4.2.3. Организация дисковых массивов (raid)

Еще одним способом повышения производительности дисковой памяти стало построение дисковых массивов, хотя этот нацелен не только (и не столько) на достижение более высокой производительности, но и большей надежности работы запоминающих устройств на дисках.

Технология RAID (Redundant Array of Independent Disks – избыточный массив независимых дисков) задумывалась как объединение нескольких недорогих жестких дисков в один массив дисков для увеличения производительности, объема и надежности, по сравнению с одиночным диском. При этом ЭВМ должна видеть такой массив как один логический диск.

Если просто объединить несколько дисков в (не избыточный) массив, то среднее время между отказами (СВМО) будет равно СВМО одного диска, деленному на количество дисков. Такой показатель слишком мал для приложений, критичных к аппаратным сбоям. Улучшить его можно применяя реализуемую различным образом избыточность при хранение информации.

В RAID системах для повышения надежности и производительности используются комбинации трех основных механизмов, каждый из которых хорошо известен и по отдельности: - организация “зеркальных” дисков, т.е. полное дублирование хранимой информации; - подсчет контрольных кодов (четность, коды Хэмминга), позволяющих восстановить информацию при сбое; - распределение информации по различным дискам массива так, как это делается при чередовании обращений по блокам памяти (см. interleave), что повышает возможности параллельной работы дисков при операциях над хранимой информацией. При описании RAID этот прием называют “stripped disks”, что буквально означает “разделенные на полоски диски”, или просто "полосатые диски"..

Рис. 43. Разбиение дисков на чередующиеся блоки - “полоски”.

Изначально было определено пять типов дисковых массивов, обозначаемых RAID 1 – RAID 5, различающихся по своим особенностям и производительности. Каждый из этих типов за счет определенной избыточности записываемой информации обеспечивал повышенную отказоустойчивость по сравнению с одиночным дисководом. Кроме того, массив дисков, не обладающих избыточностью, но позволяющий повысить производительность (за счет расслоения обращений), стали часто называть RAID 0.

Основные типы RAID массивов можно кратко охарактеризовать следующим образом .

RAID 0 . Обычно этот тип массива определяется как группа дисков с чередованием (stripped) расположения информации без контроля четности и без избыточности данных. Размеры чередующихся областей (stripes – “полосок”, или блоков) могут быть большими в многопользовательском окружении или малыми в однопользовательской системе при последовательном доступе к длинным записям.

Организация RAID 0 как раз и соответствует той, которая показана на рис. 43. Операции записи и чтения могут выполняться одновременно на каждом дисководе. Минимальное количество дисководов для RAID 0 – два.

Для этого типа характерны высокая производительность и наиболее эффективное использование дискового пространства, однако, выход из строя одного из дисков приводит к невозможности работы со всем массивом.

RAID 1 . Этот тип дискового массива (рис. 44, а ) известен также как зеркальные диски и представляет собой просто пары дисководов, дублирующих хранимые данные, но представляющиеся компьютеру как один диск. И хотя в рамках одной пары зеркальных дисков разбиение на полоски не производится, чередование блоков может быть организовано для нескольких массивов RAID 1, образующих вместе один большой массив из нескольких зеркальных пар дисков. Такой вариант организации получил название RAID 1 + 0. Существует и обратный вариант.

Все операции записи производятся одновременно в оба диска зеркальной пары, чтобы информация в них была идентична. Но при чтении каждый из дисков пары может работать независимо, что позволяет выполнять одновременно две операции чтения, удваивая тем самым производительность при чтении. В этом смысле RAID 1 обеспечивает наилучшую производительность среди всех вариантов дисковых массивов.

RAID 2 . В этих дисковых массивах блоки – сектора данных чередуются по группе дисков, часть из которых используется только для хранения контрольной информации – ECC (error correcting codes) кодов. Но поскольку во всех современных дисках имеется встроенный контроль с помощью ECC кодов, то RAID 2 мало что дает, по сравнению с другими типами RAID, и сейчас редко используется.

RAID 3 . Как и в RAID 2 в этом типе дискового массива (рис. 44, б ) блоки –сектора чередуются по группе дисков, но один из дисков группы отведен для хранения информации о четности. В случае выхода дисковода из строя восстановление данных осуществляется на основе вычисления значений функции "исключающее ИЛИ" (XOR) от данных, записанных на оставшихся дисках. Записи обычно занимают все диски (так как полоски короткие), что повышает общую скорость передачи данных. Так как каждая операция ввода-вывода требует доступа к каждому диску, массив RAID 3 может обслужить в каждый момент времени только один запрос. Поэтому данный тип обеспечивает наилучшую производительность для одного пользователя в однозадачном окружении с длинными записями. При работе с короткими записями во избежание снижения производительности требуется синхронизация шпинделей дисководов. По своим характеристикам RAID 3 близок к RAID 5 (см. ниже).

