Schimbarea focalizării de la aplicații centrate pe procesor la aplicații centrate pe date determină importanța crescută a sistemelor de stocare a datelor. În același timp, problema debitului scăzut și a toleranței la erori caracteristice unor astfel de sisteme a fost întotdeauna destul de importantă și a necesitat întotdeauna o soluție.

În industria computerelor moderne, discurile magnetice sunt utilizate pe scară largă ca sistem secundar de stocare a datelor, deoarece, în ciuda tuturor deficiențelor lor, au cele mai bune caracteristici pentru tipul adecvat de dispozitiv la un preț accesibil.

Caracteristicile tehnologiei discului magnetic au dus la o discrepanță semnificativă între creșterea productivității module de procesorși discurile magnetice în sine. Dacă în 1990 cele mai bune dintre cele seriale erau unitățile de 5,25 inchi cu un timp mediu de acces de 12 ms și un timp de latență de 5 ms (la o viteză a axului de aproximativ 5.000 rpm 1), atunci astăzi palma aparține unităților de 3,5 inchi cu un timp mediu de acces de 5 ms și timp de întârziere 1 ms (la viteza axului 10.000 rpm). Aici vedem o îmbunătățire caracteristici tehnice cu o cantitate de aproximativ 100%. În același timp, performanța procesorului a crescut cu peste 2.000%. Acest lucru este în mare măsură posibil deoarece procesoarele au beneficiile directe ale utilizării VLSI (Very Large Scale Integration). Utilizarea lui nu numai că face posibilă creșterea frecvenței, ci și a numărului de componente care pot fi integrate în cip, ceea ce face posibilă introducerea de avantaje arhitecturale care permit calculul paralel.

1 - Date medii.

Situația actuală poate fi caracterizată ca o criză secundară de I/O a sistemului de stocare.

Creșterea performanței

Imposibilitatea creșterii semnificative a parametrilor tehnologici ai discurilor magnetice atrage după sine necesitatea căutării altor căi, dintre care una este procesarea paralelă.

Dacă aranjați un bloc de date pe N discuri ale unei matrice și organizați această plasare astfel încât să fie posibilă citirea simultană a informațiilor, atunci acest bloc poate fi citit de N ori mai repede (fără a lua în considerare timpul de formare a blocului). Deoarece toate datele sunt transferate în paralel, această soluție arhitecturală este numită matrice cu acces paralel(matrice cu acces paralel).

Matricele paralele sunt utilizate de obicei pentru aplicațiile care necesită transfer de date marime mare.

Unele sarcini, dimpotrivă, sunt tipice o cantitate mare cereri mici. Astfel de sarcini includ, de exemplu, sarcini de procesare a bazei de date. Distribuind înregistrările bazei de date pe matrice de discuri, puteți distribui încărcătura poziționând discurile în mod independent. Această arhitectură este de obicei numită matrice cu acces independent(matrice cu acces independent).

Creșterea toleranței la erori

Din păcate, pe măsură ce numărul de discuri dintr-o matrice crește, fiabilitatea întregii matrice scade. Cu defecțiuni independente și o lege de distribuție exponențială a timpului între defecțiuni, MTTF-ul întregului array (timpul mediu până la eșec) este calculat folosind formula MTTF array = MMTF hdd /N hdd (MMTF hdd este timpul mediu până la eșec al unui disc). ; NHDD este numărul de discuri).

Astfel, este nevoie de creșterea toleranței la erori a matricelor de discuri. Pentru a crește toleranța la erori a matricelor, se utilizează codare redundantă. Există două tipuri principale de codare care sunt utilizate în matricele de discuri redundante - duplicarea și paritatea.

Duplicarea sau oglindirea este cel mai adesea folosită în matricele de discuri. Sistemele simple de oglindă folosesc două copii ale datelor, fiecare copie fiind localizată pe discuri separate. Această schemă este destul de simplă și nu necesită costuri suplimentare de hardware, dar are un dezavantaj semnificativ - folosește 50% din spațiul pe disc pentru a stoca o copie a informațiilor.

A doua modalitate de a implementa matrice de discuri redundante este de a folosi codificarea redundantă folosind calculul de paritate. Paritatea este calculată prin XORing toate caracterele din cuvântul de date. Utilizarea parității în matricele de discuri redundante reduce supraîncărcarea la o valoare calculată prin formula: HP hdd =1/N hdd (HP hdd - overhead; N hdd - numărul de discuri din matrice).

Istoria și dezvoltarea RAID

Deși sistemele de stocare bazate pe discuri magnetice, sunt produse de 40 de ani, productie in masa sistemele tolerante la erori au început destul de recent. Matricele de discuri redundante, numite în mod obișnuit RAID (matrice redundante de discuri ieftine), au fost introduse de cercetătorii (Petterson, Gibson și Katz) de la Universitatea din California, Berkeley în 1987. Dar sistemele RAID s-au răspândit numai atunci când discurile care erau potrivite pentru utilizare în matrice redundante au devenit disponibile și suficient de productive. De la cartea albă despre RAID din 1988, cercetările în matricele de discuri redundante au explodat în încercarea de a oferi o gamă largă de compromisuri cost-performanță-fiabilitate.

La un moment dat a avut loc un incident cu abrevierea RAID. Cert este că, la momentul scrierii acestui articol, toate discurile care erau folosite în PC-uri erau numite discuri ieftine, spre deosebire de discuri scumpe pentru mainframe (calculatoare mainframe). Dar pentru utilizarea în matrice RAID, a fost necesar să se utilizeze echipamente destul de scumpe în comparație cu alte configurații de PC, așa că RAID a început să fie descifrat ca matrice redundantă de discuri independente 2 - o matrice redundantă de discuri independente.

2 - Definiția Consiliului Consultativ RAID

RAID 0 a fost introdus de industrie ca definiție a unei matrice de discuri fără toleranță la erori. Berkeley a definit RAID 1 ca o matrice de discuri în oglindă. RAID 2 este rezervat matricelor care folosesc cod Hamming. Nivelurile RAID 3, 4, 5 folosesc paritatea pentru a proteja datele de erori individuale. Aceste niveluri, inclusiv nivelul 5, au fost prezentate la Berkeley, iar această taxonomie RAID a fost adoptată ca standard de facto.

Nivelurile RAID 3,4,5 sunt destul de populare și au o utilizare bună a spațiului pe disc, dar au un dezavantaj semnificativ - sunt rezistente doar la defecțiuni individuale. Acest lucru este valabil mai ales atunci când se utilizează un număr mare de discuri, când crește probabilitatea unui timp de nefuncționare simultan a mai multor dispozitive. În plus, ele se caracterizează printr-o recuperare îndelungată, care impune și unele restricții privind utilizarea lor.

Până în prezent, a fost dezvoltat suficient un numar mare de arhitecturi care asigură funcționarea matricei în cazul defecțiunii simultane a oricăror două discuri fără pierderi de date. Dintre întregul set, este de remarcat paritatea bidimensională și EVENODD, care utilizează paritatea pentru codare, și RAID 6, care utilizează codificarea Reed-Solomon.

Într-o schemă care utilizează paritatea în spațiu dublu, fiecare bloc de date participă la construirea a două cuvinte de cod independente. Astfel, dacă un al doilea disc din același cuvânt de cod eșuează, un cuvânt de cod diferit este folosit pentru a reconstrui datele.

Redundanța minimă într-o astfel de matrice se realizează cu un număr egal de coloane și rânduri. Și este egal cu: 2 x Pătrat (N Disc) (în „pătrat”).

Dacă matricea cu două spații nu este organizată într-un „pătrat”, atunci când se implementează schema de mai sus, redundanța va fi mai mare.

Arhitectura EVENODD are o schemă de toleranță la erori similară cu paritatea în spațiu dublu, dar o plasare diferită a blocurilor de informații care garantează utilizarea minimă a capacității redundante. Ca și în paritatea în spațiu dublu, fiecare bloc de date participă la construirea a două cuvinte de cod independente, dar cuvintele sunt plasate în așa fel încât coeficientul de redundanță să fie constant (spre deosebire de schema anterioară) și să fie egal cu: 2 x Pătrat (N Disc).

Folosind două caractere de verificare, coduri paritate și non-binare, cuvântul de date poate fi proiectat pentru a oferi toleranță la erori atunci când apare o eroare dublă. Acest design este cunoscut sub numele de RAID 6. Codul non-binar, bazat pe codificarea Reed-Solomon, este de obicei calculat folosind tabele sau ca proces iterativ folosind registre liniare în buclă închisă, o operație relativ complexă care necesită hardware specializat.

Având în vedere că utilizarea opțiunilor RAID clasice, care oferă suficientă toleranță la erori pentru multe aplicații, are adesea performanțe inacceptabil de scăzute, cercetătorii implementează din când în când diverse mișcări care ajută la creșterea performanței sistemelor RAID.

