Raid impacted что это

Обновлено: 04.07.2024

RAID (англ. redundant array of independent disks — избыточный массив независимых жёстких дисков) — массив из нескольких дисков, управляемых контроллером, взаимосвязанных скоростными каналами и воспринимаемых внешней системой как единое целое. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать различные степени отказоустойчивости и быстродействия. Служит для повышения надёжности хранения данных и/или для повышения скорости чтения/записи информации. Изначально, подобные массивы строились в качестве резерва носителям на оперативной (RAM) памяти, которая в то время была дорогой. Со временем, аббревиатура приобрела второе значение – массив уже был из независимых дисков, подразумевая использование нескольких дисков, а не разделов одного диска, а также дороговизну (теперь уже относительно просто нескольких дисков) оборудования, необходимого для построения этого самого массива.

Рассмотрим, какие бывают RAID массивы. Сперва рассмотрим уровни, которые были представлены учёными из Беркли, потом их комбинации и необычные режимы. Стоит заметить, что если используются диски разного размера (что не рекомендуется), то работать они буду по объёму наименьшего. Лишний объем больших дисков просто будет недоступен.

RAID 0. Дисковый массив с чередованием без отказоустойчивости/чётности (Stripe)

Однако чудес не бывает, а если бывают, то нечасто. Производительность растёт всё же не в N раз (N – число дисков), а меньше. В первую очередь, увеличивается в N раз время доступа к диску, и без того высокое относительно других подсистем компьютера. Качество контроллера оказывает не меньшее влияние. Если он не самый лучший, то скорость может едва заметно отличаться от скорости одного диска. Ну и немалое влияние оказывает интерфейс, которым RAID контроллер соединён с остальной системой. Всё это может привести не только к меньшему, чем N увеличению скорости линейного чтения, но и к пределу количества дисков, установка выше которого прироста давать уже не будет вовсе. Или, наоборот, будет слегка снижать скорость. В реальных задачах, с большим числом запросов шанс столкнуться с этим явлением минимален, ибо скорость весьма сильно упирается в сам жёсткий диск и его возможности.

Как видно, в этом режиме избыточности нет как таковой. Используется всё дисковое пространство. Однако, если один из дисков выходит из строя, то, очевидно, теряется вся информация.

RAID 1. Зеркалирование (Mirror)

Минусы – высокая избыточность, так как нужно вдвое больше дисков для создания такого массива. Ещё одним минусом является то, что отсутствует какой-либо прирост производительности – ведь на второй диск просто пишется копия данных первого.

RAID 2 Массив с использованием ошибкоустойчивого кода Хемминга.

Данный код позволяет исправлять и обнаруживать двойные ошибки. Активно используется в памяти с коррекцией ошибок (ECC). В этом режиме диски разбиваются на две группы – одна часть используется для хранения данных и работает аналогично RAID 0, разбивая блоки данных по разным дискам; вторая часть используется для хранения ECC кодов.

Главным минусом является высокая избыточность (при малом числе дисков она почти двойная, n-1). При увеличении числа дисков удельное число дисков хранения ECC кодов становится меньше (снижается удельная избыточность). Вторым минусом является низкая скорость работы с мелкими файлами. Из-за громоздкости и высокой избыточности с малым числом дисков, данный уровень RAID в данное время не используется, сдав позиции более высоким уровням.

RAID 3. Отказоустойчивый массив с битовым чередованием и чётностью.

Данный режим записывает данные по блокам на разные диски, как RAID 0, но использует ещё один диск для хранения четности. Таким образом, избыточность намного ниже, чем в RAID 2 и составляет всего один диск. В случае сбоя одного диска, скорость практически не меняется.

Из основных минусов надо отметить низкую скорость при работе с мелкими файлами и множеством запросов. Связано это с тем, что все контрольные коды хранятся на одном диске и при операциях ввода/вывода их необходимо переписывать. Скорость этого диска и ограничивает скорость работы всего массива. Биты чётности пишутся только при записи данных. А при чтении – они проверяются. По причине этого наблюдается дисбаланс в скорости чтения/записи. Одиночное чтение небольших файлов также характеризуется невысокой скоростью, что связано с невозможностью параллельного доступа с независимых дисков, когда разные диски параллельно выполняют запросы.