RAID 4. Эта организация, показанная на рис. 35, в ), похожа на RAID 3 с той лишь разницей, что в нем используются блоки (полоски) большого размера, так что записи можно читать с любого диска массива (кроме диска, хранящего коды четности). Это позволяет совмещать операции чтения на разных дисках. При операциях записи всегда происходит обновление диска четности, поэтому их совмещение невозможно. В целом, данная архитектура не имеет особых преимуществ перед другими вариантами RAID.

RAID 5. Этот тип дискового массива похож на RAID 4, но хранение кодов четности в нем осуществляется не на специально выделенном диске, а блоками, располагающимися поочередно на всех дисках. Эту организацию даже иногда называют массив с “вращающейся четностью” (можно отметить некую аналогию с назначением линий прерываний для слотов шины PCI или с циклическим приоритетом контроллера прерываний в процессорах линии x86). Такое распределение позволяет избежать ограничения возможности одновременной записи из-за хранения кодов четности только на одном диске, характерного для RAID 4. На рис. 44, г ) показан массив, состоящий из четырех дисководов, причем для каждых трех блоков данных имеется один блок четности (эти блоки заштрихованы), местоположение которого для каждой тройки блоков данных изменяется, перемещаясь циклически по всем четырем дисководам.

Операции чтения могут выполняться параллельно для всех дисков. Операции записи, требующие участия двух дисководов (для данных и для четности) обычно также могут совмещаться, так как коды четности распределены по всем дискам.

Сравнение различных вариантов организации дисковых массивов показывает следующее.

Организация RAID 0 – это наиболее быстрый и эффективный вариант, но не обеспечивающий устойчивости к сбоям. Он требует минимум 2 дисковода. Операции записи и чтения могут выполняться одновременно на каждом дисководе.

Архитектура RAID 1 наиболее пригодна для высокопроизводительных высоконадежных приложений, но и наиболее дорогая. Кроме того, это единственный вариант, устойчивый к сбоям, если используются только два дисковода. Операции чтения могут выполняться одновременно для каждого дисковода, операции записи всегда дублируются для зеркальной пары дисководов.

Архитектура RAID 2 используется редко.

Дисковый массив типа RAID 3 можно использовать для ускорения передачи данных и повышения устойчивости к сбоям в однопользовательской среде при последовательном доступе к длинным записям. Но он не позволяет совмещать операции и требует синхронизации вращения шпинделей дисководов. Для него нужно, как минимум, три дисковода: 2 для данных и один для кодов четности.

Архитектура RAID 4 не поддерживает одновременные операции и не имеет преимуществ, по сравнению с RAID 5.

Организацию RAID 5 характеризует эффективность, устойчивость к сбоям и хорошая производительность. Но производительность при записи и в случае отказа дисковода хуже, чем у RAID 1. В частности, поскольку блок кодов четности относится ко всему записываемому блоку, то, если пишется только часть его, необходимо сперва считать ранее записанные данные, затем вычислить новые значения кодов четности и только после этого записать новые данные (и четность). Операции перестройки также требуют больше времени из-за необходимости формирования кодов четности. Для данного типа RAID нужно, как минимум, три дисковода.

Кроме того, на основе наиболее распространенных вариантов RAID: 0, 1 и 5 могут формироваться так называемые двухуровневые архитектуры, в которых сочетаются принципы организации различных типов массивов. Например, несколько RAID массивов одного и того же типа можно объединить в одну группу массивов данных или массив четности.

За счет такой двухуровневой организации можно достичь требуемого баланса между увеличением надежности хранения данных, характерным для массивов RAID 1 и RAID 5 и высокой скоростью чтения, присущей чередованию блоков на дисках в массиве типа RAID 0. Такие двухуровневые схемы иногда называют RAID 0+1 или 10 и 0+5 или 50.

Управление работой RAID массивов может осуществляться не только аппаратно, но и программно, возможность чего предусматривается в некоторых серверных вариантах операционных систем. Хотя понятно, что такая реализация будет иметь существенно худшие характеристики производительности.

© Андрей Егоров, 2005, 2006. Группа компаний ТИМ.

Посетители форума задают нам вопрос: «Какой уровень RAID самый надежный?» Все знают, что наиболее распространенным является уровень RAID5, однако он отнюдь не лишен серьезных недостатков, которые неочевидны для неспециалистов.

RAID 0, RAID 1, RAID 5, RAID6, RAID 10 или что такое уровни RAID?

