Raid массивы

Появились в конце 80х прошлого века. Первоначальное предназначение raid массивов заключалось в создании на базе нескольких винчестеров одного диска большого объема и с увеличенной скоростью. Позднее в качестве цели добавилась идея повышения надёжности функционирования системы(в случае отказа оборудования).

В основе теории и практики построения raid массивов лежат пять основных понятий и концепций, это массив(array), зеркалирование, дуплекс, чередование, чётность.

Массивом называют несколько накопителей, которые централизованно настраиваются и управляются. Логический массив, это более высокий уровень представления, на котором не учитываются физические характеристики системы. Соответственно, логические диски по количеству и объёму могут не совпадать с физическими. Для ОС весь массив является одним большим диском который может быть далее разбит на подразделы стандартными средствами.

Зеркалироввание

Технология позволяющая повысить надёжность системы. В массиве с Зеркалирование все данные пишутся одновременно на два и более HDD. Создаётся зеркало данных. В такой ситуации выход из строя одного диски(или более) не приведёт к потере информации.

Аз повышенную надёжность в случае использования Зеркалирование, платят не высоким эффективным объёмом. Суммарный объём массива с зеркалированием, равен объёму минимального HDD. Так же следует отметить, что в производительности практически нет.

Дуплекс

Продолжение идеи зеркалирования, следовательно, будет высокий уровень надёжности, но, в зеркалировании слабым местом считается сам контроллер. Поэтому при использовании дуплекса в систему ставятся два raid контроллера, которые будут обслуживать массив. Выход из строя диска либо контроллера не приводит к потере информации.

Данное решение считается достаточно дорогим, поэтому применяется только во внешних raid массивах, при условии, что требуется повышенный уровень надёжности.

Чередование

Позволяет увеличить быстродействие системы за счёт ведения чтения и записи информации отдельными фрагментами параллельно на несколько HDD. Записываемый файл разбивается на части определённого размера и посылается одновременно на все накопители в массиве. В таком виде файл и хранится.

Чётность

Является альтернативным решением соединяющим в себе достоинства и зеркалирование и чередование. В данной ситуации используется тот же принцип, что и в контроле чётности при передаче информации по сети. Если имеется n блоков данных, то на их основе вычисляется дополнительный экстра-блок(при помощи операции xor). Из получившихся n+1 блоков всегда можно восстановить информацию в случае потери одного из них, следовательно при построении массива из 5 дисков, эффективная ёмкость будет равна сумме ёмкостей 4 дисков.

При использовании чередования в технологии чётности увеличивается скорость работы, при этом не рабочий объём массива уменьшается не сильно, но основным минусом является необходимость выполнения вычислений, их необходимо делать на лету с огромным числом бит. В случае использования программных контроллеров вычисления будет вычислять ЦП, что приведёт к замедлению системы, поэтому для использования чётности рекомендуется использовать аппаратный raid контроллер.

На практике raid массивы принято обозначать цифрами, иногда говорят об уровнях raid массивов. Понятие RAID1 тождественно с понятие raid массив первого уровня.

RAID0

Простейший массив который использует чередование без чётности. Вся входящая информация разбивается на блоки фиксированной длинны.

Рекомендуется использовать при числе массивов 4-5. Но при этом увеличение скорости, на пример, при двух дисках в массиве будет не 100%, так как требуются временные затраты на фрагментирование. Увеличение скорости в зависимости от аппаратной или программной реализации начинается с 60-70%.

RAID1

Этот уровень является обычным зеркалирование. Пишутся одинаковые копии данных. Как правило реализуется программно.

Преимущества и недостатки зеркаолирования.

RAID2

Данный RAID2 «умер не родившись». В основу предлагалось положить две технологии: побитовое чередование и код Хемминга для восстановления информации после ошибок. Теоретически получился надёжный массив, но эффективным был бы при очень большом числе HDD.

Существенной проблемой были бы дорогие контроллеры.

RAID3-4

RAID3 использует чередование и выделенный диск для контроля чётности. Блоки данных имеют длину меньше 1024 байта, считается, что все скоростные преимущества теряются при случайной записи. RAID4 отличается от 3го размером блока данных при чередовании, что позволило улучшить работу при случайном чтении, однако контрольные суммы по прежнему оставались узким местом системы.

RAID5 отличается от 3 и 4, тем, что контрольные суммы располагаются не на одном диске, а равномерно по всем дискам.

RAID5 получил своё широкое распространение за счёт двух основных моментах: экономичностью при достаточной надёжности и высокая скорость чтения. Скорость записи зависит от числа HDD, так как требует формирование паритетов. Основным недостатком является то, что при выходе из строя хотя бы одного диска, он переходит в «критический» режим. Все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными операциями, что приводит к существенному падению производительности. Минимальное число используемых дисков 3.

С RAID5 можно использовать так называемые Hot Spare дисков. Основное время данный диск простаивает, но при выходе из строя одного из дисков начинается немедленное его использование с восстановлением информации на него. Считается целесообразно использовать такие диски в системах с несколькими RAID5 массивами.

Для некоторых, особо критичных к надёжности систем, предлагается использовать такой массив, в котором паритеты вычитываются два раза независимо друг от друга. Данный массив выйдет из строя, если случится выход из строя трёх и более дисков.