RAID 4

Данные записываются блоками на разные диски, один диск используется для хранения битов чётности. Отличие от RAID 3 заключается в том, что блоки разбиваются не по битам и байтам, а по секторам. Преимущества заключаются в высокой скорости передачи при работе с большими файлами. Также высока скорость работы с большим числом запросов на чтение. Из недостатков можно отметить доставшиеся от RAID 3 – дисбаланс в скорости операций чтения/записи и существование условий, затрудняющих параллельный доступ к данным.

RAID 5. Дисковый массив с чередованием и распределённой чётностью.

RAID 6. Дисковый массив с чередованием и двойной распределённой чётностью.

Всё отличие сводится к тому, что используются две схемы чётности. Система устойчива к отказам двух дисков. Основной сложностью является то, что для реализации этого приходится делать больше операций при выполнении записи. Из-за этого скорость записи является чрезвычайно низкой.

Комбинированные (nested) уровни RAID.

Поскольку массивы RAID являются прозрачными для ОС, то вскоре пришло время и созданию массивов, элементами которых являются не диски, а массивы других уровней. Обычно они пишутся через плюс. Первая цифра означает то, массивы какого уровня входят в качестве элементов, а вторая цифра – то, какую организацию имеет верхний уровень, который объединяет элементы.

RAID 0+1

Комбинация, которая является массивом RAID 1, собранным на базе массивов RAID 0. Как и в массиве RAID 1, доступным будет только половина объёма дисков. Но, как и в RAID 0, скорость будет выше, чем с одним диском. Для реализации такого решения необходимо минимум 4 диска.

RAID 1+0

Также известен, как RAID 10. Является страйпом зеркал, то есть, массивом RAID 0, построенным из RAID 1 массивов. Практически аналогичен предыдущему решению.

RAID 0+3

Массив с выделенной чётностью над чередованием. Является массивом 3-го уровня, в котором данные блоками разбиваются и пишутся на массивы RAID 0. Комбинации, кроме простейших 0+1 и 1+0 требуют специализированных контроллеров, зачастую достаточно дорогих. Надёжность данного вида ниже, чем у следующего варианта.

RAID 3+0

Также известен, как RAID 30. Является страйпом (массивом RAID 0) из массивов RAID 3. Обладает весьма высокой скорость передачи данных, вкупе с неплохой отказоустойчивостью. Данные сначала разделяются на блоки (как в RAID 0) и попадают на массивы-элементы. Там они опять делятся на блоки, считается их чётность, блоки пишутся на все диски кроме одного, на который пишутся биты чётности. В данном случае, из строя может выйти один из дисков каждого из входящих в состав RAID 3 массива.

RAID 5+0 (50)

Создаётся путём объединения массивов RAID 5 в массив RAID 0. Обладает высокой скоростью передачи данных и обработки запросов. Обладает средней скоростью восстановления данных и хорошей стойкостью при отказе. Комбинация RAID 0+5 также существует, но больше теоретически, так как даёт слишком мало преимуществ.

RAID 5+1 (51)

Сочетание зеркалирования и чередования с распределённой четностью. Также вариантом является RAID 15 (1+5). Обладает очень высокой отказоустойчивостью. Массив 1+5 способен работать при отказе трех дисков, а 5+1 – пяти из восьми дисков.

RAID 6+0 (60)

Чередование с двойной распределённой четностью. Иными словами – страйп из RAID 6. Как уже говорилось применительно к RAID 0+5, RAID 6 из страйпов не получил распространения (0+6). Подобные приёмы (страйп из массивов с четностью) позволяют повысить скорость работы массива. Ещё одним преимуществом является то, что так можно легко повысить объём, не усложняя ситуации с задержками, необходимыми на вычисление и запись большего числа битов четности.

RAID 100 (10+0)

Нестандартные режимы RAID

Двойная четность

RAID-DP

Является разработкой NetApp RAID массива с двойной четностью и подпадает под обновленное определение RAID 6. Использует отличную от классической RAID 6 реализации схему записи данных. Запись ведется сначала на кеш NVRAM, снабжённый источником бесперебойного питания, чтобы предотвратить потерю данных при отключении электричества. Программное обеспечение контроллера, по возможности, пишет только цельные блоки на диски. Такая схема предоставляет большую защиту, чем RAID 1 и имеет более высокую скорость работы, нежели обычный RAID 6.

