениях. В таких системах обычно устанавливаются дорогие, но надежные жесткие диски с параллельным SCSI интерфейсом и материнские платы с 64-разрядными PCI слотами. Ключевым же на сегодня будет слово RAID и перечисленные уровни: 0, 1, 50, 10, 5.

Что такое RAID?

В переводе с английского «RAID» (Redundant Arrays of Inexpensive Disks) означает «избыточный массив независимых дисков». Этот перевод не совсем дословный, но именно содержащийся в нем смысл является правильным.

Впервые термин RAID появился в 1987 году, когда исследователям из Калифорнийского Университета в Беркли удалось создать действующий массив из нескольких жестких дисков.

Первоначальное предназначение RAID – создание на базе нескольких винчестеров диска большого объема с увеличенной скоростью доступа. Но затем к двум основным целям добавилась третья – сохранение данных в случае отказа части оборудования. Именно эти три кита сделали RAID-массивы столь востребованными бизнесом и военными. Впрочем, за объем, скорость и надежность пришлось платить повышением стоимости и сложности систем хранения данных.

Со временем оборудование для построения RAID массивов стало более доступным, особенно с появлением дешевых решений для IDE/ATA и SATA дисков. Теперь уже не только специалисты по СХД, но и обычные пользователи столкнулись с хитростями построения дисковых массивов.

Оказывается, не так просто найти оптимальное решение одновременно по надежности, емкости и цене. Надо быть готовым к тому, что придется купить не один, а несколько жестких дисков, и емкость как минимум одного из них не будет использоваться. Если речь идет о построении более-менее серьезной системы, потребуется отдельный (лучше специальный) корпус с отдельным (а то и двумя) блоком питания, плата контроллера и соответствующее программное обеспечение.

Не испугались? Значит, пора знакомиться с RAID более подробно.

Пять таинственных слов

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.

2. BIOS загружает загрузчик, который в свою очередь загружает ОС.

3. BIOS позволяет ОС взаимодействовать с периферийным оборудованием.

4. BIOS позволяет настраивать многие компоненты оборудования, следить за их состоянием, параметрами работы. Там сохраняются сделанные пользователем настройки, например актуальная дата и время, позволяет включать-выключать встроенное в материнскую плату оборудование.
Для определения вида BIOS я рекомендую посмотреть на момент загрузки, обычно в верхней левой части экрана есть информация о производителе и версии BIOS, либо зайти в настройки BIOS, как правило нажимая несколько раз на клавишу Delete после включения ПК.

UEFI (BIOS)

Описание ошибки

Загрузка прошла успешно

Имеются не критичные ошибки.

Ошибку выдал контроллер клавиатуры

1 короткий + 1 длинный

Неисправна оперативная память

1 длинный + 2 коротких

Об ошибке сигнализирует видеокарта

1 длинный + 3 коротких

1 длинный + 9 коротких

Ошибка при чтении из ПЗУ

Непрерывные короткие сигналы

Неисправность блока питания или оперативной памяти

Непрерывные длинные гудки

Попеременные длинный и короткий сигналы

Сигнализирует о проблемах с блоком питания

IBM BIOS.

Последовательность звуковых сигналов	Описание ошибки Bios
1 короткий	Успешный POST
1 сигнал и пустой экран	Неисправна видеосистема
2 коротких	Не подключен монитор
3 длинных	Неисправна материнская плата (ошибка контроллера клавиатуры)
1 длинный 1 короткий	Неисправна материнская плата
1 длинный 2 коротких	Неисправна видеосистема (Mono/CGA)
1 длинный 3 коротких	Неисправна видеосистема (EGA/VGA)
Повторяющийся короткий	Неисправности связаны с блоком питания или материнской платой
Непрерывный	Проблемы с блоком питания или материнской платой
Отсутствует	Неисправны блок питания, материнская плата, или динамик

