RAID - основные понятия и советы

Данный раздел посвящен описанию наиболее часто используемых уровней RAID, их назначения, преимуществ и недостатков.

• Содержание
  • Введение
  • Зачем использовать RAID?
  • Какие типы RAID существуют и в чем их преимущества и недостатки?
    • Основные
      • JBOD
      • RAID 0
      • RAID 1
      • RAID 3
      • RAID 4
      • RAID 5
      • RAID 6
      • RAID 5EE
    • Комбинированные
      • RAID 10 (1+0)
      • RAID 50 (5+0)
      • RAID 60 (6+0)
      • RAID 1E
  • FAQ (ЧАВО)
  • Источники

Акроним RAID (Reudant Array of Independed Disks) избыточный массив независимых дисков, впервые был использован в 1988 году исследователями из института Беркли Паттерсоном (Patterson), Гибсоном (Gibson) и Кацем (Katz). Они описали конфигурацию массива из нескольких недорогих дисков, обеспечивающих высокие показатели по отказоустойчивости и производительности.

Наиболее "слабой" в смысле отказоустойчивости частью компьютерных систем всегда являлись жесткие диски, поскольку они, чуть ли не единственные из составляющих компьютера, имеют механические части. Данные записанные на жесткий диск доступны только пока доступен жесткий диск, и вопрос заключается не в том, откажет ли этот диск когда-нибудь, а в том, когда он откажет.

RAID обеспечивает метод доступа к нескольким жестким дискам, как если бы имелся один большой диск (SLED - single large expensive disk), распределяя информацию и доступ к ней по нескольким дискам, обеспечивая снижение риска потери данных, в случае отказа одного из винчестеров, и увеличивая скорость доступа к ним.

Обычно RAID используется в больших файл серверах или серверах приложений, когда важна высока скорость и надежность доступа к данным. Сегодня RAID находит применение так же в настольных системах, работающих с CAD, мультимедийными задачами и когда требуется обеспечить высокую производительность дисковой системы.

JBOD (Just a Bunch of Disks). Каждый из дисков доступен так же, как если бы он был подключен к обычному контроллеру. Эта конфигурация применяется когда необходимо иметь несколько независимых дисков, но не обеспечивает ни повышения скорости, ни отказоустойчивости.

Также его часто называют "страйпинг" (striping). Строго говоря, RAID 0 не является уровнем RAID, поскольку не обеспечивает увеличения отказоустойчивости. Блок данных записывается/читается одновременно на/с нескольких дисков, что увеличивает производительность дисковых операций.

Преимущество страйпинга заключается в высокой производительности и полном использовании входящих в состав массива дисков. Недостаток - в отсутствии отказоустойчивости - если один из дисков отказывает, то весь массив становится недоступным.

(+): высокая производительность
(-): отсутствие отказоустойчивости.

Зеркалирование (mirroring) обеспечивает высокую надежность посредством многократной записи одного и того же блока данных (по одному разу на каждый из дисков). Если один из дисков отказывает, то остальные содержат точную копию данных и контроллер может немедленно переключиться на использование неповрежденных дисков.

Преимущество зеркалирования очевидно - высокая надежность. Недостатками является отсутствие увеличения производительности и высокая цена за счет полного дублирования дисков (при двух дисках процент их использования составляет 50%).

(+): высокая надежность
(-): отсутствие увеличения производительности
(-): цена.

Разбивает данные на блоки размером 1 байт, распределяет их по нескольким дискам и использует один дополнительный диск для хранения контрольных сумм на случай необходимости коррекции или восстановления поврежденных дисков. RAID 3 поддерживается не всеми RAID контроллерами.

(+): высокая скорость чтения и записи данных.
(-): массив этого типа хорош только для однозадачной работы с большими файлами, так как наблюдаются проблемы со скоростью при частых запросах данных небольшого объёма.
(-): большая нагрузка на контрольный диск, что приводит к тому, что его надёжность сильно падает по сравнению с дисками с данными.

RAID 4 похож на RAID 3, но отличается от него тем, что данные разбиваются на блоки, а не на байты. Таким образом, удалось «победить» проблему низкой скорости передачи данных небольшого объема. Запись же производится медленно из-за того, что четность для блока генерируется при записи и записывается на единственный диск. Используются массивы такого типа очень редко.

Уровень RAID 5 используется, пожалуй, чаще всего. Он обеспечивает как страйпинг, так и вычисление и хранение контрольных сумм на случай необходимости коррекции/восстановления. В RAID 5 блок четности распределяется по всем дискам в массиве, обеспечивая более сбалансированную нагрузку на них. Контрольные суммы используются при коррекции/восстановлении данных в случае отказа одного из дисков. Результирующая емкость массива с использование RAID 5 составляет (N-1)*C, где N - количество дисков в массиве, а C - их емкость. Для построения RAID 5 необходимо, как минимум, 3 диска (мы настоятельно рекомендум использовать, как минимум 4).

(+): отказоустойчивость.
(+): экономичность (в смысле полезного количества используемых дисков).
(+): при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких накопителей массива обрабатываются параллельно.
(-): медленный цикл записи (2 операции чтения и 2 записи требуются для записи одного блока).
(-): при выходе из строя одного из дисков — весь том переходит в критический режим (degrade), все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко падает производительность. При этом уровень надежности снижается до надежности одиночного диска. Если до полного восстановления массива выйдет из строя хотя бы еще один диск, то массив разрушается, и данные на нем восстановлению обычными методами не подлежат. Минимальное количество используемых дисков равно трём. С томом RAID 5 можно использовать диск Hot Spare. Основное время дополнительный диск простаивает, но при выходе из строя одного из дисков массива, его восстановление начинается немедленно с использованием spare-диска. При использовании одного тома RAID 5 данная конфигурация дисков является расточительной, эффективнее использовать RAID 6. Целесообразность использования spare-диска проявляется в системе из нескольких томов RAID 5, в которой Hot Spare диск назначен для каждого из томов RAID 5, и может быть использован в случае необходимости для немедленного восстановления одного из томов.

Уровень RAID 6 является развитием и расширением RAID 5, которое обеспечивает улучшение отказоустойчивости за счет записи не одного набора контрольных сумм, как в случае с RAID 5, а двух.

Поскольку RAID 5 использует только один набор контрольных сумм, данные могут быть безвовратно потеряны в том случае, когда в процессе перестроения рэйда (после отказа одного из винчестеров), происходит отказ второго (или ошибка доступа). Для решения этой проблемы и разработан RAID 6.

Казалось бы: вероятность выхода из строя второго диска в процессе перестроения RAID явление маловероятное, но как показывает наш опыт и опыт наших клиентов это случается. Основными причинами учащения таких случаев являются:

• Растущее применение менее надежных дисков:
  Преимущество S-ATA дисков заключается в низкой стоимости и высокой емкости, но MTBF (наработка на отказ) у них ниже, чем у SCSI или SAS дисков. Это увеличивает вероятность ождновременного отказа двух дисков.
• Больше емкость - больше время перестроения, кроме того, в процессе перестроения, система испытывает более высокие нагрузки, что так же повышает вероятность отказа второго диска.
• Человеческий фактор.
  Когда один из дисков в RAID выходит из строя, кто-то должен его заменить. Ошибка, напрмер замена не того диска, приводит к полной потере данных.
• Количество отказов растет пропорционально количеству дисков.
  А если учесть, что в современных системах два десятка дисков уже не является чем то необычным, то и одновременный (или последовательный в процессе перестроения) отказ двух из них, уже не кажется таким уж маловероятным событием.

(+): отказоустойчивость (выше чем у RAID 5).
(+): экономичность (в смысле полезного количества используемых дисков).
(+): при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких накопителей массива обрабатываются параллельно.
(-): не большая скорость записи.

Обычно при построении RAID 5 один диск оставляют свободным ( Hot Spare ), чтобы в случае сбоя система сразу стала перестраивать (rebuild) массив. При обычной работе этот диск работает вхолостую. Система RAID 5EE подразумевает использование этого диска в качестве элемента массива. А объём этого свободного диска распределяется по всему массиву. Минимальное число дисков – 4 штуки. Доступный объём равен n-2, объём одного диска используется (будучи распределенным между всеми) для четности, объем еще одного – свободный. При выходе из строя диска происходит сжатие массива до 3-х дисков (на примере минимального числа) заполнением свободного пространства. Получается обычный массив RAID 5, устойчивый к отказу ещё одного диска. При подключении нового диска, массив разжимается и занимает вновь все диски.

(+): отказоустойчивость.
(+): экономичность (в смысле полезного количества используемых дисков).
(+): при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких накопителей массива обрабатываются параллельно.
(-): не высокая скорость записи.

Это комбинация страйпинга (RAID 0) и мирроринга (RAID 1) без вычисления контрольных сумм. Для реализации такого решения необходимо минимум 4 диска.

(+): высокая скорость (как у RAID 0).
(+): отказоустойчивость (как у RAID 1).
(-): требуется, как минимум, удвоенная емкость дисков (как у RAID 1).

Это комбинация RAID 5 и страйпинга (RAID 0). Для реализации такого решения необходимо минимум 6 дисков.

(+): высокая скорость передачи данных и обработки запросов.
(+): хорошая скорость восстановления данных и стойкость при отказе.
(-): требуется, как минимум, 6 дисков.

Это комбинация RAID 6 и страйпинга (RAID 0). Для реализации такого решения необходимо минимум 8 дисков.

(+): хорошая скорость передачи данных и обработки запросов.
(+): хорошая стойкость при отказе.
(-): требуется, как минимум, 8 дисков.

Это комбинация страйпинга (RAID 0) и зеркала (RAID 1). Создаётся минимум на трёх дисках. Данные пишутся с чередованием на три диска, а со сдвигом на 1 диск пишется их копия. Если пишется один блок на три диска, то копия первой части пишется на второй диск, второй части – на третий диск. При использовании четного числа дисков лучше, конечно, использовать RAID 10.

(+): хорошая скорость передачи данных и обработки запросов.
(+): хорошая стойкость при отказе.

Эта статья взята с сайта www.bestor.spb.ru