În 1996, Savage și Wilks au propus AFRAID - A Frequently Redundant Array of Independent Disks. Această arhitectură sacrifică într-o oarecare măsură toleranța la erori pentru performanță. În încercarea de a compensa problema de scriere mică tipică a matricelor RAID de nivel 5, este posibil să lăsați striping fără calculul de paritate pentru o anumită perioadă de timp. Dacă discul desemnat pentru înregistrarea cu paritate este ocupat, înregistrarea cu paritate este întârziată. S-a dovedit teoretic că o reducere cu 25% a toleranței la erori poate crește performanța cu 97%. AFRAID schimbă efectiv modelul de defecțiuni al matricelor cu toleranță la erori, deoarece un cuvânt de cod care nu are paritate actualizată este susceptibil la defecțiuni ale discului.

În loc să sacrificați toleranța la erori, puteți utiliza tehnici tradiționale de performanță, cum ar fi stocarea în cache. Având în vedere că traficul pe disc este intens, puteți utiliza un cache de scriere inversă pentru a stoca date atunci când discurile sunt ocupate. Iar dacă memoria cache este făcută sub formă memorie non volatila, apoi, în caz de pană de curent, datele vor fi salvate. În plus, operațiunile pe disc amânate fac posibilă combinarea aleatorie a blocurilor mici pentru a efectua operațiuni mai eficiente pe disc.

Există, de asemenea, multe arhitecturi care sacrifică volumul pentru a crește performanța. Printre acestea se numără modificarea întârziată pe discul de jurnal și diverse scheme de modificare a plasării logice a datelor în cel fizic, care vă permit să distribuiți operațiunile în matrice mai eficient.

Una dintre variante - înregistrarea de paritate(înregistrare de paritate), care implică rezolvarea problemei de scriere mică și utilizarea mai eficientă a discurilor. Înregistrarea parității amână modificările de paritate la RAID 5 prin înregistrarea lor într-un jurnal FIFO, care se află parțial în memoria controlerului și parțial pe disc. Având în vedere că accesarea unei piese complete este în medie de 10 ori mai eficientă decât accesarea unui sector, înregistrarea de paritate colectează cantități mari de date de paritate modificate, care sunt apoi scrise împreună pe un disc dedicat stocării parității pe întreaga pistă.

Arhitectură date flotante și paritate(floating și paritate), care permite realocarea plasării fizice a blocurilor de disc. Pe fiecare cilindru sunt plasate sectoare libere pentru a reduce latența de rotație(întârzieri de rotație), datele și paritatea sunt alocate acestor spații libere. Pentru a asigura funcționarea în timpul unei căderi de curent, paritatea și harta de date trebuie să fie stocate în memorie nevolatilă. Dacă pierdeți harta de plasare, toate datele din matrice se vor pierde.

Dezbracare virtuală- este o arhitectură flotantă de date și paritate care utilizează memoria cache de writeback. Implementarea firesc laturi pozitive ambii.

În plus, există și alte modalități de îmbunătățire a performanței, cum ar fi operațiunile RAID. La un moment dat, Seagate a inclus suport pentru operațiunile RAID în unitățile sale cu interfețe Fibre Chanel și SCSI. Acest lucru a făcut posibilă reducerea traficului dintre controlerul central și discurile din matrice pentru sistemele RAID 5. Aceasta a fost o inovație fundamentală în domeniul implementărilor RAID, dar tehnologia nu a început în viață, deoarece unele caracteristici ale Fibrei Standardele Chanel și SCSI slăbesc modelul de eșec pentru matricele de discuri.

Pentru același RAID 5, a fost introdusă arhitectura TickerTAIP. Arata astfel - nodul inițiator al mecanismului de control central (nodul inițiator) primește cererile utilizatorului, selectează un algoritm de procesare și apoi transferă lucrul pe disc și paritatea la nodul lucrător (nodul de lucru). Fiecare nod de lucru procesează un subset de discuri din matrice. La fel ca la model de la Seagate Nodurile lucrătoare transmit date între ele fără participarea nodului inițiator. Dacă un nod lucrător eșuează, discurile pe care le-a servit devin indisponibile. Dar dacă cuvântul de cod este construit în așa fel încât fiecare dintre simbolurile sale să fie procesat de un nod de lucru separat, atunci schema de toleranță la erori repetă RAID 5. Pentru a preveni defecțiunile nodului de inițiere, acesta este duplicat, astfel obținem o arhitectură care este rezistent la defecțiuni ale oricăruia dintre nodurile sale. Cu toate caracteristicile sale pozitive, această arhitectură suferă de problema „găurii de scriere”. Ceea ce înseamnă că apare o eroare atunci când mai mulți utilizatori schimbă cuvântul de cod în același timp și nodul eșuează.

De asemenea, ar trebui să menționăm o metodă destul de populară pentru restaurarea rapidă a RAID - folosind un disc liber (de rezervă). Dacă unul dintre discurile din matrice eșuează, RAID-ul poate fi restaurat folosind un disc liber în loc de cel eșuat. Principala caracteristică a acestei implementări este că sistemul trece la anterioară (starea de siguranță fără intervenție externă). Când se utilizează o arhitectură de rezervă distribuită, blocurile logice ale unui disc de rezervă sunt distribuite fizic pe toate discurile din matrice, eliminând nevoia de a reconstrui matricea în cazul în care un disc se defectează.

Pentru a evita problema de recuperare tipică nivelurilor RAID clasice, o arhitectură numită degruparea parităţii(distribuție de paritate). Aceasta implică plasarea mai puține unități logice de capacitate mai mare pe unități fizice mai mici și de capacitate mai mare. Folosind această tehnologie, timpul de răspuns al sistemului la o solicitare în timpul reconstrucției este îmbunătățit cu mai mult de jumătate, iar timpul de reconstrucție este redus semnificativ.

Arhitectura nivelurilor RAID de bază

Acum să ne uităm la arhitectura nivelurilor de bază ale RAID mai detaliat. Înainte de a lua în considerare, să facem câteva presupuneri. Pentru a demonstra principiile construirea RAID sisteme, luați în considerare un set de N discuri (pentru simplitate, N va fi considerat un număr par), fiecare dintre ele constând din M blocuri.

Vom nota datele - D m,n, unde m este numărul de blocuri de date, n este numărul de subblocuri în care este împărțit blocul de date D.

Discurile se pot conecta fie la unul, fie la mai multe canale de transfer de date. Utilizarea mai multor canale crește debitului sisteme.

RAID 0. Striped Disk Array fără toleranță la erori

Este o matrice de discuri în care datele sunt împărțite în blocuri, iar fiecare bloc este scris (sau citit) pe un disc separat. Astfel, mai multe operații I/O pot fi efectuate simultan.

Avantaje:

• cea mai înaltă performanță pentru aplicațiile care necesită procesarea intensivă a cererilor I/O și volume mari de date;
• ușurința de implementare;
• cost redus pe unitate de volum.

Defecte:

• nu este o soluție tolerantă la erori;
• Eșecul unei unități duce la pierderea tuturor datelor din matrice.

RAID 1. Matrice de discuri redundante sau oglindire

Oglindire - mod tradițional pentru a crește fiabilitatea unei matrice de discuri mici. În cea mai simplă versiune, se folosesc două discuri, pe care sunt înregistrate aceleași informații, iar dacă unul dintre ele eșuează, rămâne un duplicat al acestuia, care continuă să funcționeze în același mod.

Avantaje:

• ușurința de implementare;
• ușurința recuperării matricei în caz de defecțiune (copiere);
• performanță suficient de ridicată pentru aplicații cu intensitate mare de solicitare.

Defecte:

• cost ridicat pe unitate de volum - redundanță 100%;
• viteză scăzută de transfer de date.

RAID 2. Matrice de discuri tolerantă la erori folosind Hamming Code ECC.

Codarea redundantă folosită în RAID 2 se numește cod Hamming. Codul Hamming vă permite să corectați defecțiuni simple și să detectați erori duble. Astăzi este utilizat în mod activ în tehnologia de codificare a datelor în RAM de tip ECC. Și codificarea datelor pe discuri magnetice.

În acest caz, este afișat un exemplu cu un număr fix de discuri din cauza greutății descrierii (un cuvânt de date este format din 4 biți, respectiv, codul ECC este 3).

Avantaje:

• corectare rapidă a erorilor („în zbor”);
• viteză foarte mare de transfer de date pentru volume mari;
• pe măsură ce numărul de discuri crește, costurile generale scad;
• implementare destul de simplă.

Defecte:

• cost ridicat cu un număr mic de discuri;
• viteză scăzută de procesare a cererilor (nu este potrivit pentru sistemele orientate spre tranzacții).

RAID 3. Matrice tolerantă la erori cu transfer paralel de date și paritate (Discuri de transfer paralel cu paritate)

Datele sunt împărțite în subblocuri la nivel de octeți și sunt scrise simultan pe toate discurile din matrice, cu excepția unuia, care este folosit pentru paritate. Utilizarea RAID 3 rezolvă problema redundanței ridicate în RAID 2. Majoritatea discurilor de control utilizate în RAID nivelul 2 sunt necesare pentru a determina poziția bitului eșuat. Dar acest lucru nu este necesar, deoarece majoritatea controlerelor sunt capabile să determine când un disc a eșuat folosind semnale speciale sau codificare suplimentară a informațiilor scrise pe disc și utilizate pentru a corecta defecțiuni aleatorii.