Award BIOS

AMI BIOS

AST BIOS

Последовательность звуковых сигналов	Описание ошибки
1 короткий	Ошибка при проверке регистров процессора. Неисправность процессора
2 коротких	Ошибка буфера клавиатурного контроллера. Неисправность клавиатурного контроллера.
3 коротких	Ошибка сброса клавиатурного контроллера. Неисправность клавиатурного контроллера или системной платы.
4 коротких	Ошибка связи с клавиатурой.
5 коротких	Ошибка клавиатурного ввода.
6 коротких	Ошибка системной платы.
9 коротких	Несовпадение контрольной суммы ПЗУ BIOS. Неисправна микросхема ПЗУ BIOS.
10 коротких	Ошибка системного таймера. Системная микросхема таймера неисправна.
11 коротких	Ошибка чипсета.
12 коротких	Ошибка регистра управления питанием в энергонезависимой памяти.
1 длинный	Ошибка контроллера DMA 0. Неисправна микросхема контроллера DMA канала 0.
1 длинный 1 короткий	Ошибка контроллера DMA 1. Неисправна микросхема контроллера DMA канала 1.
1 длинный 2 коротких	Ошибка гашения обратного хода кадровой развёртки. Возможно, неисправен видеоадаптер.
1 длинный 3 коротких	Ошибка в видеопамяти. Неисправна память видеоадаптера.
1 длинный 4 коротких	Ошибка видеоадаптера. Неисправен видеоадаптер.
1 длинный 5 коротких	Ошибка памяти 64K.
1 длинный 6 коротких	Не удалось загрузить векторы прерываний. BIOS не смог загрузить векторы прерываний в память
1 длинный 7 коротких	Не удалось инициализировать видеооборудование.
1 длинный 8 коротких	Ошибка видеопамяти.

Compaq BIOS

Звуки	Описание
1 короткий	Ошибок нет. Нормальная загрузка системы.
1 длинный 1 короткий	Ошибка контрольной суммы памяти CMOS BIOS. Возможно сел аккумулятор ROM.
2 коротких	Глобальная ошибка.
1 длинный 2 коротких	Ошибка инициализации видеокарты. Проверьте правильность установки видеокарты.
7 сигналов	Неисправность видеокарты AGP. Проверьте правильность установки.
1 длинный постоянный	Ошибка оперативной памяти, попробуйте перезагрузиться.
1 короткий 2 длинных	Неисправность оперативной памяти. Перезагрузитесь через Reset.

Quadtel BIOS

Последовательность звуковых сигналов	Описание ошибки
1 короткий	Ошибок не обнаружено, ПК исправен
2 коротких	CMOS RAM повреждена. Заменить IC если это возможно
1 длинный 2 коротких	Ошибка видеоадаптера. Неисправен видеоадаптер. Переустановите или замените адаптер
1 длинный 3 коротких	Один или несколько из периферийных контроллеров неисправен. Замените контроллеры и проведите повторное тестирование

Далее: Beep-коды представлены последовательностью звуковых сигналов. Например, 1-1-2 означает 1 звуковой сигнал, пауза, 1 звуковой сигнал, пауза, и 2 звуковых сигнала.

Dell BIOS

Последовательность звуковых сигналов	Описание ошибки
1-2	Не подключена видеокарта
1-2-2-3	Ошибка контрольной суммы ПЗУ BIOS
1-3-1-1	Ошибка обновления DRAM
1-3-1-3	Ошибка клавиатуры 8742
1-3-3-1	Неисправна память
1-3-4-1	Ошибка ОЗУ на линии xxx
1-3-4-3	Ошибка ОЗУ на младшем бите xxx
1-4-1-1	Ошибка ОЗУ на старшем бите xxx

Phoenix BIOS

Звуковые сигналы Phoenix BIOS состоят из нескольких серий коротких гудков, которые следуют с некоторым интервалом. Например, сигнал с кодом 1-2-3 будет звучать так: один короткий гудок, пауза, два коротких гудка, пауза, три коротких гудка.

Сигнал

Значение (расшифровка)

Ошибка при чтении данных из микросхемы встроенной памяти СМОS

Ошибка контрольной суммы микросхемы CMOS

Ошибка на системной плате

Ошибка контроллера DМА системной платы

Ошибка чтения или записи данных в один из каналов DМА

Ошибка в оперативной памяти

Ошибка первых 64 Кбайт основной памяти

Ошибка тестирования оперативной памяти

Ошибка системной платы

Ошибка тестирования оперативной памяти

Ошибка одного из битов первых 64 Кбайт оперативной памяти

Ошибка в первом канале DMA

Ошибка во втором канале DМА

Ошибка при обработке прерываний

Ошибка контроллера прерываний материнской платы

Ошибка контроллера клавиатуры

Ошибка при тестировании видеопамяти

Ошибка при поиске видеопамяти

Ошибка системного таймера

Ошибка контроллера клавиатуры

Ошибка центрального процессора

Ошибка тестирования оперативной памяти

Ошибка системного таймера

Ошибка часов реального времени

Ошибка последовательного порта

Ошибка параллельного порта

Ошибка математического сопроцессора

Ошибка в работе адаптеров, имеющих собственный BIOS

Ошибка при подсчете контрольной суммы BIOS

Ошибка в работе оперативной памяти

Ошибка контроллера клавиатуры

Ошибки при тестировании оперативной памяти

Ошибка при проверке уведомления об авторском праве ROM BIOS

Ошибка при обработке непредвиденных прерываний

Последовательность звуковых сигналов, описание ошибок без таблицы:

В системах хранения данных критически важны сохранность и время восстановления в случае сбоя. Свою ценность, а в некоторых задачах и более высокую, имеет скорость работы накопителей. Использование RAID-массивов в различных конфигурациях — это поиск компромисса между перечисленными параметрами.