RAID7 в отличие от остальных не является открытым. Является модификацией RAID3. Улучшения заключаются в асинхронном чередовании, кэш-памяти и высокопроизводительного микропроцессора. Уровень надёжности как и у RAID3, но выигрывает в производительноости.

Составные RAID массивы

Составные массивы представляют собой сочетания нескольких одиночных массивов(чаще двух), итоговый массив обладает, как правило, достоинствами составных частей, при этом часто невелируются недостатки, однако неминуема повышение стоимости и сложности решений.

Обозначаются по принципу RAIDx+y. Такая запись означает что сначала диски объединяются в RAID уровня х, а затем несколько массивов объединяются в массив уровня у.

RAID 0+1 1+0

RAID0+1 часто называют «зеркалом страйпов», а 1+0 «страйпом зеркал». Считается, что 0+1 обладает высокой скоростью работы, повышенной надёжностью, поддерживается не дорогими RAID контроллерами, но по надёжности уступает RAID 1+0. RAID1+0 состоящий из 10 дисков, при соответствующем построении, может остаться работоспособным при отказе пяти дисков. Основной недостаток: достаточно низкий объём использования накопителей.

RAID3+0 0+3

0+3 является массивом с выделенной чётностью над чередованием. 3+0 является страйпом из массивов RAID3. 3+0 надёжнее чем 0+3, обладает высокой скоростью передачи данных. Данные сначала разделяются на блоки и попадают на массивы-элементы, там они опять делятся на блоки, считается их чётность и всё это пишется на диски. В данном случае допустим выход из строя по одному диску в каждом RAID3.

Достоинства: высокий процент использования ёмкости и высокая скорость чтения данных.

Недостатки: высокая цена и сложность системы.

RAID0+5 5+0

0+5 представляет собой набор страйпов на основе кооторых построет RAID5. Такая комбинация используется редко, так как практически не даёт выйгрыша.

Широкое растространение получил 5+0. Чаще всего это два массива RAID5 объеденённых в страйп. такая конфигурация позволяет получить примущества при работе с файлами малого размера.

RAID5+1 1+5

Значительное повышение надёжности. Продолжает работать при отказе трёх накопителей, а 5+1 может работать при потере пяти из восьми накопителей. Основной недостаток: изкий процент использования дисков.

RAID1+0+0

Данный масив является страйпом 1+0, при этом, что бы избежать проблем с пропускной способностью контроллеров применяется следующий метод: RAID 1+0 на уровне контроллеров, а страйп из них делают програмно.

JBOD данный массив применяется при необходимости реализации одного логического диска большого размера без использования зеркалирования, чередования и т. д.

В случае выхода из строя одного из HDD информация на остальных не повреждается.

Matrix RAID особенность заключается в использовании небольшого количества дисков можно одновременно рализовывать нескольразличных RAID массивов. Используя 2 HDD по 1 тб можно сделать RAID0 1Тб и RAID1 500Гб.

Распространенные single RAID массивы

	RAID 0	RAID 1	RAID 3	RAID 5	RAID 6
Технология	Чередование	Зеркалирование	Чередование, четность	Чередование, четность	Чередование, четность
Контроллер	Все	Все	Аппаратный	Аппаратный Hi-End	Специализированный
Кол-во жестких дисков	2, 4	2	3 и больше	3 и больше	3 и больше
Доступное рабочее пространство, %	100	50	66 для 3, 75 для 4	66 для 3, 75 для 4	33 для 3, 50 для 4, 60 для 5
Стойкость при отказе диска	Нет	Высокая	Высокая	Высокая	Очень высокая
Восстановление данных	Нет	Очень быстрое	Быстрое	Быстрое	Очень быстрое
Скорость случайного чтения	Очень хорошая	Хорошая	Хорошая	Очень хорошая	Очень хорошая
Скорость случайной записи	Очень хорошая	Хорошая	Плохая	Нормальная	Плохая
Скорость линейного чтения	Очень хорошая	Хорошая	Очень хорошая	Очень хорошая	Хорошая
Скорость линейной записи	Очень хорошая	Хорошая	Хорошая	Хорошая	Средняя
Цена	Самая низкая	Низкая	Средняя	Средняя	Высокая

 

Распространенные multi-RAID массивы

	RAID 0+1	RAID 1+0	RAID 5+0	RAID 5+1
Технология	Чередование, зеркалирование	Чередование, зеркалирование	Чередование, четность	Чередование, четность, зеркалирование
ыКонтроллер	Почти все	Почти все	Специализированный	Специализированный
Кол-во жестких дисков	4 min	4 min	6 min	6 min
Доступное рабочее пространство, %	50	50	66 для 2 страйпов по 3 диска	33-40
Стойкость при отказе диска	Очень хорошая	Отличная	Хорошая	Отличная
Восстановление данных	Быстрое	Очень быстрое	Среднее	Быстрое
Скорость случайного чтения	Очень хорошая	Очень хорошая	Очень хорошая	Очень хорошая
Скорость случайной записи	Хорошая	Хорошая	Хорошая	Хорошая
Скорость линейного чтения	Очень хорошая	Очень хорошая	Очень хорошая	Очень хорошая
Скорость линейной записи	Хорошая	Хорошая	Хорошая	Хорошая
Цена	Относительно высокая	Относительно высокая	Высокая	Очень высокая