Avantaje:

• viteză foarte mare de transfer de date;
• defectarea discului are un efect redus asupra vitezei matricei;

Defecte:

• implementare dificilă;
• performanta scazuta cu solicitări de mare intensitate pentru volume mici de date.

RAID 4. Matrice tolerantă la erori de discuri independente cu disc de paritate partajat (discuri de date independente cu disc de paritate partajat)

Datele sunt defalcate la nivel de bloc. Fiecare bloc de date este scris pe un disc separat și poate fi citit separat. Paritatea pentru un grup de blocuri este generată la scriere și verificată la citire. RAID Level 4 îmbunătățește performanța transferurilor mici de date prin paralelism, permițând mai mult de un acces I/O să fie efectuat simultan. Principala diferență dintre RAID 3 și 4 este că în cel din urmă, separarea datelor este efectuată la nivel de sector, mai degrabă decât la nivel de biți sau octeți.

Avantaje:

• viteză foarte mare de citire a unor volume mari de date;
• performanță ridicată la intensitate mare a solicitărilor de citire a datelor;
• cheltuieli generale reduse pentru a implementa redundanța.

Defecte:

• performanță foarte scăzută la scrierea datelor;
• viteză redusă de citire a datelor mici cu solicitări unice;
• asimetria performanţei în ceea ce priveşte citirea şi scrierea.

RAID 5. Matrice tolerantă la erori de discuri independente cu paritate distribuită (discuri de date independente cu blocuri de paritate distribuită)

Acest nivel este similar cu RAID 4, dar spre deosebire de cel anterior, paritatea este distribuită ciclic pe toate discurile din matrice. Această modificare îmbunătățește performanța scrierii unor cantități mici de date pe sisteme multitasking. Dacă operațiunile de scriere sunt planificate corect, este posibil să se proceseze până la N/2 blocuri în paralel, unde N este numărul de discuri din grup.

Avantaje:

• viteză mare de înregistrare a datelor;
• viteza de citire a datelor destul de mare;
• performanță ridicată la intensitate mare a cererilor de citire/scriere a datelor;
• cheltuieli generale reduse pentru a implementa redundanța.

Defecte:

• Viteza de citire a datelor este mai mică decât în ​​RAID 4;
• viteză redusă de citire/scriere a datelor mici cu solicitări unice;
• implementare destul de complexă;
• recuperare de date complexe.

RAID 6. Matrice tolerantă la erori de discuri independente cu două scheme independente de paritate distribuită (Discuri independente de date cu două scheme independente de paritate distribuită)

Datele sunt partiționate la nivel de bloc, similar cu RAID 5, dar pe lângă arhitectura anterioară, o a doua schemă este utilizată pentru a îmbunătăți toleranța la erori. Această arhitectură este dublă tolerantă la erori. Cu toate acestea, atunci când se efectuează o scriere logică, au loc de fapt șase accesări pe disc, ceea ce crește foarte mult timpul de procesare a unei cereri.

Avantaje:

• toleranță ridicată la erori;
• viteza destul de mare de procesare a cererilor;
• cheltuieli generale relativ mici pentru implementarea redundanței.

Defecte:

• implementare foarte complexă;
• recuperare de date complexe;
• viteză foarte mică de scriere a datelor.

Controlerele RAID moderne vă permit să combinați diferite niveluri RAID. În acest fel, este posibil să se implementeze sisteme care combină avantajele diferitelor niveluri, precum și sisteme cu un număr mare de discuri. De obicei, aceasta este o combinație de nivel zero (decapare) și un fel de nivel tolerant la erori.

RAID 10. Matrice tolerantă la erori cu duplicare și procesare paralelă

Această arhitectură este o matrice RAID 0, ale cărei segmente sunt Matrice RAID 1. Combină toleranța la erori și performanța foarte ridicată.

Avantaje:

• toleranță ridicată la erori;
• performanta ridicata.

Defecte:

• cost foarte mare;
• scalare limitată.

RAID 30. Matrice tolerantă la erori cu transfer paralel de date și performanță crescută.

Este o matrice RAID 0, ale cărei segmente sunt matrice RAID 3. Combină toleranța la erori și performanta ridicata. Utilizat de obicei pentru aplicații care necesită transmisie în serie volume mari de date.

Avantaje:

• toleranță ridicată la erori;
• performanta ridicata.

Defecte:

• preț mare;
• scalare limitată.

RAID 50: matrice tolerantă la erori cu paritate distribuită și performanță crescută

Este o matrice RAID 0, ale cărei segmente sunt matrice RAID 5. Combină toleranța la erori și performanța ridicată pentru aplicații cu intensitate mare de solicitare și rate mari de transfer de date.

Avantaje:

• toleranță ridicată la erori;
• viteză mare de transfer de date;
• viteză mare de procesare a cererilor.

Defecte:

• preț mare;
• scalare limitată.

RAID 7: matrice tolerantă la erori optimizată pentru performanță. (Asincronie optimizată pentru rate I/O ridicate, precum și rate ridicate de transfer de date). RAID 7® este o marcă înregistrată a Storage Computer Corporation (SCC)

Pentru a înțelege arhitectura RAID 7, să ne uităm la caracteristicile acesteia:

1. Toate cererile de transfer de date sunt procesate asincron și independent.
2. Toate operațiunile de citire/scriere sunt stocate în cache prin intermediul magistralei x de mare viteză.
3. Discul de paritate poate fi plasat pe orice canal.
4. Microprocesorul controlerului matrice folosește un sistem de operare în timp real axat pe procesele de procesare.
5. Sistemul are o scalabilitate bună: până la 12 interfețe gazdă și până la 48 de discuri.
6. Sistemul de operare controlează canalele de comunicare.
7. Sunt utilizate discuri standard SCSI, magistrale, plăci de bază și module de memorie.
8. O magistrală X de mare viteză este utilizată pentru a lucra cu memoria cache internă.
9. Procedura de generare a parității este integrată în cache.
10. Discurile atașate la sistem pot fi declarate ca separate.
11. Un agent SNMP poate fi utilizat pentru a gestiona și monitoriza sistemul.

Avantaje:

• viteză mare de transfer de date și viteză mare de procesare a cererilor (1,5 - 6 ori mai mare decât alte niveluri RAID standard);
• scalabilitate ridicată a interfețelor gazdă;
• viteza de scriere a datelor crește odată cu numărul de discuri din matrice;
• Nu este nevoie de transmisie suplimentară de date pentru a calcula paritatea.

Defecte:

• proprietatea unui producător;
• cost foarte mare pe unitate de volum;
• perioada scurta de garantie;
• nu poate fi deservit de utilizator;
• trebuie să utilizați bloc sursă de alimentare neîntreruptibilă pentru a preveni pierderea datelor din memoria cache.

Să ne uităm acum la nivelurile standard împreună pentru a le compara caracteristicile. Comparația se face în cadrul arhitecturilor menționate în tabel.

Precizări:

• * - se are în vedere varianta utilizată în mod obișnuit;
• k - numărul de subsegmente;
• R - citire;
• W - record.

Câteva aspecte ale implementării sistemelor RAID

Să luăm în considerare trei opțiuni principale pentru implementarea sistemelor RAID:

• software (pe bază de software);
• hardware - bazat pe autobuz;
• hardware - subsistem autonom (bazat pe subsistem).

Este imposibil să spunem fără echivoc că orice implementare este mai bună decât alta. Fiecare opțiune de organizare a unei matrice satisface nevoile unuia sau altuia utilizator, în funcție de capacitățile financiare, de numărul de utilizatori și de aplicațiile utilizate.

Fiecare dintre implementările de mai sus se bazează pe implementare codul programului. Ele diferă de fapt în locul în care este executat acest cod: în procesorul central al computerului (implementare software) sau într-un procesor specializat pe un controler RAID (implementare hardware).

Principalul avantaj al implementării software-ului este costul scăzut. Dar, în același timp, are multe dezavantaje: performanță scăzută, încărcare muncă în plus CPU, trafic crescut în autobuz. Nivelurile RAID simple 0 și 1 sunt de obicei implementate în software, deoarece nu necesită un calcul semnificativ. Luând în considerare aceste caracteristici, sistemele RAID cu implementare software sunt utilizate în servere nivel de intrare.

Implementările RAID hardware costă în consecință mai mult decât cele software, deoarece folosesc hardware suplimentar pentru a efectua operațiuni I/O. Făcând acest lucru, se descarcă sau eliberează CPUși magistrala de sistem și, în consecință, vă permit să creșteți performanța.

