RAID-массивы

RAID (Redundant Array of Independent Disks — избыточный массив самостоятельных (независимых) дисков) — это технология объединения двух и более накопителей в единый логический элемент с целью повышения производительности и (или) отказоустойчивости отдельно взятого элемента массива.

Петтерсон с коллегами из Беркли представили спецификации пяти уровней RAID, которые стали стандартом де факто:

RAID 1 — зеркальный дисковый массив;

RAID 2 — зарезервирован для массивов, которые применяют код Хемминга;

RAID 3 — дисковый массив с выделенным диском чётности;

RAID 4 — дисковый массив с чередованием и выделенным диском чётности;

RAID 5 — дисковый массив с чередованием, в том числе данных чётности (нет диска, выделенного для хранения чётности — блоки чётности чередуются с блоками данных на каждом диске).

Среди современных реализаций массивов RAID представлены дополнительные уровни спецификации:

RAID 0 — дисковый массив повышенной производительности с чередованием без отказоустойчивости;

RAID 6 — дисковый массив с чередованием, использующий две контрольные суммы, вычисляемые двумя независимыми способами;

RAID 10 — массив RAID 0, построенный из массивов RAID 1;

RAID 50 — массив RAID 0, построенный из массивов RAID 5;

RAID 60 — массив RAID 0, построенный из массивов RAID 6;

RAID 1E — зеркальный массив из трёх других массивов: RAID 50, RAID 05, RAID 60 и другие.

Аппаратный контроллер RAID может иметь дополнительные функции и одновременно поддерживать несколько RAID-массивов различных уровней. При этом многие контроллеры RAID, встроенные в материнскую плату, в настройках BIOS имеет всего два состояния (включён или отключён), поэтому новый жёсткий диск, подключённый в незадействованный разъём контроллера при активированном режиме RAID, может игнорироваться системой, пока он не будет ассоциирован как ещё один RAID-массив типа JBOD (spanned), состоящий из одного диска.

Уровни RAID, реализуемые средствами файловой системы ZFS:

RAID-Z — один избыточный диск;

RAID-Z2 — два избыточных диска;

RAID-Z3 — три избыточных диска.

RAID-массивы классифицируются по следующим параметрам:

• по исполнению RAID-контроллера;
• по типам поддерживаемых интерфейсов накопителей;
• по поддерживаемым уровням RAID;

Базовые уровни

JBOD

Строго говоря, это не RAID, но тоже массив. Аббревиатура дословно расшифровывается как «просто связка дисков». Эта связка дисков не дает никакой отказоустойчивости и роста производительности, а является просто дисками, «склеенными» в один логический элемент, скорость операций на котором не выйдет за рамки самого быстрого и самого медленного накопителей, участвующих в связке.

Объем такого массива будет равен сумме объемов накопителей, собранных в этот массив. При выходе из строя накопителя(-ей) пострадает информация только на этом(-их) же накопителе(-ях) — если фрагменты файла не были разделены между двумя накопителями. Массив можно составлять из разных по емкости накопителей и легко расширять.

RAID 0

Данный массив еще называется «чередованием», так как при записи информации на него она разбивается на части (блоки) фиксированного размера и записывается поочередно на все собранные в массив диски. Применяется для библиотеки игр, видеомонтажа или рендеринга.

Количество дисков для сборки RAID 0 — минимум две штуки. При использовании такого уровня RAID возрастают скорости записи и чтения информации, поскольку операции происходят параллельно на всех дисках. Чем больше дисков в массиве, тем он производительней. Доступен объем всех дисков. Но самый главный минус в том, что поломка одного из дисков такого массива будет означать полную потерю информации, поскольку данные хранятся разбитыми по дискам.

RAID 1

Массив известный как «зеркалирование». Представляет собой полную копию информации с одного диска массива на другой. RAID 1 подойдет для важных данных, сохранность и доступность которых в приоритете.

Предполагается использование двух накопителей. За счет дублирования обеспечивается высокая надежность — работа продолжится при повреждении одного диска. Но в таком случае необходима его срочная замена, при этом данные восстанавливаются с «зеркального» диска. Распараллеливанием запросов обеспечивается высокая скорость чтения.

Поскольку диски являются клонами друг друга, то для использования доступен объем одного диска. Логическим продолжением этого является двухкратная цена за гигабайт памяти. А еще скорость записи остается либо такой же, как в случае использования одного диска, либо даже может немного «проседать».

RAID 2

Эти массивы используют чередование дисков и коды коррекции ошибок (код Хэмминга). Из-за этого диски в нем распределяются на две группы: для самих данных и для указанных выше кодов.

За счет чередования достигается высокая скорость операций с данными по сравнению с одним диском. А Код Хэмминга позволяет обнаруживать и исправлять ошибки при операциях с файлами «на лету» без снижения скорости операций с данными. Также при выходе из строя одного накопителя массива восстанавливаться данные будут по хранящимся кодам коррекции ошибок.

Минимум этого массива — 7 дисков.

RAID 2 сейчас не используется, потому что он совсем не экономичный, к тому же считается устаревшим. Его вытеснили следующие уровни RAID.

RAID 3

Так же, как и RAID 2, использует чередование дисков, но без кодов Хэмминга. Вместо этого хранятся контрольные суммы, и они-то и используются для восстановления, а данные разбиваются на байты. Данный RAID-массив наиболее удачен для работы с большими файлами, потоковым мультимедиа, но на практике не встречается ввиду невысокой надежности.

Порог вхождения в этот тип массива — три диска. Скорость операций чтения высокая, скорости операций записи высоки только для больших файлов. RAID 3 предлагает хороший компромисс между доступным объемом и ценой. Хранящаяся информация теряется, если «навернется» больше одного диска.

К недостаткам. Могут наблюдаться проблемы со скоростью при работе с данными небольшого объема. Да и не все контроллеры поддерживают этот массив. Плюс высокая нагрузка на диск, хранящий контрольные суммы, сокращает срок его службы относительно дисков с данными.

RAID 4

Можно сказать, это тот же самый RAID 3, только файл бьется не на однобайтные блоки, за счет чего удалось несколько повысить скорость записи мелких файлов. Остальные характеристики соответствуют рейду третьего уровня.

RAID 5

Здесь используются контрольные суммы и чередование как в RAID 3 и RAID 4, но объем под хранение сумм распределяется по всему массиву. Это дает прирост в скорости записи, так как операции теперь можно производить параллельно. Количество накопителей в массиве начинается с трех. Для хранения контрольных сумм выделяется объем, равный объему одного накопителя. RAID 5 наиболее распространен и используется в файловых серверах, серверах общего хранения, серверах резервного копирования, работе с потоковыми данными и других средах, требующих хорошей производительности.

Полезный объем накопителей зависит от количества накопителей в массиве — чем больше накопителей, тем больше объем. Скорость чтения — высокая, относительно RAID 4 подросла и скорость записи. А за счет размазывания сумм по массиву и нагрузка на все диски распределяется равномерно.

Но когда один диск «накрывается», надежность массива существенно падает, и он переходит в критическое состояние. Восстановление — очень длительный процесс, вызывающий падение производительности массива и сильно увеличивающий нагрузку на накопители, поскольку с них производится продолжительное интенсивное чтение.

Ребилд увеличивает вероятность ухода из жизни еще одного или даже нескольких накопителей в массиве, что в свою очередь приведет к потере данных. Так же при восстановлении могут выявиться ранее не обнаруженные ошибки и восстановление данных с такого массива потребует обращения в специализированные организации.

Для предупреждения подобных ситуаций применяется анализ состояния накопителей (S.M.A.R.T.) и использование технологии Hot Spare (горячий резерв) — это автоматическое подхватывание в массив заранее зарезервированного диска вместо вышедшего из строя, и старт процедуры восстановления массива.

RAID 6

Контрольные суммы на этот массив записываются в двойном размере, что требует и увеличения объема в два раза. Такой «финт» приводит к повышению отказоустойчивости, при этом не сильно увеличивая стоимость.

Минимальное количество дисков — четыре. Ко всем достоинствам RAID 5 прибавляется повышенная надежность, за счет допустимого отказа двух дисков одновременно. Но скорость записи может быть значительно ниже, чем у RAID 5. Шестой рэйд используется там же, где и «пятый», но с заявкой на повышенную надежность.

Комбинированные уровни

RAID 01 и RAID 10

Массивы представляют собой кооперирование уровней 0 и 1. RAID 01 — это зеркалирование двух массивов чередования. Также называется «зеркало страйпов».

А RAID10 — это чередование двух зеркальных массивов.

В любом из вариантов полезный объем массива будет составлять 50 % от суммарного объема задействованных дисков.

Оба рэйда имеют одинаковую высокую производительность, но надежность у RAID 10 выше, чем у RAID 01, за счет того, что в «десятке» возможен отказ по одному накопителю в каждом «зеркале» без потери информации. По этой причине RAID 01 не используется, и поэтому же перечислим достоинства и недостатки только для RAID 10.

Доступен такой массив от четырех дисков. При нем высокая скорость от RAID 0, отказоустойчивость от RAID 1. Но цена за такой симбиоз высока. Зато это идеальный кандидат для хранения критически важных данных и в приложениях с интенсивным вводом-выводом данных.

RAID 03 и RAID 30

В этом случае чередование уже миксуется с RAID 3. И, аналогично ситуации выше, либо собираешь в RAID 3 от трех массивов RAID 0, либо в RAID 0 собраны несколько RAID 3. Логично, что рассматривать имеет смысл только последний вариант из-за того же преимущества в надежности.

Минимальные ставки повышаются до шести дисков. Как и в предыдущем случае растет производительность и повышается надежность, но в отличии от десятого уровня, полезный объем больше. Ну и, конечно, за такую экзотику придется заплатить больше.

RAID 50

Опять же чередование, только с RAID 5. Находит применение в серверах очень большой емкости.

Допускает потерю по одному диску в разных массивах RAID 5 без утраты данных, соответственно, чем больше чередуется массивов, тем больше дисков допустимо потерять.

К достоинствам RAID5 прибавляется повышение скорости записи и повышение скорости восстановления. Допускаемый минимум — шесть дисков, а это влетает в копеечку. Так же нужно иметь ввиду, что не каждый контроллер способен поддерживать этот тип массива.

RAID 60

Как не трудно догадаться, это связка RAID 0 и RAID 6.

«Ставки повышаются» до восьми накопителей. Решается проблема производительности RAID 6, но без денежных вливаний тут не обойтись. Как и у RAID 50 имеется проблема возможного отсутствия поддержки этого массива со стороны контроллера.

RAID 100

Комбинированный рэйд из комбинированных рэйдов. Тут происходит чередование RAID 10.

Данный массив создается при помощи нескольких низкопроизводительных контроллеров. Это дает увеличение скоростей, по сравнению с тем, если бы рэйд строился на одном из этих контроллеров. Работа с очень большими базами данных — лучшее применение данного массива.

Существует еще несколько комбинированных массивов. Они также представляют собой либо чередование, либо зеркалирование, смешанное с каким-то другим типом массива, что закономерно приводит к повышению или производительности, или надежности. Так что заострять внимание на них мы не будем и перейдем к следующем уровню.

Усовершенствованные уровни RAID

RAID 1E

Зеркалирование, способное работать с нечетным количеством накопителей. Для реализации этого массива имеются два алгоритма:

Near — запись копии со сдвигом накопителя.

Interleaved — копия данных пишется с чередованием по полосам и сдвигом накопителя.

Для такого массива нужно минимум три диска. Дает такое усовершенствование увеличение скорости передачи данных и обработки запросов. Доступна, как и в классическом зеркале, только половина объема. Надежность несколько хуже, чем у RAID 1, хоть и допускается выход больше одного диска, при условии, что это не соседи, на которых хранится оригинальный блок данных и его дубль. Но и такое доступно не на всех контроллерах — на некоторых допускается потеря только одного накопителя.

RAID 5EE

Вариант усовершенствования RAID 5 путем включения в массив диска из горячего резерва. Стартовый набор накопителей для такого массива — четыре штуки.

Объем «горячего диска» распределяется по массиву, а общий объем становится равным объему n-2 диска. При отказе одного накопителя массив сжимается до n-1 дисков путем заполнения свободного пространства. Иными словами, это все тот же RAID 5, только с возможностью похоронить два диска вместо одного. Как только конфигурация получит новый диск вместо «отъехавшего», массив вновь займет все диски. Аналогично, кстати, может быть усовершенствован и RAID 6.

RAID DP

В данном случае был модифицирован RAID4 путем добавления еще одного накопителя для хранения контрольных сумм. Но данный рэйд узкоспециализированный и может работать только в устройствах компании NetApp, так как в нем используется файловая система WALF. Связка RAID-DP с этой системой дает повышение производительности выше, чем у рэйдов 5 и 6 уровней.

RAID 7

Технология, по названию, казалось бы, намекающая на очередное развитие базовых уровней, тоже является узкоспециализированным решением, но на сей раз принадлежащим компании Storage Computer Corporation. И это решение — RAID 4, но использующее кэширование операций по чтению и записи в ОЗУ. Для его надежной работы обязательно наличие ИБП, так как в случае перебоев питания данные повреждаются.

Каким образом можно собрать RAID-массив

Программный RAID реализуется средствами операционной системы или на уровне материнской платы. Такое решение не всегда стабильно, «отжирает» часть ресурсов процессора и оперативной памяти. В зависимости от операционной системы поддерживает далеко не все уровни RAID — Win10, например, даст возможность создать только JBOD, RAID 0,1 и 5 — но зато является «бесплатным», так как дополнительно приобретать ничего не нужно.

Интегрированный аппаратный RAID называемый еще Fake-RAID. Представляет собой чип, распаянный на материнской плате, который снимает часть нагрузки с процессора при создании и поддержании RAID’а. Такое решение производительнее чисто софтверного подхода и обеспечивает возможность установки ОС, но надежность все так же не высока.

Аппаратный RAID можно в свою очередь тоже разделить на пару видов.

Первый — это дискретная карточка с интерфейсом PCI-e. На ней распаян контроллер с персональной памятью, процессором, системой охлаждения и часто даже аккумулятором для бесперебойного питания. Это решение по надежности и производительности гораздо лучше программного и интегрированного рэйдов, но вместе с тем и куда затратнее.

Второй вид — это внешние контроллеры. Они располагаются в отдельном корпусе, как правило, вместе с накопителями, имеют свой независимый блок питания и подключаться могут по PCI-e, USB 3.2 или Thunderbolt 3. Это самое надежное решение и самое дорогое.