Основні поняття та визначення

Масивомназивають кілька накопичувачів, які централізовано настроюються, форматуються та управляються. Логічний масив - це вже більше високий рівень подання, на якому не враховуються фізичні характеристики системи. Відповідно, логічні диски можуть по кількості та обсягу не збігатися з фізичними. Але краще все-таки дотримувати відповідності: фізичний диск - логічний диск. Нарешті, для операційної системи взагалі весь масив є одним більшим диском.

Відзеркалювання – технологія, що дозволяє підвищити надійність системи. В RAID масиві із відзеркалюванням всі дані одночасно пишуться не на один, а на два жорсткі диски. Тобто створюється «дзеркало» даних. При виході з ладу одного з дисків вся інформація залишається збереженою на другому (рис.18.1).

Дуплекс– розвиток ідеї відзеркалювання. У цьому випадку так само високий рівень надійності та потрібно у два рази більше жорстких дисків. Але з'являються додаткові витрати: для підвищення надійності в систему встановлюються два незалежних RAID контролери. Вихід з ладу одного диска або контролера не позначається на працездатності системи (рис.18.2).

Рис. 18.1. Відзеркалювання Рис. 18.2. Дуплекс

Чередування або страйпинг (Striping) – відмінна можливість підвищити швидкодію системи. Очевидно, якщо читання та запис вести паралельно на декількох жорстких дисках, можна одержати виграш у швидкодії. Як це робиться? Записуваний файл розбивається на частини певного розміру та посилається одночасно на всі наявні накопичувачі. У такому фрагментованому вигляді файл зберігається. Зчитується він теж «по частинам». Розмір «частини» може бути мінімальним - 1байт, але частіше використовують більші «частини» - по 512байт (розмір сектора).

Парність(Parity) є альтернативним рішенням, що поєднує в собі переваги відзеркалювання (висока надійність) та чередування (висока швидкість роботи). Використовується той же принцип, що при контролі парності оперативної пам'яті. Якщо є I блоків даних та на їхній основі обчислюється ще один додатковий екстраблок, із отриманих (I+1) блоків завжди можна відновити інформацію, навіть при ушкодженні одного з них. Відповідно, для створення нормального RAID-масиву в цьому випадку потрібний (I+1) жорсткий диск.

Розподіл блоків по дисках такий, як при чередуванні. Екстраблок може записуватися на окремий накопичувач, або розкидатися по дисках. Що ж зберігається в екстраблоці? Звичайно кожний біт екстраблока складається із суми бітів всіх I блоків, точніше з результату виконання логічної операції XOR. Багато хто пам'ятають зі школи, що XOR - дивний оператор, при його повторному накладенні ми можемо одержати первісний результат. Тобто

(A XOR B) XOR B = A

Це правило поширюється на будь-яку кількість операндів. Плюси парності очевидні. За рахунок використання чередування підвищується швидкість роботи. При відзеркалюванні надійність зберігається, але при цьому «неробочий» обсяг масиву помітно зменшується, він однаковий для будь-якої кількості дисків та становить обсяг одного диска, тобто при 5 дисках у масиві пропадає всього 20% ємності.

Але у парності є вагомий мінус. Для формування екстраблоків потрібні обчислення. Їх треба робити «на льоту», причому з мільйонами, мільярдами біт! Якщо цю справу доручити центральному процесору, то одержимо дуже «загальмовану» систему. Необхідно використовувати досить дорогі плати з RAID-контролерами, які «беруть всі обчислення на себе». У випадку виходу з ладу одного з дисків, процес відновлення буде не настільки швидким, як при відзеркалюванні.

18.2. Рівні RAID

В RAID рівнях немає наступності. RAID 3 не є поліпшеною модифікацією RAID 4, так само як RAID 5 не кращий за RAID 1. Вони різні. Крім того, є прості (single) та складні (multiple) RAID масиви. Складні є сполученням двох простих.

RAID 0

Найпростіший масив, що використовує чередування без парності (рис.18.3). Вся вхідна інформація розбивається на блоки фіксованої довжини (наприклад, 16кБ) та розкидається на всі наявні диски.

При наявності двох-чотирьох дисків RAID 0 дає відчутний виграш у швидкості передачі даних, але зовсім не забезпечує надійність.

Для його побудови підійде будь-який дешевий та навіть програмний RAID-контролер.

Підходить для тих, кому потрібно вичавити максимум продуктивності від файлової системи при мінімальних витратах.

Р

RAID 1

Цей рівень є звичайним відзеркалюванням (рис.18.4). На два жорсткі диски пишуться дві однакові копії даних. При цьому можна використовувати дешевий RAID контролер або навіть його програмну реалізацію.

RAID 1 дозволяє надійно захистити дані та забезпечити роботу системи навіть при поломці одного з дисків. От чому він одержав широке поширення серед користувачів, що бажають захистити від втрати особисті дані. Виграшу у швидкості при використанні RAID 1 немає.

1

RAID 2

Другий рівень RAID помер, так і не народившись. Рівень використовує одночасно дві технології - побітове чергування та код Хемінга для відновлення помилок. Теоретично це повинен бути непоганий за надійністю та робочій ємності масив. Частина дисків використовується для зберігання даних із чередуванням, інші - для зберігання вирахуваних контрольних сум. Реалізація таких систем вимагала спеціальних дорогих контролерів, які так і не прижилися на ринку. У підсумку RAID 2 зараз не використовується. Але ідея гарна.

RAID 3

Третій рівень використовує чередування та виділений диск для контролю парності. Блоки даних звичайно мають довжину менше 1024 байт. Інформація розподіляється на кілька дисків, а вирахуване значення парності зберігається на окремий диск.

Всі швидкісні переваги чередування зводяться нанівець необхідністю записувати контрольну суму на виділений диск, а більше всіх страждає швидкість випадкового запису. До переваг віднесемо можливість роботи масиву при відмові одного з дисків.

RAID 4

Відрізняється від RAID 3 тільки розміром блоку даних при чередуванні. Це трохи поліпшує роботу масиву при випадковому читанні, але запис однаково досить повільний. Диск із контрольними сумами є «вузьким місцем» у системі. Рівень що є компромісним варіантом між RAID 3 та RAID 5, не знайшов свого місця на ринку та рідко використовується. Це тримає ціни на відповідні контролери на високому рівні.

RAID 5

Найпоширеніший у системах зберігання даних – п'ятий рівень. Він характеризується застосуванням чередування та парності. На відміну від RAID 3, контрольні суми не зберігаються на одному диску, а розкидаються по всім, що дозволяє значно підняти швидкість запису. Головний принцип розподілу екстраблоків: вони не повинні розташовуватися на тому диску, з якого була зашифрована інформація. Надійність та швидкість роботи такої системи виявляються дуже навіть високими. При відновленні інформації всю роботу на себе бере RAID контролер, так що операція проходить досить швидко.

RAID 6

Для деяких особливо критичних програм потрібна підвищена надійність. Наприклад, щоб при виході з ладу навіть двох дисків масив зберіг дані та навіть залишився працездатним. Використовуються технології чередування та парності. Але контрольна сума обчислюється два рази та копіюється на два різних диски. У підсумку дані виявляться загубленими тільки у випадку виходу з ладу відразу трьох жорстких дисків.

У порівнянні з RAID 5 це більше дороге та повільне рішення, що може показати себе хіба що при випадковому читанні. На практиці RAID 6 майже не використовується, тому що вихід з ладу одразу двох дисків - занадто рідкий випадок, а підвищити надійність можна іншими способами.

RAID 7

На відміну від інших рівнів, RAID 7 не є відкритим стандартом, настільки звучну та вигідну назву вибрала для своєї модифікації RAID 3 компанія Storage Computer Corporation. Поліпшення полягають у використанні асинхронного чередування, застосуванні кеш-пам'яті та спеціального високопродуктивного мікропроцесора.

Забезпечуючи такий же, як в RAID 3, рівень надійності, RAID 7 значно виграє у швидкості. Недолік у нього один, але дуже серйозний - величезна ціна, обумовлена монополією на виготовлення контролерів.