Implementările orientate pe magistrală sunt controlere RAID care utilizează magistrala de mare viteză a computerului în care sunt instalate (în În ultima vreme de obicei este folosită magistrala PCI). La rândul lor, implementările orientate pe magistrală pot fi împărțite în nivel scăzut și nivel înalt. Primele de obicei nu au cipuri SCSI și folosesc așa-numitul port RAID de pe placa de bază cu un controler SCSI încorporat. În acest caz, funcțiile de procesare a codului RAID și a operațiunilor I/O sunt distribuite între procesorul de pe controlerul RAID și cipurile SCSI de pe placa de bază. Astfel, procesorul central este eliberat de procesare cod suplimentar iar traficul de autobuz este redus în comparație cu opțiunea software. Costul unor astfel de plăci este de obicei scăzut, mai ales dacă sunt destinate sistemelor RAID 0 sau 1 (există și implementări RAID 3, 5, 10, 30, 50, dar sunt mai scumpe), datorită cărora sunt treptat. înlocuind implementările software de pe piața de servere entry-level. Controlerele de nivel înalt cu implementare magistrală au o structură ușor diferită de a lor frati mai mici. Aceștia preiau toate funcțiile legate de I/O și executarea codului RAID. În plus, nu sunt atât de dependenți de implementarea plăcii de bază și, de regulă, au mai multe capacități (de exemplu, capacitatea de a conecta un modul pentru a stoca informații într-un cache în cazul unei defecțiuni a plăcii de bază sau a unei pierderi de putere) . Astfel de controlere sunt de obicei mai scumpe decât cele de nivel scăzut și sunt folosite în serverele de gamă medie și de gamă medie. nivel inalt. De obicei, implementează nivelurile RAID 0.1, 3, 5, 10, 30, 50. Având în vedere că implementările orientate pe magistrală se conectează direct la sistemul intern magistrala PCI computere, acestea sunt cele mai productive dintre sistemele luate în considerare (când se organizează sisteme cu o singură gazdă). Performanță maximă astfel de sisteme pot atinge 132 MB/s (32bit PCI) sau 264 MB/s (64bit PCI) la o frecvență magistrală de 33MHz.

Alături de avantajele enumerate, arhitectura orientată pe autobuz are următoarele dezavantaje:

• dependență de sistemul de operare și platformă;
• scalabilitate limitată;
• capabilități limitate de organizare a sistemelor tolerante la erori.

Toate aceste dezavantaje pot fi evitate prin utilizarea subsistemelor autonome. Aceste sisteme au o organizare externă complet autonomă și, în principiu, sunt un computer separat care este folosit pentru organizarea sistemelor de stocare a informațiilor. În plus, dacă tehnologia canalului de fibră optică se dezvoltă cu succes, performanța sistemelor autonome nu va fi în niciun fel inferioară sistemelor orientate pe magistrală.

De obicei, un controler extern este plasat într-un rack separat și, spre deosebire de sistemele cu o organizare de magistrală, poate avea un număr mare de canale de intrare/ieșire, inclusiv canale gazdă, ceea ce face posibilă conectarea mai multor computere gazdă la sistem și organizarea clusterului sisteme. În sistemele cu un controler de sine stătător, pot fi implementate controlere de așteptare la cald.

Unul dintre dezavantajele sistemelor autonome este costul lor ridicat.

Având în vedere cele de mai sus, observăm că controlere independente Utilizat de obicei pentru a implementa sisteme de stocare a datelor de mare capacitate și cluster.

Dacă v-ați gândit vreodată să cumpărați servere sau Stocare NAS, atunci probabil că ați auzit termenul magic „RAID”. RAID înseamnă Redundant Array of Independent Disks - o matrice redundantă de discuri independente. În general, sistemele cu RAID folosesc două sau mai multe hard disk-uri fie pentru a îmbunătăți performanța, fie pentru a crește toleranța la erori, sau ambele. Toleranța la erori, în acest caz, înseamnă că echipamentul (de exemplu, un server) va putea funcționa și datele nu se vor pierde chiar dacă unul (sau chiar mai multe) discuri se defectează.

Pentru a înțelege exact cum RAID ajută la îmbunătățirea performanței și a toleranței la erori, trebuie să înțelegeți care sunt nivelurile RAID. Nivelul RAID depinde de câte discuri sunt în matrice, cât de critică este o posibilă defecțiune a discului și cât de importantă este viteza sistemului. De exemplu, pentru aplicațiile de afaceri, siguranța datelor în cazul defecțiunii componentelor este mult mai importantă, dar pentru utilizatorii casnici, viteza poate fi un factor decisiv. Nivelurile RAID reprezintă diferite combinații de performanță de echilibrare, toleranță la erori și costul soluției.

Prezentare generală a tehnologiei RAID

De regulă, RAID este folosit în companii în care toleranța la erori și performanța nu sunt un lux, ci o necesitate. Serverele și stocările NAS, în cele mai multe cazuri, sunt echipate cu așa-numitele controlere RAID - module hardware care gestionează matrice de SATA sau Unități SSD. De asemenea, majoritatea sistemelor de operare moderne acceptă software-ul RAID, unde discurile și matricele sunt gestionate de sistemul de operare însuși.

De ce nivel RAID am nevoie?

După cum am menționat deja, există mai multe niveluri de RAID, în funcție de ceea ce doriți să obțineți - performanță mai mare, fiabilitate mai mare sau ambele. De asemenea, este important dacă este utilizat RAID hardware sau software. Software RAID nu acceptă toate nivelurile și, dacă utilizați hardware, trebuie să vă gândiți la alegerea controlerului potrivit.

Cele mai comune niveluri RAID.

RAID0 – folosit pentru a îmbunătăți performanța. Cunoscut și sub numele de matrice „intercalată”. Aceasta înseamnă că fluxul de date este oarecum împărțit pe mai multe discuri, în loc să folosească unul tot timpul. În acest fel, se realizează „paralelismul” cititului sau scrisului, ceea ce grăbește munca. RAID0 necesită minim două discuri. RAID0 este suportat atât de soluții hardware, cât și de software. Dezavantajul RAID0 este că nu există toleranță la erori - dacă vreun disc eșuează, informațiile se pierd.

RAID1 – folosit pentru a îmbunătăți fiabilitatea. Cunoscut și sub numele de matrice „oglindă”. Din nume este clar că, în cazul RAID1, informațiile sunt scrise simultan pe două discuri, rezultând două copii ale datelor - două „oglinzi”. Dacă unul dintre discuri eșuează, al doilea continuă să funcționeze și nu se pierde nicio dată. Acesta este cel mai simplu și relativ ieftin mod de a crește toleranța la erori. Dezavantajul acestei soluții este o scădere ușoară a performanței. RAID1 necesită minim două unități. RAID1 poate fi asamblat fie în software, fie folosind un controler hardware.

RAID5 este probabil cea mai comună configurație RAID. RAID5 oferă performanțe mai bune decât oglindirea, oferind în același timp și toleranță la erori. Într-o configurație RAID5, blocurile de date și așa-numita paritate (un bloc suplimentar de date care trebuie recuperat) sunt scrise secvenţial pe trei sau mai multe discuri. Dacă unul dintre discuri eșuează, datele sunt recuperate din blocurile rămase și paritatea automată și fără probleme. Desigur, în acest caz sistemul rămâne pe deplin operațional. Un alt avantaj al RAID5 este „hot swap” - capacitatea de a schimba oricare dintre discuri fără a întrerupe funcționarea sistemului (server sau stocare). Un aspect negativ al utilizării RAID5 este o scădere bruscă a performanței în timpul recuperării datelor pe un disc nou înlocuit. De asemenea, RAID5, în principiu, solicită resurse de calcul, așa că este recomandat să folosiți un controler hardware, deși este posibil să creați și RAID5 folosind metode software.

RAID10 este o combinație de RAID1 și RAID0. Combină RAID1 „oglindire” și RAID0 „striping”. Oferă performanțe bune și toleranță la erori, dar este destul de costisitor, deoarece necesită minim patru discuri și capacitatea totală a matricei va fi egală cu jumătate din capacitatea discurilor fizice.

Există și alte niveluri RAID - RAID2, RAID4, RAID7, RAID50, RAID01, în majoritatea - sunt combinații și variante specifice ale configurațiilor deja descrise. Pentru întreprinderile mici și soluții tipice cele mai comune niveluri sunt 0, 1, 5 și 10.

Merită menționat faptul că, dacă utilizați discuri cu capacități diferite, matricea va fi egală cu capacitatea celui mai mic disc. De exemplu, capacitatea RAID1 a două discuri de 1000 GB și 500 GB va fi egală cu 500 GB. Este destul de firesc ca pentru RAID sa fie recomandat sa folosesti discuri de aceeasi capacitate.

De asemenea, din motive de performanță și fiabilitate, se recomandă utilizarea discurilor de același model și de preferință în cadrul aceluiași lot. Diferite discuri, mai ales diferiți producători, se poate uza și poate provoca întârzieri complet imprevizibil.

Este bine să ne amintim că RAID nu înlocuiește backup. RAID poate fi o modalitate excelentă de a îmbunătăți fiabilitatea și performanța, dar este doar o parte a unei strategii de recuperare a datelor.

Matricele RAID au fost dezvoltate pentru a îmbunătăți fiabilitatea stocării datelor, pentru a crește viteza de procesare și pentru a oferi posibilitatea de a combina mai multe discuri într-unul mare. Diferite tipuri de RAID decid sarcini diferite, aici ne vom uita la câteva dintre cele mai comune configurații de matrice RAID de aceeași dimensiune.

RAID 0

RAID 0(Dunga). Modul care atinge performanța maximă. Datele sunt distribuite uniform pe discurile matrice și combinate într-unul singur, care poate fi împărțit în mai multe. Operațiunile distribuite de citire și scriere pot crește semnificativ viteza de operare, deoarece mai multe citesc/scriu simultan porțiunea lor de date. Întregul volum este disponibil utilizatorului, dar acest lucru reduce fiabilitatea stocării datelor, deoarece dacă unul dintre discuri eșuează, matricea este de obicei distrusă și este aproape imposibilă restaurarea datelor. Domeniul de aplicare - aplicații care necesită viteze mari de schimb cu discul, de exemplu captura video, editare video. Recomandat pentru utilizare cu unități extrem de fiabile.

RAID 1

RAID 1(Oglindă). Mai multe discuri (de obicei 2), care funcționează sincron pentru înregistrare, adică se dublează complet unul pe celălalt. Îmbunătățirea performanței are loc numai la citire. Cel mai fiabil mod de a proteja informațiile împotriva defecțiunii unuia dintre discuri. Datorită costului ridicat, este de obicei folosit la stocarea datelor foarte importante. Costul ridicat se datorează faptului că doar jumătate din capacitatea totală este disponibilă utilizatorului.

RAID 10

RAID 0+1- Matrice RAID1 din matrice RAID0. De fapt, nu este folosit din cauza lipsei de avantaje în comparație cu RAID10 și a toleranței mai mici la erori.

RAID 1E

RAID 2, 3, 4 - diverse opțiuni stocare de date distribuită cu discuri alocate pentru coduri de paritate și diferite dimensiuni bloc. În prezent, practic nu sunt folosite din cauza performanțelor scăzute și a necesității de a aloca o mare capacitate de disc pentru stocarea codurilor ECC și/sau de paritate.


RAID 5

RAID 5- o matrice care folosește și stocare distribuită de date similară cu RAID 0 (și combinând într-una logică mare) + stocare distribuită a codurilor de paritate pentru recuperarea datelor în caz de defecțiuni. Comparativ cu configurațiile anterioare, dimensiunea blocului Stripe a fost mărită și mai mult. Sunt posibile atât citirea, cât și scrierea simultană. Avantajul acestei opțiuni este că capacitatea de matrice disponibilă utilizatorului este redusă de capacitatea unui singur disc, deși fiabilitatea stocării datelor este mai mică decât cea a RAID 1. De fapt, este un compromis între RAID0 și RAID1, oferind o viteză destul de mare de operare cu o bună fiabilitate a stocării datelor. Dacă un disc din matrice eșuează, datele pot fi restaurate fără pierderi de date. mod automat. Numărul minim de discuri pentru o astfel de matrice este 3.
Implementările „software” ale RAID5, încorporate în podurile de sud ale plăcilor de bază, nu au viteze mari de scriere, deci nu sunt potrivite pentru toate aplicațiile.


RAID 5EE

RAID 5EE- o matrice similară cu RAID5, totuși, pe lângă stocarea distribuită a codurilor de paritate, se folosește și distribuția zonelor de rezervă - de fapt, este utilizată, care poate fi adăugată la matricea RAID5 ca rezervă (astfel de matrice se numesc 5 + sau 5+de rezervă). Într-o matrice RAID 5, discul de rezervă este inactiv până când unul dintre cele principale eșuează, în timp ce într-o matrice RAID 5EE acest disc este folosit tot timpul împreună cu restul HDD-urilor, ceea ce are un efect pozitiv asupra performanței matrice. De exemplu, o matrice RAID5EE de 5 HDD-uri va putea efectua cu 25% mai multe operațiuni I/O pe secundă decât o matrice RAID5 de 4 HDD primare și unul de rezervă. Numărul minim de discuri pentru o astfel de matrice este 4.


RAID 6

RAID 6- un analog al RAID5 cu un nivel ridicat de redundanță - informațiile nu se pierd dacă oricare două discuri eșuează; în consecință, capacitatea totală a matricei este redusă cu capacitatea a două discuri. Numărul minim de discuri necesare pentru a crea o matrice de acest nivel este 4. Viteza de operare în cazul general este aproximativ aceeași cu RAID5. Recomandat pentru aplicații în care este importantă cea mai mare fiabilitate posibilă.


RAID 50

RAID 50- combinarea a două (sau mai multe, dar acest lucru este extrem de rar utilizat) matrice RAID5 într-o bandă, de ex. o combinație de RAID5 și RAID0, care corectează parțial principalul dezavantaj al RAID5 - viteza scăzută de scriere a datelor datorită utilizării paralele a mai multor astfel de matrice. Capacitatea totală a matricei este redusă cu capacitatea de două, dar, spre deosebire de RAID6, o astfel de matrice poate rezista la eșecul unui singur disc fără pierderi de date, iar numărul minim necesar de discuri pentru a crea o matrice RAID50 este de 6. cu RAID10, acesta este cel mai recomandat nivel RAID pentru utilizare în aplicații în care este necesară o performanță ridicată combinată cu o fiabilitate acceptabilă.


RAID 60

Dacă sunteți interesat de acest articol, atunci probabil că ați întâlnit sau vă așteptați să întâlniți în curând una dintre următoarele probleme pe computer:

- în mod clar nu există suficient volum fizic al hard disk-ului ca o singură unitate unitate logică. Cel mai adesea această problemă apare atunci când lucrați cu fișiere mari (video, grafică, baze de date);
- performanțele hard disk-ului clar nu sunt suficiente. Cel mai adesea, această problemă apare atunci când se lucrează cu sisteme de editare video neliniară sau când un număr mare de utilizatori accesează simultan fișiere de pe hard disk;
- Fiabilitatea hard disk-ului lipsește în mod clar. Cel mai adesea, această problemă apare atunci când este necesar să se lucreze cu date care nu trebuie să se piardă niciodată sau care trebuie să fie întotdeauna disponibile utilizatorului. Experiența tristă arată că până și cele mai fiabile echipamente se defectează uneori și, de regulă, în cel mai inoportun moment.

Ce este „RAID”?

În articolul de mai sus, au fost definite cinci tipuri (nivele) de matrice de discuri: RAID-1, RAID-2, ..., RAID-5. Fiecare tip a oferit toleranță la erori, precum și diferite avantaje față de o singură unitate. Alături de aceste cinci tipuri, matricea de discuri RAID-0, care NU este redundantă, a câștigat și ea popularitate.

Ce niveluri RAID există și pe care ar trebui să le alegeți?

Deoarece RAID-0 nu are redundanță, defecțiunea unei unități duce la defecțiunea întregii matrice. Pe de altă parte, RAID-0 oferă viteză maximă de transfer de date și utilizarea eficientă a spațiului pe disc. Deoarece RAID-0 nu necesită calcule matematice sau logice complexe, costurile sale de implementare sunt minime.

Domeniul de aplicare: aplicații audio și video care necesită transfer de date continuu de mare viteză, care nu pot fi furnizate de o singură unitate. De exemplu, cercetările efectuate de Mylex pentru a determina configurația optimă a sistemului de disc pentru o stație de editare video neliniară arată că, în comparație cu o singură unitate de disc, o matrice RAID-0 de două unități de disc oferă o creștere cu 96% a scriere/citire. viteza, a trei unități de disc - cu 143% (conform testului Miro VIDEO EXPERT Benchmark).
Numărul minim de unități dintr-o matrice „RAID-0” este 2.

RAID-1. Mai cunoscut sub numele de „oglindire” este o pereche de unități care conțin aceleași informații și formează o unitate logică:

Înregistrarea se realizează pe ambele unități din fiecare pereche. Cu toate acestea, unitățile dintr-o pereche pot efectua operații de citire simultane. Astfel, „oglindirea” poate dubla viteza de citire, dar viteza de scriere rămâne neschimbată. RAID-1 are o redundanță de 100% și o defecțiune a unei unități nu duce la o defecțiune a întregii matrice - controlerul comută pur și simplu operațiunile de citire/scriere pe unitatea rămasă.
RAID-1 oferă cea mai mare viteză dintre toate tipurile de matrice redundante (RAID-1 - RAID-5), mai ales într-un mediu multi-utilizator, dar cea mai proastă utilizare a spațiului pe disc. Deoarece RAID-1 nu necesită calcule matematice sau logice complexe, costurile sale de implementare sunt minime.
Numărul minim de unități dintr-o matrice „RAID-1” este 2.
Pentru a crește viteza de scriere și a asigura o stocare fiabilă a datelor, mai multe matrice RAID-1 pot fi, la rândul lor, combinate în RAID-0. Această configurație se numește RAID „două nivele” sau RAID-10 (RAID 0+1):

Numărul minim de unități dintr-o matrice „RAID 0+1” este 4.
Domeniul de aplicare: matrice ieftine în care principalul lucru este fiabilitatea stocării datelor.

RAID-2. Distribuie datele în benzi de dimensiunea unui sector pe un grup de unități de disc. Unele unități sunt dedicate stocării ECC (Error Correction Code). Deoarece majoritatea unităților stochează coduri ECC pe sector în mod implicit, RAID-2 nu oferă prea multe avantaje față de RAID-3 și, prin urmare, nu este utilizat în practică.

RAID-3. Ca și în cazul RAID-2, datele sunt distribuite pe benzi cu dimensiunea unui sector, iar una dintre unitățile matrice este alocată pentru a stoca informații de paritate:

RAID-3 se bazează pe codurile ECC stocate în fiecare sector pentru a detecta erorile. Dacă una dintre unități eșuează, informațiile stocate pe ea pot fi restaurate prin calculul OR exclusiv (XOR) folosind informațiile de pe unitățile rămase. Fiecare înregistrare este distribuită în mod obișnuit pe toate unitățile și, prin urmare, acest tip de matrice este bun pentru aplicațiile care folosesc intensiv disc. Deoarece fiecare operație I/O accesează toate unitățile de disc din matrice, RAID-3 nu poate efectua mai multe operațiuni simultan. Prin urmare, RAID-3 este bun pentru medii cu un singur utilizator, cu o singură sarcină, cu înregistrări lungi. Pentru a lucra cu înregistrări scurte, este necesar să sincronizați rotația unităților de disc, deoarece în caz contrar, o scădere a vitezei de schimb este inevitabilă. Foarte rar folosit, pentru că inferior RAID-5 în ceea ce privește utilizarea spațiului pe disc. Implementarea necesită costuri semnificative.
Numărul minim de unități dintr-o matrice „RAID-3” este 3.

RAID-4. RAID-4 este identic cu RAID-3, cu excepția faptului că dimensiunea stripe este mult mai mare decât un sector. În acest caz, citirile sunt efectuate de pe o singură unitate (fără a număra unitatea care stochează informațiile de paritate), astfel încât mai multe operații de citire pot fi efectuate simultan. Cu toate acestea, deoarece fiecare operație de scriere trebuie să actualizeze conținutul unității de paritate, nu este posibil să se efectueze mai multe operații de scriere simultan. Acest tip de matrice nu are avantaje notabile față de o matrice RAID-5.
RAID-5. Acest tip de matrice este uneori numit „matrice de paritate rotativă”. Acest tip de matrice depășește cu succes dezavantajul inerent al RAID-4 - incapacitatea de a efectua simultan mai multe operațiuni de scriere. Această matrice, ca RAID-4, folosește dungi mare ca dimensiune, dar, spre deosebire de RAID-4, informațiile de paritate sunt stocate nu pe o singură unitate, ci pe toate unitățile pe rând:

Operațiunile de scriere accesează o unitate cu date și o altă unitate cu informații de paritate. Deoarece informațiile de paritate pentru diferite benzi sunt stocate pe unități diferite, scrierile multiple simultane nu sunt posibile decât dacă banda de date sau banda de paritate se află pe aceeași unitate. Cu cât sunt mai multe unități în matrice, cu atât mai rar coincid locația benzilor de informații și de paritate.
Domeniul de aplicare: matrice fiabile de volum mare. Implementarea necesită costuri semnificative.
Numărul minim de unități dintr-o matrice „RAID-5” este 3.

RAID-1 sau RAID-5?
RAID-5, în comparație cu RAID-1, utilizează spațiul pe disc mai economic, deoarece pentru redundanță stochează nu o „copie” a informațiilor, ci un număr de verificare. Ca rezultat, RAID-5 poate combina orice număr de unități, dintre care doar una va conține informații redundante.
Dar eficiența mai mare a spațiului pe disc vine în detrimentul unor rate de schimb de informații mai mici. Când scrieți informații în RAID-5, informațiile de paritate trebuie actualizate de fiecare dată. Pentru a face acest lucru, trebuie să determinați ce biți de paritate s-au modificat. În primul rând, se citesc informațiile vechi de actualizat. Aceste informații sunt apoi XORed cu informație nouă. Rezultatul acestei operații este o mască de biți în care fiecare bit =1 înseamnă că trebuie înlocuită valoarea din informațiile de paritate din poziția corespunzătoare. Informațiile de paritate actualizate sunt apoi scrise în locația corespunzătoare. Prin urmare, pentru fiecare cerere de program de a scrie informații, RAID-5 efectuează două citiri, două scrieri și două operații XOR.
Există un cost pentru utilizarea spațiului pe disc mai eficient (stocarea unui bloc de paritate în loc de o copie a datelor): este nevoie de timp suplimentar pentru a genera și scrie informații de paritate. Aceasta înseamnă că viteza de scriere pe RAID-5 este mai mică decât pe RAID-1 cu un raport de 3:5 sau chiar 1:3 (adică, viteza de scriere pe RAID-5 este de 3/5 până la 1/3 din viteza de scriere. RAID-1). Din această cauză, RAID-5 este inutil să fie creat în software. De asemenea, nu pot fi recomandate în cazurile în care viteza de înregistrare este critică.

Ce metodă de implementare RAID ar trebui să alegeți - software sau hardware?

- un controler specializat eliberează procesorul central de operațiunile RAID de bază, iar eficiența controlerului este mai vizibilă cu cât nivelul de complexitate RAID este mai mare;
- controlerele, de regulă, sunt echipate cu drivere care vă permit să creați RAID pentru aproape orice sistem de operare popular;
- BIOS-ul încorporat al controlerului și programele de management incluse cu acesta permit administratorului de sistem să se conecteze, să deconecteze sau să înlocuiască cu ușurință unitățile incluse în RAID, să creeze mai multe matrice RAID, chiar și la diferite niveluri, să monitorizeze starea matricei de discuri, etc. Cu controlere „avansate”, aceste operațiuni pot fi efectuate „din mers”, adică. fără a opri unitatea de sistem. Multe operațiuni pot fi efectuate în „fond”, adică. fără a întrerupe munca curentă și chiar de la distanță, adică. de la orice loc de muncă (desigur, dacă ai acces);
- controlerele pot fi echipate cu o memorie tampon („cache”), în care sunt stocate ultimele blocuri de date, care, cu acces frecvent la aceleași fișiere, poate crește semnificativ performanța sistemului de discuri.

Cum să alegi un model de controler RAID?

Controler SCSI Ultra (Ultra Wide) de la Mylex KT930RF (KT950RF).
În exterior, acest controler nu este diferit de un controler SCSI obișnuit. Toată „specializarea” se află în BIOS, care este împărțit în două părți - „Configurație SCSI” / „Configurație RAID”. În ciuda costului său scăzut (mai puțin de 200 USD), acest controler are un set bun de funcții:

- combinarea a până la 8 unități în RAID 0, 1 sau 0+1;
- a sustine Hot Spare pentru înlocuirea din mers a unei unități de disc defectate;
- capacitatea de a înlocui automat (fără intervenția operatorului) o unitate defectă;
- control automat integritatea și identitatea (pentru RAID-1) a datelor;
- prezenta unei parole pentru accesarea BIOS-ului;
- program RAIDPlus care oferă informații despre starea unităților în RAID;
- drivere pentru DOS, Windows 95, NT 3.5x, 4.0

RAID (Matrice redundantă de discuri independente)— o matrice redundantă de discuri independente, de ex. combinarea hard disk-urilor fizice într-o singură unitate logică pentru a rezolva orice problemă. Cel mai probabil, îl vei folosi pentru toleranța la erori. Dacă unul dintre discuri eșuează, sistemul va continua să funcționeze. Pe sistemul de operare matricea va arăta ca HDD obișnuit. RAID– matricele au apărut în segmentul de soluții de server, dar acum sunt răspândite și sunt deja folosite acasă. Pentru a gestiona RAID, se folosește un cip special cu inteligență, numit controler RAID. Acesta este fie un chipset pe placa de bază, fie o placă externă separată.

Tipuri de matrice RAID

Hardware– acesta este momentul în care starea matricei este controlată de un cip special. Cipul are propriul CPU și toate calculele cad pe el, eliberând CPU-ul serverului de încărcare inutilă.

Program– acesta este momentul în care starea matricei este controlată program specialîn sistemul de operare. În acest caz, va fi creată încărcare suplimentară pe CPU-ul serverului. La urma urmei, toate calculele cad asupra lui.

Este imposibil să spunem fără echivoc ce tip de raid este mai bun. În cazul unui raid software, nu trebuie să cumpărăm un controler raid scump. Care costă de obicei de la 250 USD. ( îl puteți găsi pentru 70 USD, dar nu aș risca datele) Dar toate calculele cad pe CPU-ul serverului. Software

implementarea este potrivită pentru raidurile 0 și 1. Sunt destul de simple și nu necesită calcule mari pentru a funcționa. Prin urmare, raidurile software sunt mai des folosite în soluțiile entry-level. Raidul hardware folosește un controler raid pentru a funcționa. Controlerul raid are propriul procesor pentru calcule, iar acest procesor este cel care efectuează operațiuni I/O.

Niveluri RAID

Sunt destul de multe. Acestea sunt principalele - 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 și cele combinate - 10, 30, 50, 53... Vom lua în considerare doar cele mai populare, care sunt utilizate în întreprinderile moderne infrastructură. Litera D din diagrame reprezintă date sau bloc de date.

RAID 0 (matrice de discuri în dungi fără toleranță la erori)

Aka dungă. Acesta este atunci când două sau mai multe unități fizice sunt combinate într-o unitate logică în scopul de a combina spațiu. Adică luăm două discuri de 500 GB, le combinăm în RAID 0 și în sistem vedem 1 HDD cu o capacitate de 1 TB. Informațiile sunt distribuite uniform pe toate discurile raid sub formă de blocuri mici (dungi).

Avantaje – Performanță ridicată, ușurință de implementare.

Contra: lipsa toleranței la erori. Când folosiți acest raid, fiabilitatea sistemului este redusă la jumătate (dacă folosim două discuri). La urma urmei, dacă cel puțin un disc eșuează, îți pierzi toate datele.

RAID 1 (oglindire și duplexare)

Aka oglindă. Acesta este momentul în care două sau mai multe unități fizice sunt combinate într-o singură unitate logică pentru a îmbunătăți toleranța la erori. Informațiile sunt scrise pe ambele discuri ale matricei simultan și atunci când unul dintre ele iese, informațiile sunt stocate pe celălalt.

Pro: viteză mare de citire/scriere, ușurință de implementare.

Dezavantaje: redundanță mare. În cazul utilizării a 2 discuri, aceasta este 100%.

RAID 1E

RAID 1E funcționează astfel: trei discuri fizice sunt combinate într-o matrice, după care este creat un volum logic. Datele sunt distribuite pe discuri, formând blocuri. O bucată de date (bandă) marcată ** este o copie a piesei anterioare *. În acest caz, fiecare bloc al copiei în oglindă este scris cu o schimbare pe un disc

Cea mai ușor de implementat soluție tolerantă la erori este RAID 1 (oglindire), o imagine în oglindă a două discuri. Valabilitate ridicată datele sunt garantate de prezența a două copii complete. Această redundanță a structurii matricei îi afectează costul - la urma urmei, capacitatea utilă este la jumătate mai mare decât cea utilizată. Deoarece RAID 1 este construit pe două HDD-uri, acest lucru nu este în mod clar suficient pentru aplicațiile moderne, avide de disc. Datorită unor astfel de cerințe, domeniul RAID 1 este de obicei limitat la volumele de servicii (OS, SWAP, LOG); acestea sunt utilizate numai în soluții cu buget redus pentru a găzdui datele utilizatorilor.

RAID 1E este o combinație de distribuire a informațiilor pe discuri (striping) din RAID 0 și oglindire din RAID 1. Concomitent cu scrierea unei zone de date pe o unitate, o copie a acesteia este creată pe următorul disc din matrice. Diferența față de RAID 1 este că numărul de HDD-uri poate fi impar (minim 3). Ca și în cazul RAID 1, capacitatea utilizabilă este de 50% din capacitatea totală a discurilor matrice. Adevărat, dacă numărul de discuri este par, este de preferat să folosiți RAID 10, care, cu aceeași utilizare a capacității, este format din două (sau mai multe) „oglinzi”. În cazul defectării fizice a unuia dintre Discuri RAID Controlerul 1E comută cererile de citire și scriere pe discurile rămase din matrice.

Avantaje:

• securitate ridicată a datelor;
• performanță bună.

Defecte:

• ca RAID 1, este folosită doar 50% din capacitatea de disc a matricei.

RAID 2

În matricele de acest tip, discurile sunt împărțite în două grupuri - pentru date și pentru codurile de corectare a erorilor, iar dacă datele sunt stocate pe discuri, atunci discurile sunt necesare pentru a stoca codurile de corecție. Datele sunt scrise pe discurile corespunzătoare în același mod ca în RAID 0; acestea sunt împărțite în blocuri mici în funcție de numărul de discuri destinate stocării informațiilor. Discurile rămase stochează coduri de corectare a erorilor, care pot fi folosite pentru a restaura informații în cazul în care orice hard disk se defectează. Metoda Hamming a fost folosită de mult timp în memoria ECC și permite corectarea din mers a erorilor individuale și detectarea erorilor duble.

Dezavantajul unei matrice RAID 2 este că necesită o structură de aproape cantitate dubla discuri, astfel încât acest tip de matrice nu a devenit larg răspândit.

RAID 3

Într-o matrice RAID 3 de discuri, datele sunt împărțite în bucăți mai mici decât un sector (împărțite în octeți) sau un bloc și distribuite pe discuri. Un alt disc este folosit pentru a stoca blocuri de paritate. RAID 2 a folosit un disc în acest scop, dar majoritatea informațiilor de pe discurile de control au fost folosite pentru corectarea erorilor din mers, în timp ce majoritatea utilizatorilor sunt mulțumiți de simpla restaurare a informațiilor în cazul unei defecțiuni a discului, ceea ce este suficientă informație. pentru a se potrivi pe un hard disk dedicat.

Diferențele dintre RAID 3 și RAID 2: incapacitatea de a corecta erorile din mers și mai puțină redundanță.

Avantaje:

• citire și scriere de mare viteză a datelor;
• Numărul minim de discuri pentru a crea o matrice este de trei.

Defecte:

• o matrice de acest tip este bună numai pentru lucrul cu o singură sarcină cu fișiere mari, deoarece timpul de acces la un sector individual, împărțit pe discuri, este egal cu maximul intervalelor de acces la sectoarele fiecărui disc. Pentru blocurile mici, timpul de acces este mult mai mare decât timpul de citire.
• există o sarcină mare pe discul de control și, ca urmare, fiabilitatea acestuia scade semnificativ în comparație cu discurile care stochează date.

RAID 4

RAID 4 este similar cu RAID 3, dar diferă prin faptul că datele sunt împărțite mai degrabă în blocuri decât în ​​octeți. Astfel, a fost posibil să se depășească parțial problema vitezei scăzute de transfer de date a volumelor mici. Scrierea este lentă datorită faptului că paritatea pentru bloc este generată în timpul înregistrării și scrisă pe un singur disc. Printre sistemele de stocare utilizate pe scară largă, RAID-4 este utilizat pe dispozitivele de stocare de la NetApp (NetApp FAS), unde deficiențele sale sunt eliminate cu succes datorită funcționării discurilor în regim specialînregistrare de grup, determinată de sistemul de fișiere intern WAFL utilizat pe dispozitive.

RAID 5 (Discuri de date independente cu blocuri de paritate distribuite)

Cel mai popular tip de matrice raid, în general, datorită rentabilității utilizării mediilor de stocare. Blocurile de date și sumele de verificare sunt scrise ciclic pe toate discurile din matrice. Dacă unul dintre discuri eșuează, performanța va fi semnificativ redusă, deoarece vor trebui efectuate manipulări suplimentare pentru ca matricea să funcționeze. Raid-ul în sine are viteze de citire/scriere destul de bune, dar este ușor inferioară RAID 1. Aveți nevoie de cel puțin trei discuri pentru a organiza RAID 5.

Avantaje - utilizarea economică a media, Viteza buna Citeste, scrie. Diferența de performanță față de RAID 1 nu este la fel de vizibilă precum economiile de spațiu pe disc. În cazul utilizării a trei HDD-uri, redundanța este de doar 33%.

Contra: Recuperarea și implementarea datelor complexe.

RAID 5E

RAID 5E funcționează așa. O matrice este asamblată din patru discuri fizice și în ea este creat un disc logic. Un disc de rezervă distribuit este spațiu liber. Datele sunt distribuite pe unități, creând blocuri pe un disc logic. Sumele de verificare sunt, de asemenea, distribuite pe discurile matricei și scrise cu o schimbare de la disc la disc, ca în RAID 5. HDD-ul de rezervă rămâne gol.

RAID 5 „clasic” a fost considerat de mulți ani standardul pentru toleranța la erori a subsistemelor de discuri. Utilizează distribuția de date (striping) în cadrul matricei HDD; pentru fiecare dintre porțiunile (stripe) definite în acesta, sunt calculate și scrise sume de control (paritate). În consecință, viteza de înregistrare scade datorită recalculării constante a CS odată cu sosirea de noi date. Pentru a crește performanța, înregistrările CS sunt distribuite pe toate unitățile matrice, alternând cu datele. Stocarea CD-urilor consumă capacitatea unui singur suport, astfel încât RAID 5 utilizează un disc mai puțin decât numărul total de discuri din matrice. RAID 5 necesită minim trei (și maxim 16) HDD-uri, iar eficiența spațiului pe disc este în intervalul 67–94%, în funcție de numărul de discuri. Evident, acesta este mai mult decât RAID 1, care utilizează 50% din capacitatea disponibilă.

Suprafața redusă a implementării redundanței RAID 5 are ca rezultat o implementare destul de complexă și un proces îndelungat de recuperare a datelor. Calculul sumelor de control și adreselor este atribuit controlerului RAID hardware cu cerințe mari asupra procesorului, logicii și memoriei cache. Performanța unei matrice RAID 5 în starea sa degradată este extrem de scăzută, iar timpul de recuperare este măsurat în ore. Ca urmare, problema inadecvării matricei este agravată de riscul defecțiunii repetate a unuia dintre discuri înainte ca RAID-ul să fie restaurat. Acest lucru face ca volumul de date să fie distrus.

O abordare comună este includerea unui disc de rezervă dedicat în RAID 5 pentru a reduce timpul de nefuncționare înainte de a înlocui fizic un disc defect. După ce una dintre unitățile din matricea originală eșuează, controlerul include o unitate de rezervă în matrice și începe procesul de reconstrucție RAID. Este important să clarificăm faptul că înainte de această primă defecțiune, unitatea de rezervă este inactivă și este posibil să nu participe la funcționarea matricei ani de zile și să nu fie verificată pentru erori de suprafață. La fel ca cel care va fi adus ulterior de inlocuire in garantieÎn loc de cel eșuat, îl vor introduce în coșul de disc și îl vor atribui ca rezervă. O mare surpriză poate fi inoperabilitatea sa, iar acest lucru va deveni clar în cel mai inoportun moment.

RAID 5E este RAID 5 cu un disc de rezervă inclus în matrice utilizare constantă, a cărui capacitate se adaugă în mod egal fiecărui element al matricei. RAID 5E necesită minim patru HDD-uri. La fel ca RAID 5, datele și sumele de control sunt distribuite pe discurile matricei. Eliminare capacitatea utilizabilă RAID 5E este puțin mai scăzut, dar performanța este mai mare decât RAID 5 cu hot-spare.

Capacitate logică Volume RAID 5E este mai mică decât capacitatea totală cu volumul a două medii (capacitatea unuia este folosită pentru sumele de control, al doilea - pentru hot-spare). Dar citirea și scrierea pe patru dispozitive fizice RAID 5E este mai rapidă decât operațiunile cu trei unități RAID 5 fizice cu hot-spare clasic (în timp ce al patrulea, hot-spare, nu participă la lucru). Discul de rezervă din RAID 5E este un membru permanent cu drepturi depline al matricei. Nu poate fi alocat pentru backup a două matrice diferite („un servitor de doi stăpâni” – așa cum este permis în RAID 5).

Dacă unul dintre discurile fizice eșuează, datele de pe unitatea defectată sunt restaurate. Matricea este comprimată și discul de rezervă distribuit devine parte a matricei. Unitatea logică rămâne la nivelul RAID 5E. După înlocuirea unui disc eșuat cu unul nou, datele de pe discul logic revin la starea inițială a schemei de distribuție HDD. Când utilizați Boolean disc RAID 5E în schemele de cluster tolerante la erori, nu își va îndeplini funcțiile în timpul compresiei-decompresării datelor.

Avantaje:

• securitate ridicată a datelor;
• Utilizarea capacității utilizabile este mai mare decât RAID 1 sau RAID 1E;
• performanța este mai bună decât RAID 5.

Defecte:

• performanța este mai mică decât RAID 1E;
• nu poate partaja discul de rezervă cu alte matrice.

RAID 5EE

Notă: Nu este acceptat pe toate controlerele RAID level-5EE este similar cu RAID-5E, dar cu mai multe utilizare eficientă disc de rezervăși timp de recuperare mai scurt. Similar cu nivelul RAID-5E, acest nivel de matrice RAID creează rânduri de date și sume de verificare pe toate unitățile din matrice. RAID-5EE oferă securitate și performanță îmbunătățite. Când utilizați RAID nivel-5E, capacitatea unui volum logic este limitată la capacitatea a două hard disk-uri fizice din matrice (unul pentru control, unul pentru backup). Discul de rezervă face parte dintr-o matrice RAID de nivel 5EE. Cu toate acestea, spre deosebire de RAID level-5E, care utilizează spațiu liber nepartiționat pentru rezervă, RAID level-5EE inserează blocuri de sumă de control în discul de rezervă, așa cum se arată în exemplul următor. Acest lucru vă permite să reconstruiți rapid datele în cazul unei defecțiuni disc fizic. Cu această configurație, nu o veți putea folosi cu alte matrice. Dacă aveți nevoie de o unitate de rezervă pentru o altă matrice, ar trebui să aveți un alt hard disk de rezervă. RAID nivel-5E necesită minim patru unități și, în funcție de nivelul firmware-ului și capacitatea acestora, acceptă de la 8 la 16 unități. RAID level-5E are firmware specific. Notă: Pentru nivelul RAID-5EE, puteți utiliza un singur volum logic în matrice.

Avantaje:

• 100% protecție a datelor
• Capacitate mare de disc fizic în comparație cu RAID-1 sau RAID -1E
• Performanță mai mare în comparație cu RAID-5
• Mai repede Recuperare RAID comparativ cu RAID-5E

Defecte:

• Performanță mai scăzută decât RAID-1 sau RAID-1E
• Acceptă un singur volum logic per matrice
• Imposibilitate partajarea disc de rezervă cu alte matrice
• Nu toate controlerele sunt acceptate

RAID 6

RAID 6 - similar cu RAID 5, dar are mai multe grad înalt fiabilitate - capacitatea a 2 discuri este alocată pentru sume de control, 2 sume sunt calculate folosind algoritmi diferiți. Necesită un controler RAID mai puternic. Asigură funcționarea după defecțiunea simultană a două discuri - protecție împotriva defecțiunilor multiple. Sunt necesare minimum 4 discuri pentru a organiza matricea. De obicei, utilizarea RAID-6 cauzează o scădere cu aproximativ 10-15% a performanței grupului de discuri în comparație cu performanța RAID-5 similară, care este cauzată de cantitatea mare de procesare pentru controler (necesitatea de a calcula o a doua sumă de control, precum și citiți și rescrieți mai multe blocuri de disc atunci când scrieți fiecare bloc).

RAID 7

RAID 7 este o marcă înregistrată a Storage Computer Corporation și nu este un nivel RAID separat. Structura matricei este următoarea: datele sunt stocate pe discuri, un disc este folosit pentru a stoca blocuri de paritate. Scrierea pe discuri este stocată în cache folosind RAM, matricea în sine necesită un UPS obligatoriu; În cazul unei pene de curent, se produce coruperea datelor.

RAID 10 sau RAID 1+0 (fiabilitate foarte ridicată cu performanță ridicată)

O combinație între un raid în oglindă și un raid cu dungi de disc. În acest tip de raid, discurile sunt combinate în perechi în raid-uri în oglindă (RAID 1) și apoi toate aceste perechi în oglindă sunt combinate într-o matrice cu dungi (RAID 0). Puteți combina doar un număr par de discuri într-un raid, minimul este 4, maximul este 16. Moștenim fiabilitatea de la RAID 1 și viteza de la RAID 0.

Avantaje – toleranță ridicată la erori și performanță

Contra - cost ridicat

RAID 50 sau RAID 5+0 (rate ridicate de I/O și performanță de transfer de date)

Cunoscut și ca RAID 50, este o combinație de RAID 5 și RAID 0. Matricea combină performanța ridicată și toleranța la erori.

Avantaje – toleranță ridicată la erori, viteză de transfer de date și execuție a interogărilor

Contra - cost ridicat

RAID 60

O matrice RAID de nivel 60 combină caracteristicile nivelurilor 6 și 0. O matrice RAID 60 combină striping-ul direct la nivel de bloc al RAID 0 cu striping-ul cu paritate dublă a RAID 6, și anume: RAID 0 este distribuit între elementele RAID 6. RAID 60 disc virtual Poate supraviețui pierderii a două hard disk-uri în fiecare configurare RAID 6 fără a pierde date. Este cel mai eficient cu date, fiabilitate ridicată, sunt necesare rate mari de solicitare, viteza mare date și capacități medii și mari. Numărul minim de discuri este de 8.

RAID liniar

Linear RAID este o combinație simplă de discuri care creează un disc virtual mare. În RAID liniar, blocurile sunt alocate mai întâi pe un disc inclus în matrice, apoi, dacă acesta este plin, pe altul etc. O astfel de consolidare nu oferă beneficii de performanță, deoarece cel mai probabil operațiunile I/O nu vor fi distribuite între discuri. De asemenea, RAID liniar nu are redundanță și crește probabilitatea defecțiunii - dacă o singură unitate se defectează, întreaga matrice va eșua. Capacitatea matricei este egală cu capacitatea totală a tuturor discurilor.

Concluzia principală care se poate trage este că fiecare nivel de raid are propriile sale avantaje și dezavantaje.

Mai mult cea mai importantă concluzie– raidul nu garantează integritatea datelor dumneavoastră. Adică, dacă cineva șterge un fișier sau este deteriorat de un proces, raidul nu ne va ajuta. Prin urmare, raidul nu ne eliberează de nevoia de a face copii de rezervă. Dar ajută atunci când apar probleme cu discurile la nivel fizic.