Технология RAID

Технология RAID В достаточно крупных организациях для резервного копирования критически важных данных применяется технология RAID (англ. redundant array of independent/inexpensive disks) избыточный массив независимых/недорогих жёстких дисков — матрица из нескольких дисков управляемых контроллером, взаимосвязанных скоростными каналами и воспринимаемых как единое целое, основанная на системе специальным образом сконфигурированных жестких дисков. 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 Исходной целью создания технологии RAID являлось повышение производительности дисковой памяти за счет использования нескольких взаимосвязанных жестких дисков вместо одного. Всего на сегодняшний день промышленными стандартами предусмотрено восемь уровней (модификаций) RAID: RAID 0 («Striping») представляет собой дисковый массив из 2 или более дисков, в котором информация разбита на блоки Аn и последовательно записана на жесткие диски. Соответственно информация записывается и читается одновременно, что увеличивает скорость. RAID-0 - объединение пространства нескольких физических дисков в один виртуальный том, для которого применяется метод чередования (striping, отstrip- «полоса»): информация делится на блоки, поочередно записывающиеся на все накопители тома. RAID-0 обеспе- чивает высокую скорость обмена данных, но надежность виртуального тома несколько ниже, чем у любого другого уровня и ниже надежности каждого из входящих в том дисков, так как при выходе из строя хотя бы одного из них вся информация теряется. Схема RAID 0 К сожалению, при отказе одного из дисков информация необратимо теряется, поэтому применяется либо в домашних условиях, либо для хранения файла подкачки. RAID-1 - дублирование, или «зеркалирование» (mirroring- зеркальное отражение) дисков. В этом случае информация одновременно записывается на два (как правило) диска. В данном случае один диск полностью повторяет другой, что гарантирует работоспособность при поломке одного диска, но объем полезного пространства уменьшается вдвое. Поскольку диски покупаются одновременно, в случае бракованной партии возможен отказ обоих дисков. При выходе из строя одного из них данные считываются с «зеркала». К этому уровню относят также применение дуплексных томов (Duplex Volume), когда физические диски, используемые в качестве зеркал, обязательно должны быть подключены к разным контроллерам. Скорость записи приблизительно равна скорости записи на один диск, возможно чтение сразу с двух дисков (если контроллер поддерживает данную функцию), что увеличивает скорость. Рисунок. Схема RAID 1 Применяется чаще всего в малых офисах под базы данных, либо для хранения операционной системы. Реализация восстановления после сбоев при использовании RAID-1 достаточно проста, однако имеет место высокая (100%) избыточность. RAID 10 RAID 10 (RAID 1+0). Сочетает в себе принципы RAID 0 и RAID 1. При его применении каждый жесткий диск имеет свою «зеркальную пару», при это используется половина полезного объема. Работоспособен пока существует один рабочий диск из каждой пары. Наиболее высокие показатели записи/перезаписи, сопоставимы с RAID 5 по скорости чтения. Применяется для хранения баз данных, при высокой нагрузке. RAID-2 - предполагает создание на основе нескольких физических дисков одного массива (тома), данные в который записываются с использованием контрольного кода (кода Хемминга). Для хранения контрольных кодов отводится специально выделяемый диск. RAID-3 - массив с чередованием и использованием кода четности для обнаружения ошибок. Информация о четности, как и в случае RAID- 2, хранится на отдельном диске, но имеет меньшую избыточность. RAID-4 - подобен уровню 3, но данные разбиваются на блоки, записывающиеся на разные диски, причем возможно параллельное обращение к нескольким блокам, что существенно повышает производительность. RAID-5 - аналогичен уровню 4, но информация о четности хранится не на выделенном диске, а циклически распределяется между всеми дисками тома. В данном случае все данные разбиваются на блоки и для каждого набора считается контрольная сумма, которая хранится на одном из дисков – циклически записывается на все диски массива (попеременно на каждый), и используется для восстановления данных. Устойчив к потере не более чем одного диска. Рисунок. Схема RAID 5 RAID 5 имеет высокие показатели чтения – информация считывается почти со всех дисков, но уменьшенную производительность при записи – требуется вычислять контрольную сумму. Но самая критичная операция перезапись, так как она проходит в несколько этапов: 1) Чтение данных 2) Чтение контрольной суммы 3) Сравнение новых и старых данных 4) Запись новых данных 5) Запись новой контрольной суммы 6) Применяются при необходимости большого объема, и высокой скорости чтения. RAID-6 - в отличие от уровня 5, использует две независимые схемы четности, что увеличивает как избыточность, так и надежность хранения информации. Логическое продолжение RAID 5. Отличие заключается в том что контрольная сумма высчитывается 2 раза, и, как следствие имеет большую надежность (устойчив при поломке более 2 дисков), и меньшую производительность. Рисунок. Схема RAID 6 Организация работы RAID обеспечивается RAID-контроллерами, которые могут быть: встроенными в материнскую плату, внутренними (в виде платы) и внешними. Рисунок. Внутренний RAID контроллер Два или более дисков подключаются к контроллеру в сервере либо внешняя дисковая полка подключается к контроллеру, в зависимости от выбранного уровня отказоустойчивости, защищает от поломки одного или более дисков, сохраняя работоспособность. При наличии энергонезависимого кэша и использовании нескольких дисков, защищает от проблем, связанных с перебоями электропитания, за исключением тех случаев, когда происходит электрическое повреждение оборудование. Но при повреждении сервера возможна потеря данных. Защищает данные от: - аппаратных проблем - отказ, порча, поломка оборудования. Частично, только от отказа жестких дисков; - сбои электропитания – частично, защищает данные, хранимые в буфере контроллера в очереди на запись, но ограниченное время и только при наличии аккумулятора на контроллере. находятся внутри сервера); Не защищает от: - программных сбоев; - человеческого фактора; - инфраструктурных проблем (хотя все соединения, как правило, - аварий; - катастроф. Основная цель применения – защита данных от потери при отказе жесткого диска, так же, одна из причин внедрения – потребность в повышенной производительности дисковой подсистемы. RAID контроллеры поставляют многие компании: IBM, DELL, SUN, HP, Adaptec, 3ware, LSI, и прочие. RAID-7 - отказоустойчивый массив, оптимизированный для повышения производительности. Данный уровень RAID поддерживается лишь специализированными ОС. Аппаратная и программная реализация технологии RAID Технология RAID на сегодняшний день реализуется как на аппаратном уровне, так и программно. Аппаратная реализация является более эффективной и основана на подключении жестких дисков через специальные RAID-контроллеры. Такой контроллер выполняет функции связи с сервером (рабочей станцией), генерации избыточной информации при записи и проверки при чтении, распределения информации по дискам в соответствии с алгоритмом функционирования. Принцип работы программно управляемого тома RAID-1 состоит в следующем. На основе двух разделов, расположенных на двух разных физических дисках, создается так называемый зеркальный том (MirrorVolume). Ему присваивается собственная буква диска (исходные разделы дисков лишаются таковой вообще), и при выполнении каких- либо операций над данными этого тома все изменения синхронно отражаются в обоих исходных разделах. При выходе из строя (отказе или сбое) одного из двух дисков система автоматически переключается на работу с оставшимся в живых «последним героем». При возник- новении такой ситуации пользователь может разделить зеркала, и затем объединить исправный раздел с другим разделом в новый зеркальный том. В зеркальный том можно включить практически любой раздел, в том числе системный и загрузочный.