RAID 1,5

Был предложен компанией Highpoint, однако теперь применяется очень часто в контроллерах RAID 1, без каких-либо выделений данной особенности. Суть сводится к простой оптимизации – данные пишутся как на обычный массив RAID 1 (чем 1,5 по сути и является), а читают данные с чередованием с двух дисков (как в RAID 0). В конкретной реализации от Highpoint, применявшейся на платах DFI серии LanParty на чипсете nForce 2, прирост был едва заметным, а порой и нулевым. Связано это, вероятно, с невысокой скоростью контроллеров данного производителя в целом в то время.

RAID 1E

Комбинирует в себе RAID 0 и RAID 1. Создаётся минимум на трёх дисках. Данные пишутся с чередованием на три диска, а со сдвигом на 1 диск пишется их копия. Если пишется один блок на три диска, то копия первой части пишется на второй диск, второй части – на третий диск. При использовании четного числа дисков лучше, конечно, использовать RAID 10.

RAID 5E

Обычно при построении RAID 5 один диск оставляют свободным (spare), чтобы в случае сбоя система сразу стала перестраивать (rebuild) массив. При обычной работе этот диск работает вхолостую. Система RAID 5E подразумевает использование этого диска в качестве элемента массива. А объём этого свободного диска распределяется по всему массиву и находится в конце дисков. Минимальное число дисков – 4 штуки. Доступный объём равен n-2, объём одного диска используется (будучи распределенным между всеми) для четности, объем еще одного – свободный. При выходе из строя диска происходит сжатие массива до 3-х дисков (на примере минимального числа) заполнением свободного пространства. Получается обычный массив RAID 5, устойчивый к отказу ещё одного диска. При подключении нового диска, массив расжимается и занимает вновь все диски. Стоит отметить, что во время сжатия и распаковки диск не является устойчивым к выходу еще одного диска. Также он недоступен для чтения/записи в это время. Основное преимущество – большая скорость работы, поскольку чередование происходит на большем числе дисков. Минус – что нельзя данный диск назначать сразу к нескольким массивам, что возможно в простом массиве RAID 5.

RAID 5EE

Отличается от предыдущего только тем, что области свободного места на дисках не зарезервированы одним куском в конце диска, а чередуются блоками с битами четности. Такая технология значительно ускоряет восстановление после сбоя системы. Блоки можно записать прямо на свободное место, без необходимости перемещения по диску.

RAID 6E

Аналогично с RAID 5E использует дополнительный диск для повышения скорости работы и распределения нагрузки. Свободное место разделяется между другими дисками и находится в конце дисков.

RAID 7

Intel Matrix RAID

Является технологией, представленной Intel в южных мостах, начиная с ICH6R. Суть сводится к возможности комбинации RAID массивов разных уровней на разделах дисков, а не на отдельных дисках. Скажем, на двух дисках можно организовать по два раздела, два из них будут хранить на себе операционную систему на массиве RAID 0, а другие два – работая в режиме RAID 1 – хранить копии документов.

Linux MD RAID 10

Это RAID драйвер ядра Linux, предоставляющий возможность создания более продвинутой версии RAID 10. Так, если для RAID 10 существовало ограничение в виде чётного числа дисков, то этот драйвер может работать и с нечетным. Принцип для трех дисков будет тем же, что в RAID 1E, когда происходит чередование дисков по очереди для создания копии и чередования блоков, как в RAID 0. Для четырех дисков это будет эквивалентно обычному RAID 10. Помимо этого, можно задавать, на какой области диска будет храниться копия. Скажем, оригинал будет в первой половине первого диска, а его копия – во второй половине второго. Со второй половиной данных – наоборот. Данные можно дублировать несколько раз. Хранение копий на разных частях диска позволяет достичь большей скорости доступа в результате разнородности жесткого диска (скорость доступа меняется в зависимости от расположения данных на пластине, обычно разница составляет два раза).

RAID-K

Разработан компанией Kaleidescape для использования в своих медиа устройствах. Схож с RAID 4 с использованием двойной четности, но использует другой метод отказоустойчивости. Пользователь может легко расширять массив, просто добавляя диски, причём в случае, если он содержит данные, данные будут просто добавлены в него, вместо удаления, как это требуется обычно.

RAID-Z

JBOD

Drive Extender

Функция, заложенная в Window Home Server. Совмещает в себе JBOD и RAID 1. При необходимости создания копии, она не дублирует сразу файл, а ставит NTFS разделе метку, указывающую на данные. При простое система копирует файл так, чтобы место на дисках было максимальным (использовать можно диски разного объема). Позволяет достичь многих преимуществ RAID – отказоустойчивости и возможности простой замены вышедшего из строя диска и его восстановления в фоновом режиме, прозрачности местонахождения файла (вне зависимости от того, на каком диске он находится). Также можно проводить параллельный доступ с разных дисков с помощью вышеуказанных меток, получая сходную с RAID 0 производительность.

UNRAID

Разработана компанией Lime technology LLC. Эта схема отличается от обычных RAID массивов тем, что позволяет смешивать диски SATA и PATA в одном массиве и диски разных объема и скорости. Для контрольной суммы (четности) используется выделенный диск. Данные не чередуются между дисками. В случае отказа одного диска, теряются только файлы, на нём хранящиеся. Однако, с помощью четности они могут быть восстановлены. UNRAID внедрен как добавление к Linux MD (multidisk).

Большинство видов RAID массивов не получило распространения, часть используется в узких сферах применения. Наиболее массовыми, от простых пользователей до серверов начального уровня стали RAID 0, 1, 0+1/10, 5 и 6. Нужен ли вам рейд-массив для ваших задач – решать вам. Теперь вы знаете, в чём их отличия друг от друга.

RAID (Redundant Array of Independent Disks или «избыточный массив независимых дисков») — метод виртуализации, позволяющий объединять несколько дисков в единый логический том, имеющий лучшие характеристики. Чтобы описать, чем RAID может быть полезен на практике, рассмотрим теоретические основы, классификацию и особенности использования данной технологии.

Для чего применяется RAID

RAID позволяет превратить несколько дисковых накопителей в один большой и быстрый диск. Его можно использовать в качестве хранилища данных с функцией автоматического резервного копирования или настроить как системный диск повышенной отказоустойчивости.

У технологии RAID-массивов существуют и минусы. Платой за быстродействие и надежность становится усложнение системы, а также необходимость закупать дополнительное оборудование. Однако эта цена невелика по сравнению с потенциальными убытками, которые может понести пользователь при потере информации или внезапной поломке накопителя.

Преимущества технологии

Увеличенный объем. Первоначальное назначение RAID — получение диска большей емкости.
Повышение быстродействия системы через параллельное подключение в массив нескольких физических дисков.
Отказоустойчивость и надежность хранения данных обеспечиваются выделением на цели резервирования отдельного устройства. При повреждении одного из дисков RAID-массива информация не будет утеряна.

Условие применения

Технологию можно использовать не во всех случаях. Для этого требуется ее аппаратная и программная поддержка. BIOS должен содержать настройку вида «SATA Configuration: RAID». Если же ее по каким-либо причинам нет, то необходимо «перепрошить» базовую систему ввода-вывода.

В случае, когда поддержка RAID программным методом невозможна, нужно подключить дополнительное устройство — RAID-контроллер и установить соответствующий драйвер. В последних версиях ОС Linux (Ubuntu 20.04, POP-OS 20.04 и т. д.) драйвер для включения режима RAID инсталлируется автоматически.

Основные понятия

В основе функционирования RAID-массивов лежит несколько базовых терминов, без которых нельзя понять принципы работы этой технологии.

Массив — объединение нескольких физических или виртуальных накопителей в один большой диск с возможностью единой настройки, форматирования и управления.
Метод зеркалирования — способ повысить надежность хранения информации через создание копии исходного диска на другом носителе, входящем в массив.
Дуплекс — один из методов зеркалирования, в котором используется вдвое большее количество накопителей для создания копий.
Чередование — увеличение производительности диска, благодаря блочной разбивке данных при записи.
Четность — технология, сочетающая в себе чередование и зеркалирование.

Типы RAID-массивов

Программный (software RAID) — самый бюджетный и распространенный вариант. Дисковые массивы создаются в самой операционной системе посредством специальных утилит. Обработкой данных занимается центральный процессор. Основной недостаток — зависимость от предустановленной системы, которая приводит к существенному понижению быстродействия и безопасности хранения информации.
Аппаратный (hardware RAID) — создается на основе отдельного устройства (RAID-контроллера), которое имеет собственные специализированный микропроцессор и кеш-память. При этом нагрузка на микропроцессор практически отсутствует. Это наиболее затратный метод реализации, характеризующийся надежностью, высокой скоростью записи и чтения.
Интегрированный аппаратный (fake RAID, RAID-on-Chip) — комбинация программного и аппаратного способов. Реализована в виде дополнительного микрочипа, который встраивается в материнскую плату и работает совместно с центральным процессором. Эта технология быстрее программной, но не отличается надежностью хранения информации.

Классификация RAID по уровням

Основные отличия между конфигурациями или уровнями RAID заключаются в методах формирования и размещения данных, а также в алгоритмах распределения информации на носителях. Базовые типы RAID-массивов — RAID 0 и RAID 1. Остальные уровни считаются их производными, сочетающими в себе достоинства той или иной базовой модели.

RAID 0

Технология виртуализации RAID 0 называется striping («чередование»). Для ее реализации применяется от 2 до 4 накопителей, которые совместно выполняют процедуру «чтения/записи».

При записи информация разделяется на блоки, которые одновременно сохраняются на накопители. Первый блок — на один, второй — на другой жесткий диск и так далее. Производительность массива возрастает прямо пропорционально количеству накопителей в системе. То есть, 4 диска будут работать в 2 раза быстрее, чем два.

Однако, такая конфигурация RAID-массива чревата потерей данных, что уменьшает безопасность хранения информации. Это объясняется структурой каждого файла. Последний состоит из определенной последовательности блоков (байт), поскольку каждый из них записывается на разные диски и происходит «нарушение» его целостности. Если один накопитель выходит из строя, то блок «теряется». При этом получается «битый» файл, который практически невозможно восстановить.

Достоинства

Дисковый RAID-массив уровня 0 обеспечивает ощутимый прирост скорости, который прямо пропорционально зависит от кратности количества накопителей.
Использование всего дискового объема, т. е. при установке четырех дисков по 2 ТБ общий объем RAID-массива будет равен 2*4=8 ТБ.

Недостатки

Нарушение отказоустойчивости. Иногда возможен отказ в операциях чтения или записи.
При выходе из строя одного накопителя информация полностью теряется.

Использование

Применяется в приложениях для скоростного обмена информацией, в хранилищах временных файлов. Также RAID 0 нужен для систем, использующих некритичные по важности массивы данных.

RAID 1

Технология RAID 1 называется мirroring («зеркалирование»). Она подразумевает использование от 2 до 4 накопителей. Однако при этом теряется половина объема дисков, поскольку это пространство используется резервированием данных.

Простыми словами, если RAID-система состоит из 2 жестких дисков, то при выходе одного из них информация не потеряется полностью, поскольку один накопитель является точной копией другого.

Достоинства

Надежность хранения информации.
Простота реализации.
Высокая производительность при выполнении операции чтения.
Минимальная комплектация составляет всего 2 жестких диска.

Недостатки

Низкая производительность.
Емкость RAID-массива делится на 2, что обусловлено резервированием информации.
Замена неисправного накопителя требует полное отключение системы.

Использование

Уровень RAID 1 необходимо применять для увеличения надежности хранения информации на серверах.

RAID 5

Технология RAID 5 («чередование с чётностью») считается наиболее распространенной и безопасной. Для подобной конфигурации необходимо минимум 3 диска, а максимальное допустимое количество — 16.

При записи информации происходит разделение на блоки данных, но с одним условием — на один из дисков, называемый блок «чётность данных» (Parity Drive, PD), происходит запись информации для восстановления. Этот подход позволяет спасти данные при повреждении одного из накопителей.

RAID 5 может реализовываться программным методом при помощи специальных утилит, но IT-специалисты рекомендуют все же отдать предпочтение аппаратному способу.

Достоинства

Увеличена скорость чтения за счет одновременной обработки данных с нескольких независимых потоков от дисков массива.
Информация не «потеряется» при повреждении одного накопителя.
При замене неисправного диска происходит автоматическое восстановление информации.

Недостатки

Иногда происходят отказы дисков.
Если объем поврежденного накопителя 4 ТБ и более, при замене его на идентичный диск, восстановление может занять более одного дня.
Если диск «чётности» вышел из строя при выполнении процедуры восстановления, то информация будет окончательно утеряна.
Минимальное количество накопителей — 3.

Использование

Технология виртуализации 5 уровня (RAID 5) прекрасно подойдет для безопасного хранения данных, но при этом не будет утрачена производительность. Очень часто ее используют файловые серверы.

RAID 6

Технология виртуализации 6 уровня («чередование с двойной чётностью») похожа на RAID 5. Отличие состоит в записи информации для восстановления на два диска. Первый — блок «чётность данных» (PD) используются в архитектуре RAID 5 для резервного хранения данных. Второй диск «чётности» дублирует работу первого. Его работа основана на коде Рида-Соломона (Reed-Solomon), поэтому диск часто имеет краткое обозначение — RS или Q.

Благодаря использованию принципа двойной чётности, система может перенести без потерь информации отказ сразу двух жестких дисков. Однако для создания RAID 6 потребуется минимум четыре накопителя.

Достоинства

Высокая скорость считывания и записи данных.
Поддержка двух, одновременно вышедших из строя накопителей.

Недостатки

Время на операцию записи на 20% больше, чем для RAID 5.
Минимальная вероятность отказа дисков.
Восстановление после сбоя занимает много времени.
Для реализации необходимо 4 накопителя.

Использование

RAID 6 является более надежной конфигурацией, чем RAID пятого уровня. Она часто применяется на файловых серверах, где используются большие объемы данных.

RAID 10

Технология виртуализации 10 — «гибрид» RAID нулевого и первого уровней, сочетающая в себе все их преимущества.

Достоинства

Высокая скорость восстановления данных.
Высокая надежность.
Быстродействие.

Недостатки

Дороговизна реализации.
Емкость, уходящая на зеркалирование, эквивалентна 50 % от всего объема дисков.

Использование

Гибридная технология RAID 10 используется в тех же случаях, что и RAID 0 и RAID 1.

Утилиты для создания

В операционной системе Windows есть встроенная утилита для создания RAID. Однако она поддерживает только RAID-массивы первого. Поэтому для более сложных операций, а также для платформ на базе Unix/Linux требуется установка стороннего ПО.

Перед выбором соответствующей конфигурации RAID-массива, специалисты рекомендуют сохранить информацию на отдельный носитель. При создании или удалении RAID-системы данные на дисках уничтожаются.

Mdadm

Для операционных систем на основе Linux рекомендуется использовать штатную утилиту «mdadm», которую необходимо предварительно установить через терминал.

Основные возможности

Создание и сброс RAID-массивов.
Монтирование файловых систем.
Сохранение топологии массива.
Удаление отдельных элементов из RAID.

Установка

Для инсталляции утилиты требуется ввести в терминале следующие команды:

При этом в систему будет инсталлирована утилита, а также необходимый набор библиотек.

MegaRAID Storage Manager (MSM)

Бесплатное приложение от Microsoft, разработанное с целью обеспечения гибкого управления RAID-системами в ОС Windows.

Основные возможности

Просмотр состояния RAID-контроллера.
Создание RAID-массивов различных уровней.
Удаление элементов из массива.
Графический интерфейс.
Монтирование файловых систем.

Установка

Заключение

Использование RAID-массивов позволяет реализовать повышенние потенциала нескольких дисковых накопителей за счет их объединения. В частности, растет производительность и надежность хранения информации. Однако эффективность работы массива будет сильно зависеть от того, каким способом он создан. Оптимальным является аппаратный метод на базе отдельного RAID-контроллера, но его организация потребует больших финансовых вложений.

Помимо способа реализации для работы RAID важна конфигурация массивов, которая делится на несколько базовых уровней. Оптимальным уровнем считается RAID-10, поскольку он обеспечивает не только высокую скорость обработки данных, но и их сохранность.

Виртуальный сервер от Eternalhost — надежная площадка для современного веб-ресурса! Быстрые NVMe диски, реальная защита от DDoS, техподдержка 24/7.

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.

26 Февраля 2021

RAID (Redundant Array of Independent Disks, избыточный массив независимых дисков) - это технология хранения одних и тех же информационных блоков на нескольких HDD или SSD-дисках, объединяемых в общую логическую структуру.

Массивы RAID задействуются в серверах или системах хранения данных, чтобы сделать их более отказоустойчивыми и производительными, помогают расширять общее пространство памяти, стабилизировать дисковое пространство и защищать информацию при утрате работоспособности одним из носителей в структуре массива.

Типы RAID и степени их надежности

В массивах RAID задействуются диски, работающие в различных режимах и имеющие широкий функционал. Структура массива во многом определяет скорость и бесперебойность работы сервера и сохранность размещенных в нем данных, и в зависимости от этого RAID-массивы делятся на типы (или уровни):

RAID 0 (Stripe, или режим чередования). Массивы этого уровня используются для значительного повышения производительности работы дисковой подсистемы. Массив работает по схеме разбивки всех данных на блоки и записи каждого блока на индивидуальный носитель. Данный массив применяется на серверах, передающих значительные объемы информации на высокой скорости;
RAID 1 (Mirror, режим зеркалирования) - этот массив обладает высоким уровнем надежности, поскольку все данные в нем записываются на каждый логический диск, состоящий из пары физических. Если один из дисков выйдет из строя, другой сможет стать его заменой, дублируя его функционал. Данный рейд ускоряет чтение информации, потому что данные могут считываться с обоих дисков одновременно;
RAID 5. Эти массивы состоят из трех и более носителей (один из которых является диском четности), что дает RAID 5 возможность выделения значительных логических блоков под размещение информации, а также обеспечивает условия для параллельной записи. Производительность таких массивов наращивают, добавляя дополнительные диски;
в массивы RAID 6 встроены два диска данных и два диска контроля четности, что существенно повышает производительность этих рейдов и поддерживает их работоспособность после одновременного выхода из строя любых двух дисков. RAID 6 устанавливаются в серверах с повышенными требованиями к надежности;
RAID 10 (1+0) - микс RAID-массивов 1 и 0, который характеризуется высокими производительностью и отказоустойчивостью. В таких массивах содержится обязательно четное количество дисков (минимально - 4), что делает их самым надежным вариантом архивирования информации;
RAID 50 - микс RAID массивов 5 и 0, построенный по схеме создания RAID 5, но не из самостоятельных жестких дисков, а из массивов RAID 0. Это решение отличается хорошей отказоустойчивостью, высокой скоростью передачи данных и обработки запросов.

Также существуют Hybrid RAID, сочетающие в себе RAID-массивы обычных уровней и дополненные специальным ПО и SSD-дисками (в качестве кэша для чтения данных). Этот тип массивов устанавливается в основном в файловые серверы и виртуальные вычислительные машины.

На изображении отражена пирамида RAID-массивов, которая иллюстрирует их преимущества.

Что нужно для создания массива RAID

При создании структуры дисковых массивов RAID могут задействоваться и жесткие диски, и твердотельные накопители (но не одновременно). При этом рейды целесообразнее создавать из HDD, потому что массивы, «смонтированные» из SSD, имеют сложности в обновлении прошивки, затрудненное отслеживание работоспособности, а накопители в таких системах выходят из строя одновременно.

Объединение дисков в RAID-массив проводится при помощи контроллера, который может быть физическим устройством (адаптером) или утилитой ОС. В зависимости от разновидности контроллера массивы RAID делятся на:

аппаратные - формируются при установке отдельных контроллеров с индивидуальным процессором и кэшируемой памятью. Такие массивы выполняют все дисковые операции. Аппаратные RAID считаются наиболее производительными и надежными в эксплуатации массивами;
программные - данный вид RAID-массивов создается при помощи средств ОС, при этом всей работой с данными «занимается» центральный процессор. По своей стоимости RAID на основе утилит ОС дешевле аппаратных, но их производительность очень мала.

Также существуют интегрированные аппаратные Fake-RAID - микрочипы, «привязанные» к материнским платам. Эти микрочипы работают в «связке» с центральным процессором и выполняют некоторые элементы функционала аппаратного RAID-контроллера. Fake-RAID-массивы имеют удовлетворительно высокую скорость работы, но при этом очень ненадежны.

Самым применяемой технологией формирования RAID-массивов считается аппаратная, но она же является и наиболее затратной.

Методика расчетов необходимого количества дисков

При расчете количества дисков, требующихся для формирования RAID-массивов, следует учитывать:

технологию диска. Так, SATA поддерживают меньшие массивы, чем SAS /FC;
ограничения RAID-контроллера. Если контроллер действует по SCSI, и каждому из видимых дисков присваивается LUN, правилу 7/14 дается значение true, а при поддержке контроллера, основанного на FibreChannel, в массиве может работать свыше 120 видимых дисков;
процессор RAID-контроллера. CPU на RAID-контроллере станет ограничителем скорости записи данных независимо от типа контроля четности;
ширину шины. SCSI и FibreChannel имеют свои лимиты поддержки контроллера при размещении элементов RAID на разных каналах в повышении параллельности и производительности.

Для расчетов эффективности дискового пространства различных уровней RAID используются специальные калькуляторы, исходными данными в которых являются уровень массива, объем и параметры диска, количество дисков в RAID-группе.

Читайте также: