9.5. Аппаратные средства защиты

Согласно исследованиям, проведенным фирмой Intel наименее надежными компонентами вычислительной системы являются жесткий диск и источник питания.

9.5.1. Отказоустойчивые дисковые массивы

Проблема повышения отказоустойчивости систем чаще всего решается с помощью массивов RAID. RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) - массив избыточных недорогих дисков.

Технология RAID может быть построена на аппаратной или программной реализации.

По определению RAID имеет три признака:

1. набор дисков, доступных пользователям как один или несколько логических дисков;

2. данные распределяются по набору дисков определен­ным способом;

3. добавляется избыточная емкость или возможность вос­становления данных в случае дисковых отказов.

RAID – это дисковая архитектура, которая объединяет два или более стандартных физических устройств в одно для того, чтобы достичь устойчивости данных против сбоев путем резервирования. Основные причины использования RAID-сис­тем – улучшение производительности и повышение надежно­сти.

Небольшие недорогие диски, используемые в персональ­ных компьютерах и микроЭВМ, ниже по эффективности и ем­кости в сравнении с большими дорогими дисками универсаль­ных ЭВМ и суперЭВМ.

Однако они превосходят их по четырем важнейшим по­казателям:

• возможность ввода/вывода (I/O);

• стоимость за мегабайт;

• среднее время безотказной работы (MTBF);

• соотношение «стоимость/эффективность» SCSI-контрол­лера на диск.

Совместное использование недорогих дисков в массиве дает очевидные преимущества:

• высокую скорость пересылки;

• увеличение дисковой емкости;

• высокую скорость I/O.

Однако практические результаты и, следовательно, пре­имущества полученных решений в большой степени зависят от используемых уровней RAID, определяющих различные сте­пени быстродействия, надежности и стоимости массивов. Вы­деляют восемь уровней RAID (0-7), наибольшее распростране­ние получили уровни 1, 3 и 5.

RAID-0 - расщепление данных без проверки четности (DSA). Дисковый массив без избыточного хранения данных (рис. 7). Информация разбивается на блоки, которые одновременно за­писываются на отдельные диски, что обеспечивает повышение производительности. Такой способ хранения информации не­надежен, поскольку поломка одного диска приводит к потере всей информации, поэтому уровнем RAID как таковым не яв­ляется.

Рис. 7. Дисковый массив с расщеплением данных

За счет возможности одновременного ввода/вывода с не­скольких дисков массива RAID-0 обеспечивает максимальную скорость передачи данных и максимальную эффективность использования дискового пространства, так как не требуется места для хранения контрольных сумм. Реализация этого уровня очень проста. RAID-0, как правило, применяется в тех областях, где требуется быстрая передача большого объема данных. Для реализации массива требуется не меньше двух винчестеров.

Преимущества RAID-0:

• наивысшая производительность в приложениях, требую­щих интенсивной обработки запросов ввода/вывода и данных большого объема;

• простота реализации;

• низкая стоимость;

• максимальная эффективность использования дискового пространства ­–100%.

Недостатки:

• не является «настоящим» RAID'ом, поскольку не поддер­живает отказоустойчивость;

• отказ одного диска влечет за собой потерю всех данных массива.

RAID-1 - дисковый массив с зеркалированием (MDA). Ос­нован на принципе полного дублирования данных (создании зеркальной копии диска) (рис. 8). Все изменения на логическом раз­деле одного из дисков немедленно отражаются на точно таком же логическом разделе другого диска. Если операция чтения или записи не проходит на одном из дисков, то система ис­пользует второй. Контроль четности отсутствует.

Рис. 8. Дисковый массив с зеркалированием

Обеспечивается высокий уровень готовности данных и высокая производительность при операциях чтения. Для реа­лизации массива требуется не меньше двух винчестеров.

Преимущества:

• простота реализации;

• простота восстановления массива в случае отказа (копи­рование).

Недостатки:

• высокая стоимость – 100-процентная избыточность;

• невысокая скорость передачи данных.

RAID-3 - параллельный дисковый массив (PDA). Произ­водится расщепление данных на массиве дисков на битовом или байтовом уровне с выделением одного диска для контроля четности. Информация о четности позволяет восстановить по­терянные блоки при меньшей избыточности по сравнению с RAID-1 (рис. 9).

Рис. 9. Параллельный дисковый массив

Этот уровень имеет намного меньшую избыточность, чем RAID-1. За счет расщепление данных RAID-3 имеет высокую производительность. Поскольку при каждой операции ввода/вывода производится обращение практически ко всем дискам массива, то одновременная обработка нескольких за­просов невозможна.

Этот уровень подходит для приложений с файлами боль­шого объема и малой частотой обращений (в основном это сфера мультимедиа). Использование только одного диска для хранения контрольной информации объясняет тот факт, что коэффициент использования дискового пространства доста­точно высок (как следствие этого – относительно низкая стои­мость). Для реализации массива требуется не меньше трех винчестеров.

Преимущества:

• отказ диска мало влияет на скорость работы массива;

• высокая скорость передачи данных;

• высокий коэффициент использования дискового про­странства.

Недостатки:

• сложность реализации;

• низкая производительность при большой интенсивно­сти запросов данных небольшого объема.

RAID-5 - массив независимых дисков (IDA). Самый рас­пространенный уровень. Блоки данных и контрольные суммы циклически записываются на все диски массива, отсутствует выделенный диск для хранения информации о четности, нет асимметричности конфигурации дисков (рис. 10).

Рис. 10. Массив независимых дисков

В случае RAID-5 все диски массива имеют одинаковый размер – но один из них невидим для операционной системы. Например, если массив состоит из пяти дисков емкостью 10 Гб каждый, то фактически размер массива будет равен 40 Гб – 10 Гб отводится на контрольные суммы. В общем случае полез­ная емкость массива из N дисков равна суммарной емкости N–1 диска.

Скорость выполнения операций считывания достаточно высока, так как не требует обращения к отдельному диску контроля четности.

Преимущества:

• высокая скорость записи данных;

• достаточно высокая скорость чтения данных;

• высокая производительность при большой интенсивно­сти запросов чтения/записи данных;

• высокий коэффициент использования дискового про­странства.

Недостатки:

• низкая скорость чтения/записи данных малого объема при единичных запросах;

• достаточно сложная реализация;

• сложное восстановление данных.

Надежность RAID-массива зависит от его организации. Время наработки на отказ, по данным DEC, составляет: для RAID-0 – 0.0375; RAID-1 – 117.0; RAID-3 – 47.0; RAID-5 – 47.0 млн. час.

Помимо рассмотренных аппаратных реализаций RAID-массивов существуют и программные способы организации дисковых систем. Технология RAID может быть интегриро­вана в операционную систему (например NetWare, Windows NT). В данных системах поддерживаются RAID-0 (распреде­ление одного логического диска по нескольким физическим) и RAID-1 (зеркальное отражение дисков). В большинстве задач для небольших массивов (4 Гбайт) это является оправданным решением с точки зрения экономической эффективности, про­изводительности и надежности.

Общим недостатком для программных реализаций RAID является существенная загрузка процессора компьютера.