RAID — это технология объединения двух и более накопителей в единый логический элемент с целью повышения производительности и (или) отказоустойчивости отдельно взятого элемента массива.

RAID-массивы классифицируются по следующим параметрам:

по исполнению RAID контроллера;
по типам поддерживаемых интерфейсов накопителей;
по поддерживаемым уровням RAID.

RAID-контроллеры: аппаратные и не очень

По исполнению контроллеры делятся на программные и аппаратные. Программные реализуются непосредственно средствами операционной системы или на уровне материнской платы. Последние также известны как интегрированные, а также Fake-RAID. Они работают быстрее чисто софтверных решений за счет специального чипа для управления массивом. Недавно публиковался текст о развертывании таких технологий. Дополнительной железки при этом никакой нет и в любом случае будут использоваться ресурсы вычислительной машины.

Аппаратные RAID-контроллеры выполняются в форм-факторе платы PCIe либо в составе внешнего автономного устройства — дискового массива.

Они имеют на борту собственные процессор, память, BIOS и специальный интерфейс для конфигурации. Платы PCIe также комплектуются дополнительными модулями, сохраняющими данные, если произойдет сбой в электропитании: BBU с Li-Ion аккумулятором и ZMCP на базе суперконденсатора.

Оба модуля позволяют сделать сэйв содержимого кэша. После восстановления работы эти данные будут немедленно записаны на диск. Дисковый массив, будучи автономным, располагает собственными блоком питания и системой охлаждения.

Накопители подключаются к плате либо кабелями напрямую, либо через платы расширения. Автономные дисковые массивы содержат все накопители внутри себя, а наружу смотрит все тот же интерфейс PCIe (есть и другие варианты, например, USB 3.2 и Thunderbolt 3). Кстати, известный вид дисковых массивов — сетевое хранилище данных (NAS).

Что можно подключать к RAID-контроллеру

Следующий важный параметр, по которому различаются RAID-массивы, это поддержка интерфейсов накопителей. Не будем тревожить склеп с IDE-дисками, а констатируем, что по большому счету применяются три типа: SATA, SAS и NVMe. SAS — удел серверов, а вот остальные применяются повсеместно.

Есть программные и аппаратные RAID-контроллеры, которые умеют управлять массивом дисков с одним из интерфейсов. В формате PCIe есть и такие платы, которые реализуют режим Tri-Mode, позволяющий работать со смешанным составом накопителей.

Уровни RAID

Разобравшись с основными конструктивными особенностями RAID-контроллеров, перейдем к главной характеристике — поддержке уровней RAID. В подавляющим большинстве контроллеры работают с уровнями 0, 1, 1E, 10, 5, 5EE, 50, 6, 60. Другие занесены в красную книгу и на практике встречаются редко. Простейшие программные контроллеры позволяют создать RAID 0 и 1. Более продвинутые добавляют RAID 10 и 5. В аппаратных, как правило, такой перечень минимален, и многие платы поддерживают весь спектр уровней. Рассмотрим подробнее каждый из них.

Несколько важных нюансов для понимания эффективных объема и быстродействия, получаемых в результате объединения в массив:

при использовании накопителей разного объема контроллер «обрезает» объем каждого из них до наименьшего из используемых. Если у вас есть много дисков 4 ТБ и один 2 ТБ, то в массиве все диски будут восприниматься как 2 ТБ;
при использовании накопителей с разными скоростями ввода/вывода и задержками, то операции доступа будут осуществляться с наихудшими из всех параметров. Другими словами, самым быстрым дискам придется ждать, пока отработает самый медленный.

RAID 0

Единственный массив, который не совсем оправдывает название, поскольку не обладает избыточностью. При этом скорость и эффективный объем максимальны. Данные разбиваются на одинаковые блоки, равномерно записываемые на все диски по очереди. Эти блоки называются страйпами, отсюда и сам RAID 0 часто именуют страйпом. Считывание данных также происходит параллельно. Здесь конечно же есть свое но.

Дело в том, что прирост производительности не прямо пропорционален количеству дисков (как хотелось бы). В силу специфики накопителей, особенно механических, выигрыш в конфигурации RAID 0 хорошо заметен только на операциях последовательного чтения. Другими словами, при работе с большими файлами. Типичная область применения — игры, видеомонтаж и рендеринг. При условии, что регулярно производится резервирование на сторонние накопители. Наряду с этим при случайном доступе к файлам разница с отдельно взятым диском уже не так ощутима. Более позитивная картина наблюдается в случае твердотельных накопителей, но они и так удовлетворяют большинству запросов по быстродействию.

В общем, в современных реалиях RAID 0 далеко не всегда оправдает свое применение, а основная задача RAID-массива все же в повышении надежности хранения данных.

Обратная сторона медали за скорость как раз в отсутствии избыточности, что означает нулевую отказоустойчивость. В случае сбоя хотя бы одного из элементов массива, восстановление всего содержимого практически невозможно.

RAID 1

RAID 1, известный как «зеркало», представляет собой другую крайность. Он максимально избыточен — в нем производится 100 % дублирование данных. Этот процесс «съедает» ровно половину объема массива. Число дисков в нем, соответственно, четное. Позволяет увеличить скорость чтения, но синхронная скорость записи в некоторых случаях падает. При отказе одного из дисков работа автоматически продолжается с дублером. Если доступна функция горячей замены дисков, то восстановление штатного режима происходит без остановки. RAID 1 идеален для чувствительных данных.

RAID 5

Состоит минимум из трех накопителей, при этом доступный объем уменьшается на один. Данные записываются в страйпы на все диски кроме одного, на котором размещается контрольная сумма этой части данных. Запись этого блока также чередуется между всеми накопителями, распределяя равномерную нагрузку. Если их больше четырех, то скорость чтения будет выше чем в RAID 1, но запись будет осуществляться медленнее. Контрольные суммы позволяют достать информацию в случае выхода из строя одного из элементов. Сама операция восстановления вызывает повышенную нагрузку на оставшиеся диски. Значительно падает производительность и риск утери всех данных в случае отказа еще одного диска. Желательно иметь опцию горячей замены для оперативного возвращения в нормальный режим работы.

Со всеми плюсами и минусами эти три уровня наиболее распространены и просты в развертывании.

RAID 6

Развитие RAID 5 по части надежности, позволяющее пережить потерю двух дисков. В данной конфигурации в каждом проходе пишется две независимые контрольные суммы на два накопителя. Требуется минимум четыре диска, из которых два уйдет на описанный алгоритм повышения отказоустойчивости. При этом скорость записи будет еще ниже, чем у RAID 5.

Следующие уровни — производные и комбинации перечисленных.

RAID 10

Неплохо было бы объединить достоинства RAID 0 (производительность) и RAID 1 (отказоустойчивость)? Встречайте RAID 10: страйп и зеркало, два в одном. Но и недостатки не забудьте — по-прежнему половина объема уходит на резерв. А что делать, за надежность приходится платить. В этом плане менее экономичен, чем RAID 5 И RAID 6, но более прост в восстановлении после сбоя.

RAID 50

По похожей схеме получаем RAID 50. Здесь уже страйпы не зеркалируются, а распределяются по двум и более массивам RAID 5. Требуется от шести дисков, скорость чтения значительно увеличивается. Кроме того, нивелируется и слабое место RAID 5 и RAID 6 — низкая скорость записи. Отрицательная сторона опять лежит в плоскости экономики. Из эффективного объема выпадают два диска, как и RAID 6, при этом массив выдержит потерю только одного.

RAID 60

Данный гибрид RAID 0 и RAID 6 призван решить проблему производительности последнего. Отказоустойчивость остается на том же уровне, как и часть объема накопителей, отводимая на реализацию алгоритмов контроля целостности данных. Дисков для такого удовольствия понадобится как минимум восемь.

RAID 1E

Еще одна вариация совмещения алгоритмов зеркалирования и чередования данных. Записанные на одной итерации страйпы повторно записываются на следующей, но в обратном порядке. Таким образом в RAID 1E можно использовать три диска. Массив останется тем же зеркалом с эффективным объемом, равным половине от исходного.

RAID 5EE

Один из вариантов использования RAID 5 с резервным диском. Отличается тем, что этот диск не простаивает до выхода из строя одного из элементов массива, а используется наряду с другими. На каждой итерации помимо страйпов данными и контрольной суммой записывается резервный блок. Сделано это для ускорения процесса сборки массива в случае нештатной ситуации. Платой за такую опцию становится второй диск, исключаемый из эффективного объема RAID 5EE.

В таблице ниже приведены сравнительные характеристики рассмотренных уровней RAID.

Не забудем и про массив с незатейливым названием JBOD (дословно переводится как «просто связка дисков»). Строго говоря, он не является RAID-массивом. Это объединенные в один несколько дисков без дополнительной функциональности. Позволяет развернуть логический диск с объемом, который недоступен в рамках одного накопителя. Такой диск полезен для перемещения файлов больших размеров в несколько терабайт.

Вместо заключения напомним самое главное правило для всех, кто хранит данные в RAID-массиве: RAID-массив ≠ бэкап! Регулярно делайте резервные копии данных на независимые носители и да пребудет с вами сила.

Читайте также: