RAID-массивы. 
Информатика

Термин RAID (Redundant Array of Independent/Inexpensive Disks — избыточный массив независимых/недорогих дисководов) появился в 1987 г. Массив RAID объединяет два или более дисководов с целью создания системы дисков с новыми свойствами: максимально возможный объем с увеличением скорости и надежности работы, превосходящие параметры самых дорогих дисководов. Затем к этим основным целям добавилась третья — сохранение данных в случае отказа части оборудования, поэтому современные RAID-массивы необходимы для создания крупномасштабных хранилищ данных.

Применительно к RAID используются следующие понятия: «массив» (Array), «зеркалирование» (Mirroring), «дуплекс» (Duplexing), «чередование» (Striping) и «четность» (Parity).

Массив дисков состоит из двух или более накопителей, которые централизованно настраиваются, форматируются и управляются. Для операционной системы массив является одним большим диском.

Технология зеркалирования (отображения) означает параллельную одновременную запись информации на два жестких магнитных диска, т. е. создаются две точные копии данных на дисках, и производительность системы не возрастает.

Развитием технологии зеркалирования является дуплекс: для повышения надежности в систему устанавливаются два независимых RAID-контроллера. Выход из строя одного диска или контроллера не скажется на работоспособности всей системы. При зеркалировании «нерабочий» объем массива одинаков при любом числе дисков и составляет емкость одного диска, т. е. при пяти дисках в массиве пропадает всего 20% емкости.

Технология чередования («страйпов») обеспечивает повышение быстродействия системы за счет того, что чтение и запись ведутся параллельно на нескольких жестких дисках. Файлы хранятся фрагментами на нескольких дисках. Это позволяет выполнять считывание фрагментов файла одновременно с нескольких дисков и независимо друг от друга. Объем фрагментов файла меняется от 1 до 512 байт (размер сектора).

Технология четности является альтернативным решением, соединяющим в себе достоинства зеркалирования (высокая надежность) и чередования (высокая скорость работы). Для определенного числа блоков данных вычисляется дополнительный экстраблок, для создания нормального RAID-массива в этом случае требуется (I + 1) жесткий диск. Блоки распределяются по аналогии с чередованием, а экстраблок записывается на отдельный накопитель либо раскидывается по дискам.

Каждый бит экстраблока состоит из результата операции XOR над битами всех исходных блоков. При повторном наложении оператора XOR получается первоначальный результат:

(A XOR В) XOR В =А.

Технология четности требует применения дорогостоящих RAID-контроллеров, которые будут вычислять экстраблоки.

RAID-массивы делятся на простые (single) и составные (multiple), которые объединяют два или более простых массива. В табл. 7.3 дана сводная характеристика различных технологий RAID-массивов.

Массив RAID 0 использует как минимум два диска, чередование осуществляется без четности (рис. 7.2). Блоки файлов.

Рис. 7.2. Технология записи массива RAID О фиксированной длины (16 Кбайт) записываются на имеющиеся диски.

Для построения RAID 0 применяют недорогие RAID-контроллеры, он экономичен, обеспечивает выигрыш в скорости передачи данных (при условии включения 2−4 дисков), но не гарантирует надежности хранения данных.

Массив RAID 1 предусматривает обычное зеркалирование на два диска (рис. 7.3).

В этом случае можно применять недорогие RAID-контроллеры, выигрыш в скорости отсутствует.

Массив RAID 2 основан на побитовом чередовании и коде Хэмминга для восстановления ошибок. Он практически не применяется, поскольку требует сложных RAID-контроллеров и большого числа дисков (14 или 39), среди которых только часть используется для хранения собственно данных (10 или 32).

Массив RAID 3 базируется на чередовании при записи и дополнительном диске для контроля четности. Блоки данных обычно имеют длину до 1024 байт, распределяются на несколько дисков, а на отдельный диск идет запись экстраблоков. Скорость чтения/ записи низкая, но при этом обеспечивается возможность работы даже при отказе одного из дисков (рис. 7.4).

Массив RAID 4 отличается размером блока для чередования от RAID 3. Запись информации на RAID идет медленно в связи.

Рис. 7.3. Технология записи массива RAID 1.

Рис. 7.4. Технология записи массива RAID 3.

с вычислениями экстраблоков, но улучшена скорость случайного чтения. Данный массив практически не используется.

Массив RAID 5 — наиболее распространенный вариант, характеризуется применением чередования и четности, но при этом контрольные суммы (экстраблоки) разбрасываются по всем дискам (кроме диска, содержащего исходные блоки). Существенно возрастает скорость записи информации на диск при обеспечении высокого уровня надежности (рис. 7.5).

Надежность и скорость работы такой системы оказываются очень даже высокими. При восстановлении информации всю работу на себя берет RAID-контроллер, так что операция проходит довольно быстро.

Массив RAID 6 используется для критичных по надежности приложений. Применяются технологии чередования и четности, но экстраблоки вычисляются дважды и копируются на два разных диска. Данные не могут быть восстановлены в случае выхода трех дисков одновременно. Это более дорогостоящее и медленное решение, на практике почти не используется.

Рис. 7.5. Технология записи массива RAID 5.

В массиве RAID 7 по сравнению с RAID 3 выполняется асинхронное чередование, используется кэш-память и высокопроизводительный микропроцессор. По сравнению с RAID 3 достигается тот же уровень надежности, но возрастают скорости записи и чтения. Отличительной особенностью является высокая стоимость массива.

Таблица 7.3. Основные характеристики RAID-массивов.

Составной RAID-массив — сочетание быстрого RAID 0 с надежными RAID 1, 3, 5. Они создаются в последовательности: разделение дисков на наборы — set, построение простых RAID-массивов и их объединение в составной. Код составного массива: X + Y, где X — первичный RAID-массив, Y — массив из RAID-массивов, например:

Код RAID 0 + 1 тождественен коду RAID 01.

Рис. 7.6. Технология записи массива RAID 01.

Массив RAID 01 называют «зеркалом страйпов» (рис. 7.6). Он обладает высокой скоростью работы, повышенной надежностью, экономичен, так как не требует дорогостоящих RAID-контроллеров.

Массив RAID 10 называется «страйпом зеркал» (рис. 7.7). Он лучше по надежности, чем RAID 01 (массив из 10 дисков — пять пар по два диска — может остаться работоспособным при отказе до пяти жестких дисков).

Существуют и другие варианты создания составных RAID-массивов (табл. 7.4).

RAID-массивы применяются в машинах-серверах БД и суперкомпьютерах.

Современные дисковые массивы могут объединять 160 и более физических дисков любой емкости, формирующих до 320 и более логических дисков; имеют внутренний кэш от 32 до 1000 Мбайт и разъемы для подключения внешних интерфейсов типа SCSI или Fibre Channel. Внутренняя шина контроллера имеет пропускную способность 85 Мбайт/с, при использовании Fibre.

Рис. 7.7. Технология записи массива RAID 10.

Таблица 7.4. Основные характеристики составных RAID-массивов.

Channel — до 200 Мбайт/с. Информационная емкость дисковых массивов RAID — от 300 до 15 000 Гбайт (типичные параметры: 160 дисков общей емкостью 750 Гбайт).