В своей статье я попытаюсь охарактеризовать самые популярные уровни RAID, а затем сформулирую рекомендации по использованию этих уровней. Для иллюстрации статьи я построил диаграмму, на которой поместил эти уровни в трехмерном пространстве надежности, производительности и ценовой эффективности.

JBOD (Just a Bunch of Disks) – это простое объединение (spanning) жестких дисков, которое уровнем RAID формально не является. Томом JBOD может быть массив из одного диска или объединение нескольких дисков. Контроллеру RAID для работы с таким томом не требуется проведение каких-либо вычислений. На нашей диаграмме диск JBOD служит в качестве «ординара» или отправной точки – его значения надежности, производительности и стоимости совпадают с соответствующими показателями единичного жесткого диска.

RAID 0 (“Striping”) избыточности не имеет, а информацию распределяет сразу по всем входящим в массив дискам в виде небольших блоков («страйпов»). За счет этого существенно повышается производительность, но страдает надежность. Как и в случае JBOD, за свои деньги мы получаем 100% емкости диска.

Поясню, почему уменьшается надежность хранения данных на любом составном томе – так как при выходе из строя любого из входящих в него винчестеров полностью и безвозвратно пропадает вся информация. В соответствии с теорией вероятностей математически надежность тома RAID0 равна произведению надежностей составляющих его дисков, каждая из которых меньше единицы, поэтому совокупная надежность заведомо ниже надежности любого диска.

Хороший уровень – RAID 1 (“Mirroring”, «зеркало»). Он имеет защиту от выхода из строя половины имеющихся аппаратных средств (в общем случае – одного из двух жестких дисков), обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения за счет распараллеливания запросов. Недостаток заключается в том, что приходится выплачивать стоимость двух жестких дисков, получая полезный объем одного жесткого диска.

Изначально предполагается, что жесткий диск – вещь надежная. Соответственно, вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна (по формуле) произведению вероятностей, т.е. ниже на порядки! К сожалению, реальная жизнь – не теория! Два винчестера берутся из одной партии и работают в одинаковых условиях, а при выходе из строя одного из дисков нагрузка на оставшийся увеличивается, поэтому на практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры – вновь восстанавливать избыточность. Для этого с любым уровнем RAID (кроме нулевого) рекомендуют использовать диски горячего резерва HotSpare . Достоинство такого подхода – поддержание постоянной надежности. Недостаток – еще большие издержки (т.е. стоимость 3-х винчестеров для хранения объема одного диска).

Зеркало на многих дисках – это уровень RAID 10 . При использовании такого уровня зеркальные пары дисков выстраиваются в «цепочку», поэтому объем полученного тома может превосходить емкость одного жесткого диска. Достоинства и недостатки – такие же, как и у уровня RAID1. Как и в других случаях, рекомендуется включать в массив диски горячего резерва HotSpare из расчета один резервный на пять рабочих.

RAID 5 , действительно, самый популярный из уровней – в первую очередь благодаря своей экономичности. Жертвуя ради избыточности емкостью всего одного диска из массива, мы получаем защиту от выхода из строя любого из винчестеров тома. На запись информации на том RAID5 тратятся дополнительные ресурсы, так как требуются дополнительные вычисления, зато при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких накопителей массива распараллеливаются.

Недостатки RAID5 проявляются при выходе из строя одного из дисков – весь том переходит в критический режим, все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко падает производительность, диски начинают греться. Если срочно не принять меры – можно потерять весь том. Поэтому, (см. выше) с томом RAID5 следует обязательно использовать диск Hot Spare.

Помимо базовых уровней RAID0 - RAID5, описанных в стандарте, существуют комбинированные уровни RAID10, RAID30, RAID50, RAID15, которые различные производители интерпретируют каждый по-своему.

Суть таких комбинаций вкратце заключается в следующем. RAID10 – это сочетание единички и нолика (см. выше). RAID50 – это объединение по “0” томов 5-го уровня. RAID15 – «зеркало» «пятерок». И так далее.

Таким образом, комбинированные уровни наследуют преимущества (и недостатки) своих «родителей». Так, появление «нолика» в уровне RAID 50 нисколько не добавляет ему надежности, но зато положительно отражается на производительности. Уровень RAID 15 , наверное, очень надежный, но он не самый быстрый и, к тому же, крайне неэкономичный (полезная емкость тома составляет меньше половины объема исходного дискового массива).

RAID 6 отличается от RAID 5 тем, что в каждом ряду данных (по-английски stripe ) имеет не один, а два блока контрольных сумм. Контрольные суммы – «многомерные», т.е. независимые друг от друга, поэтому даже отказ двух дисков в массиве позволяет сохранить исходные данные. Вычисление контрольных сумм по методу Рида-Соломона требует более интенсивных по сравнению с RAID5 вычислений, поэтому раньше шестой уровень практически не использовался. Сейчас он поддерживается многими продуктами, так как в них стали устанавливать специализированные микросхемы, выполняющие все необходимые математические операции.

Согласно некоторым исследованиям, восстановление целостности после отказа одного диска на томе RAID5, составленном из дисков SATA большого объема (400 и 500 гигабайт), в 5% случаев заканчивается утратой данных. Другими словами, в одном случае из двадцати во время регенерации массива RAID5 на диск резерва Hot Spare возможен выход из строя второго диска... Отсюда рекомендации лучших RAIDоводов: 1) всегда делайте резервные копии; 2) используйте RAID6 !

Недавно появились новые уровни RAID1E, RAID5E, RAID5EE. Буква “Е” в названии означает Enhanced .

RAID level-1 Enhanced (RAID level-1E) комбинирует mirroring и data striping. Эта смесь уровней 0 и 1 устроена следующим образом. Данные в ряду распределяются точь-в-точь так, как в RAID 0. То есть ряд данных не имеет никакой избыточности. Следующий ряд блоков данных копирует предыдущий со сдвигом на один блок. Таким образом как и в стандартном режиме RAID 1 каждый блок данных имеет зеркальную копию на одном из дисков, поэтому полезный объем массива равен половине суммарного объема входящих в массив жестких дисков. Для работы RAID 1E требуется объединение трех или более дисков.

Мне очень нравится уровень RAID1E. Для мощной графической рабочей станции или даже для домашнего компьютера – оптимальный выбор! Он обладает всеми достоинствами нулевого и первого уровней – отличная скорость и высокая надежность.

Перейдем теперь к уровню RAID level-5 Enhanced (RAID level-5E) . Это то же самое что и RAID5, только со встроенным в массив резервным диском spare drive . Это встраивание производится следующим образом: на всех дисках массива оставляется свободным 1/N часть пространства, которая при отказе одного из дисков используется в качестве горячего резерва. За счет этого RAID5E демонстрирует наряду с надежностью лучшую производительность, так как чтение/запись производится параллельно с бОльшего числа накопителей одновременно и spare drive не простаивает, как в RAID5. Очевидно, что входящий в том резервный диск нельзя делить с другими томами (dedicated vs. shared). Том RAID 5E строится минимум на четырех физических дисках. Полезный объем логического тома вычисляется по формуле N-2.

RAID level-5E Enhanced (RAID level-5EE) подобен уровню RAID level-5E, но он имеет более эффективное распределение spare drive и, как следствие, – более быстрое время восстановления. Как и уровень RAID5E, этот уровень RAID распределяет в рядах блоки данных и контрольных сумм. Но он также распределяет и свободные блоки spare drive, а не просто оставляет под эти цели часть объема диска. Это позволяет уменьшить время, необходимое на реконструкцию целостности тома RAID5EE. Входящий в том резервный диск нельзя делить с другими томами – как и в предыдущем случае. Том RAID 5EE строится минимум на четырех физических дисках. Полезный объем логического тома вычисляется по формуле N-2.

Как ни странно, никаких упоминаний об уровне RAID 6E на просторах Интернета я не нашел - пока такой уровень никем из производителей не предлагается и даже не анонсируется. А ведь уровень RAID6E (или RAID6EE?) можно предложить по тому же принципу, что и предыдущий. Диск HotSpare обязательно должен сопровождать любой том RAID, в том числе и RAID 6. Конечно, мы не потеряем информацию при выходе из строя одного или двух дисков, но начать регенерацию целостности массива крайне важно как можно раньше, чтобы скорее вывести систему из «критического» режима. Поскольку необходимость диска Hot Spare для нас не подлежит сомнению, логичным было бы последовать дальше и «размазать» его по тОму так, как это сделано в RAID 5EE, чтобы получить преимущества от использования бОльшего количества дисков (лучшая скорость на чтении-записи и более быстрое восстановление целостности).

Уровни RAID в «числах».

В таблицу я собрал некоторые важные параметры почти всех уровней RАID, чтобы можно было сопоставить их между собой и четче понять их суть.

Все «зеркальные» уровни – RAID 1, 1+0, 10, 1E, 1E0.

Давайте еще раз попробуем досконально разобраться, чем же различаются эти уровни?

RAID 1.
Это – классическое «зеркало». Два (и только два!) жестких диска работают как один, являясь полной копией друг друга. Выход из строя любого из этих двух дисков не приводит к потере ваших данных, так как контроллер продолжает работу с оставшимся диском. RAID1 в цифрах: двукратная избыточность, двукратная надежность, двукратная стоимость. Производительность на запись эквивалентна производительности одного жесткого диска. Производительность чтения выше, так как контроллер может распределять операции чтения между двумя дисками.

RAID 10.
Суть этого уровня в том, что диски массива объединяются парами в «зеркала» (RAID 1), а затем все эти зеркальные пары в свою очередь объединяются в общий массив с чередованием (RAID 0). Именно поэтому его иногда обозначают как RAID 1+0 . Важный момент – в RAID 10 можно объединить только четное количество дисков (минимум – 4, максимум – 16). Достоинства: от "зеркала" наследуется надежность, от «нуля» – производительность как на чтение, так и на запись.

RAID 1Е.
Буква "E" в названии означает "Enhanced", т.е. "улучшенный". Принцип этого улучшения следующий: данные блоками "чередуются" ("striped") на все диски массива, а потом еще раз "чередуются" со сдвигом на один диск. В RAID 1E можно объединять от трех до 16 дисков. Надежность соответствует показателям "десятки", а производительность за счет большего "чередования" становится чуть лучше.

RAID 1Е0.
Этот уровень реализуется так: мы создаем "нулевой" массив из массивов RAID1E. Следовательно, общее количество дисков должно быть кратно трем: минимум три и максимум – шестьдесят! Преимущество в скорости при этом мы вряд ли получим, а сложность реализации может неблагоприятно отразиться на надежности. Главное достоинство – возможность объединить в один массив очень большое (до 60) количество дисков.

Сходство всех уровней RAID 1X заключается в их показателях избыточности: ради реализации надежности жертвуется ровно 50% суммарной емкости дисков массива.

Если вы когда-либо задумывались о приобретении серверов или NAS хранилищ, то вы наверняка слышали магический термин “RAID”. RAID расшифровывается как Redundant Array of Independent Disks - избыточный массив независимых дисков. Вообще, системы с RAID используют два или более жестких дисков или для того, чтоб улучшить производительность, или для повышения отказоустойчивости, или для того и другого вместе. Отказоустойчивость, в этом случае означает то, что оборудование (например, сервер) сможет работать и данные не потеряются даже в том случае, если один (или даже больше) из дисков вышел из строя.

Для того, чтобы понять как именно RAID помогает улучшить производительность и отказоустойчивость, нужно разобраться какие бывают уровни RAID. Уровень RAID зависит от того, сколько дисков в массиве, насколько критична возможная поломка диска, насколько важна скорость работы системы. Например, для бизнес-приложений гораздо важнее сохранность данных в случае выхода компонентов из строя, а для домашних пользователей, возможно, скорость будет решающим фактором. Уровни RAID представляют разные комбинации баланса производительности, отказоустойчивости и стоимости решения.

Обзор технологии RAID

Как правило, RAID используется в компаниях, где отказоустойчивость и производительность – не роскошь, а необходимость. Серверы и NAS-хранилища, в большинстве случаев оснащены так называемыми RAID-контроллерами – аппаратными модулями, которые управляют массивами из SATA или SSD дисков. Также, в большинстве современных операционных систем поддерживается программный RAID, где управление дисками и массивами осуществляется силами самой операционной системы.

Какой уровень RAID нужен мне?

Как уже говорилось, существует несколько уровней RAID, в зависимости от того, чего хочется достичь – большей производительности, большей надежности или и того и другого. Также важно, используется аппаратный или программный RAID. Программный RAID поддерживает не все уровни, а в случае использования аппаратного – нужно подумать о выборе соответствующего контроллера.

Самые распространенные уровни RAID.

RAID0 – используется для повышения производительности. Также известен как массив с «чередованием». Это означает, что поток данных как-бы делится на несколько дисков, вместо того, чтоб все время использовать один. Таким образом достигается «параллельность» чтения или записи, что ускоряет работу. Для RAID0 нужно минимум два диска. RAID0 поддерживается как аппаратными, так и программными решениями. Недостаток RAID0 в том, что нет никакой отказоустойчивости – при выходе из строя любого диска теряется информация.

RAID1 – используется для повышения надежности. Также известен как массив с «зеркалированием». Из названия понятно, что в случае RAID1 информация одновременно записывается на два диска, получается две копии данных – два «зеркала». В случае отказа одного из дисков второй продолжает работать и данные не теряются. Это самый простой и относительно недорогой способ повысить отказоустойчивость. Минусом такого решения является небольшое уменьшение производительности. Для RAID1 требуется минимум два диска. RAID1 можно собрать как программно, так и с помощью аппаратного контроллера.

RAID5 – наверное, самая распространенная конфигурация RAID. RAID5 обеспечивает лучшую производительность, чем «зеркалирование», к тому же обеспечивая и отказоустойчивость. В конфигурации RAID5 блоки данных и так называемая четность (дополнительный блок данных для восстановления) записываются последовательно на три или более дисков. При отказе одного из дисков данные восстанавливаются из оставшихся блоков и четности автоматически и незаметно. Естественно, в таком случае система остается полностью работоспособной. Другим плюсом RAID5 является «горячая замена» - возможность менять любой из дисков не прерывая работы системы (сервера или хранилища). Негативным моментом использования RAID5 является резкое снижение производительности во время восстановления информации на вновь замененном диске. Также RAID5 в принципе требователен к вычислительным ресурсам, поэтому рекомендуется использовать аппаратный контроллер, хотя программными способами RAID5 создать тоже возможно.

RAID10 – комбинация RAID1 и RAID0. Сочетает «зеркалирование» RAID1 и «чередование» RAID0. Обеспечивает хорошую производительность и отказоустойчивость, однако достаточно дорог, ибо требует минимум четыре диска и общая емкость массива будет равна половине емкости физических дисков.

Существуют и другие уровни RAID – RAID2, RAID4, RAID7, RAID50, RAID01, в большинстве - они являются специфическими комбинациями и вариантами уже описанных конфигураций. Для малого бизнеса и типичных решений самыми распространенными являются уровни 0, 1, 5 и 10.

Стоит упомянуть, что в случае использования дисков разной емкости массив будет равен емкости наименьшего диска. Например, емкость RAID1 из двух дисков 1000 Гб и 500 Гб будет равна 500 Гб. Совершенно естественно, что для RAID рекомендуется использовать диски одинаковой емкости.

Также, из соображений производительности и надежности, рекомендуется использовать диски одинаковой модели и желательно в пределах одной партии. Разные диски, тем более разных производителей, могут изнашиваться и провоцировать задержки совершенно непредсказуемо.

Полезно помнить, что RAID не заменяет резервное копирование. RAID может быть отличным способом повышения надежности и производительности, но это лишь часть стратегии восстановления данных.

RAID – аббревиатура, расшифровываемая как Redundant Array of Independent Disks – “отказоустойчивый массив из независимых дисков” (раньше иногда вместо Independent использовалось слово Inexpensive). Концепция структуры, состоящей из нескольких дисков, объединенных в группу, обеспечивающую отказоустойчивость родилась в 1987 году в основополагающей работе Паттерсона, Гибсона и Катца.

Исходные типы RAID-массивов

RAID-0
Если мы считаем, что RAID это “отказоустойчивость”(Redundant…), то RAID-0 это “нулевая отказоустойчивость”, отсутствие ее. Структура RAID-0 это “массив дисков с чередованием”. Блоки данных поочередно записываются на все входящие в массив диски, по порядку. Это повышает быстродействие, в идеале во столько раз, сколько дисков входит в массив, так как запись распараллеливается между несколькими устройствами.
Однако во столько же раз снижается надежность, поскольку данные будут потеряны при выходе из строя любого из входящих в массив дисков.

RAID-1
Это так называемое “зеркало”. Операции записи производятся на два диска параллельно. Надежность такого массива выше, чем у одиночного диска, однако быстродействие повышается незначительно (или не повышается вовсе).

RAID-10
Попытка объединить достоинства двух типов RAID и лишить их присущих им недостатков. Если взять группу RAID-0 с повышенной производительностью, и придать каждому из них (или массиву целиком) “зеркальные” диски для защиты данных от потери в результате выхода из строя, мы получим отказоустойчивый массив с повышенным, в результате использования чередования, быстродействием.
На сегодняшний день “в живой природе” это один из наиболее популярных типов RAID.
Минусы – мы платим за все вышеперечисленные достоинства половиной суммарной емкости входящих в массив дисков.

RAID-2
Остался полностью теоретическим вариантом. Это массив, в котором данные кодируются помехоустойчивым кодом Хэмминга, позволяющим восстанавливать отдельные сбойные фрагменты за счет его избыточности. Кстати различные модификации кода Хэмминга, а также его наследников, используются в процессе считывания данных с магнитных головок жестких дисков и оптических считывателей CD/DVD.

RAID-3 и 4
“Творческое развитие” идеи защиты данных избыточным кодом. Код Хэмминга незаменим в случае “постоянно недостоверного” потока, насыщенного непрерывными слабопредсказуемыми ошибками, такого, например, как зашумленный эфирный канал связи. Однако в случае жестких дисков основная проблема не в ошибках считывания (мы считаем, что данные выдаются жесткими дисками в том виде, в каком мы их записали, если уж он работает), а в выходе из строя целиком диска.
Для таких условий можно скомбинировать схему с чередованием (RAID-0) и для защиты от выхода из строя одного из дисков дополнить записываемую информацию избыточностью, которая позволит восстановить данные при потере какой-то ее части, выделив под это дополнительный диск.
При потере любого из дисков данных мы можем восстановить хранившиеся на нем данные путем несложных математических операций над данными избыточности, в случае выходя из строя диска с данными избыточности мы все равно имеем данные, считываемые с дискового массива типа RAID-0.
Варианты RAID-3 и RAID-4 отличаются тем, что в первом случае чередуются отдельные байты, а во втором – группы байт, “блоки”.
Основным недостатком этих двух схем является крайне низкая скорость записи на массив, поскольку каждая операция записи вызывает обновление “контрольной суммы”, блока избыточности для записанной информации. Очевидно, что, несмотря на структуру с чередованием, производительность массива RAID-3 и RAID-4 ограничена производительностью одного диска, того, на котором лежит “блок избыточности”.

RAID-5
Попытка обойти это ограничение породила следующий тип RAID, в настоящее время он получил, наряду с RAID-10, наибольшее распространение. Если запись на диск “блока избыточности” ограничивает весь массив, давайте его тоже размажем по дискам массива, сделаем для этой информации невыделенный диск, тем самым операции обновления избыточности окажутся распределенными по всем дискам массива. То есть мы также как и в случае RAID-3(4) берем дисков для хранения N информации в количестве N + 1 диск, но в отличие от Type 3 и 4 этот диск также используется для хранения данных вперемешку с данными избыточности, как и остальные N.
Недостатки? А как же без них. Проблема с медленной записью отчасти была решена, но все же не полностью. Запись на массив RAID-5 осуществляется, тем не менее, медленнее, чем на массив RAID-10. Зато RAID-5 более “экономически эффективен”. Для RAID-10 мы платим за отказоустойчивость ровно половиной дисков, а в случае RAID-5 это всего один диск.

Однако скорость записи снижается пропорционально увеличению количества дисков в массиве (в отличие от RAID-0, где она только растет). Это связано с тем, что при записи блока данных массиву нужно заново рассчитать блок избыточности, для чего прочитать остальные “горизонтальные” блоки и пересчитать в соответствии с их даными блок избыточности. То есть на одну операцию записи массив из 8 дисков (7 дисков данных + 1 дополнительный) будет делать 6 операций чтения в кэш (остальные блоки данных со всех дисков, чтобы рассчитать блок избыточности), вычислять из этих блоков блок избыточности, и делать 2 записи (запись блока записываемых данных и перезапись блока избыточности). В современных системах частично острота снимается за счет кэширования, но тем не менее удлиннение группы RAID-5 хотя и вызывает пропорциональное увеличение скорости чтения, но также и соответственное ему снижение скорости записи.
Ситуация со снижением производительности при записи на RAID-5 иногда порождает любопытный экстремизм, например, http://www.baarf.com/ ;)

Тем не менее, поскольку RAID-5 есть наиболее эффективная RAID-структура с точки зрения расхода дисков на “погонный мегабайт” он широко используется там, где снижение скорости записи не является решающим параметром, например для долговременного хранения данных или для данных, преимущественно считываемых.
Отдельно следует упомянуть, что расширение дискового массива RAID-5 добавлением дополнительного диска вызывает полное пересчитывание всего RAID, что может занимать часы, а в отдельных случаях и дни, во время которых производительность массива катастрофически падает.

RAID-6
Дальнейшее развитие идеи RAID-5. Если мы рассчитаем дополнительную избыточность по иному нежели применяемому в RAID-5 закону, то мы сможем сохранить доступ к данным при отказе двух дисков массива.
Платой за это является дополнительный диск под данные второго “блока избыточности”. То есть для хранения данных равных объему N дисков нам нужно будет взять N + 2 диска.Усложняется “математика” вычисления блоков избыточности, что вызывает еще большее снижение скорости записи по сравнению с RAID-5, зато повышается надежность. Причем в ряде случаев она даже превышает уровень надежности RAID-10. Нетрудно увидеть, что RAID-10 тоже выдерживает выход из строя двух дисков в массиве, однако в том случае, если эти диски принадлежат одному “зеркалу” или разным, но при этом не двум зеркальным дискам. А вероятность именно такой ситуации никак нельзя сбрасывать со счета.

Дальнейшее увеличение номеров типов RAID происходит за счет “гибридизации”, так появляются RAID-0+1 ставший уже рассмотренным RAID-10, или всяческие химерические RAID-51 и так далее.
В живой природе к счастью не встречаются, обычно оставаясь “сном разума” (ну, кроме уже описанного выше RAID-10).

Теперь посмотрим какие есть виды и чем они отличаются.

Калифорнийский университет в Беркли представилследующие уровни спецификации RAID, которые были приняты как стандарт де-факто:

• RAID 0 - дисковый массив повышенной производительности с чередованием, без отказоустойчивости;
• - зеркальный дисковый массив;
• RAID 2 зарезервирован для массивов, которые применяют код Хемминга;
• RAID 3 и 4 - дисковые массивы с чередованием и выделенным диском чётности;
• - дисковый массив с чередованием и «невыделенным диском чётности»;
• - дисковый массив с чередованием, использующий две контрольные суммы, вычисляемые двумя независимыми способами;
• - массив RAID 0, построенный из массивов RAID 1;
• - массив RAID 0, построенный из массивов RAID 5;
• - массив RAID 0, построенный из массивов RAID 6.

Аппаратный RAID-контроллер может поддерживать несколько разных RAID-массивов одновременно, суммарное количество жёстких дисков которых не превышает количество разъёмов для них. При этом контроллер, встроенный 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.

RAID 0 (striping - «чередование» )

Режим, при использовании которого достигается максимальная производительность. Данные равномерно распределяются по дискам массива, дискиобъединяются в один, который может быть размечен на несколько. Распределенные операции чтения и записи позволяют значительно увеличить скорость работы, поскольку несколько дисков одновременно читают/записывают свою порцию данных. Пользователю доступен весь объем дисков, но это снижает надежность хранения данных, поскольку при отказе одного из дисков массив обычно разрушается и восстановить данные практически невозможно. Область применения - приложения, требующие высоких скоростей обмена с диском, например видеозахват, видеомонтаж. Рекомендуется использовать с высоконадежными дисками.

(mirroring - «зеркалирование» )

массив из двух дисков, являющихся полными копиями друг друга. Не следует путать с массивами RAID 1+0, RAID 0+1 и RAID 10, в которых используется более двух дисков и более сложные механизмы зеркалирования.

Обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения при распараллеливании запросов.

Имеет высокую надёжность - работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве. Вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна произведению вероятностей отказа каждого диска, т.е. значительно ниже вероятности выхода из строя отдельного диска. На практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры - вновь восстанавливать избыточность. Для этого с любым уровнем RAID (кроме нулевого) рекомендуют использовать диски горячего резерва.

Похожий на RAID10 вариант распределения данных по дискам, допускающий использование нечётного числа дисков (минимальное количество - 3)

RAID 2, 3, 4

различные варианты распределенного хранения данных с дисками, выделенными под коды четности и различными размерами блока. В настоящее время практически не используются из-за невысокой производительности и необходимости выделять много дисковой емкости под хранение кодов ЕСС и/или четности.

Основным недостатком уровней RAID от 2-го до 4-го является невозможность производить параллельные операции записи, так как для хранения информации о чётности используется отдельный контрольный диск. RAID 5 не имеет этого недостатка. Блоки данных и контрольные суммы циклически записываются на все диски массива, нет асимметричности конфигурации дисков. Под контрольными суммами подразумевается результат операции XOR (исключающее или). Xor обладает особенностью, которая даёт возможность заменить любой операнд результатом, и, применив алгоритм xor , получить в результате недостающий операнд. Например: a xor b = c (где a , b , c - три диска рейд-массива), в случае если a откажет, мы можем получить его, поставив на его место c и проведя xor между c и b : c xor b = a. Это применимо вне зависимости от количества операндов: a xor b xor c xor d = e . Если отказывает c тогда e встаёт на его место и проведя xor в результате получаем c : a xor b xor e xor d = c . Этот метод по сути обеспечивает отказоустойчивость 5 версии. Для хранения результата xor требуется всего 1 диск, размер которого равен размеру любого другого диска в raid.

Достоинства

RAID5 получил широкое распространение, в первую очередь, благодаря своей экономичности. Объём дискового массива RAID5 рассчитывается по формуле (n-1)*hddsize, где n - число дисков в массиве, а hddsize - размер наименьшего диска. Например, для массива из четырех дисков по 80 гигабайт общий объём будет (4 - 1) * 80 = 240 гигабайт. На запись информации на том RAID 5 тратятся дополнительные ресурсы и падает производительность, так как требуются дополнительные вычисления и операции записи, зато при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких дисков массива могут обрабатываться параллельно.

Недостатки

Производительность RAID 5 заметно ниже, в особенности на операциях типа Random Write (записи в произвольном порядке), при которых производительность падает на 10-25% от производительности RAID 0 (или RAID 10), так как требует большего количества операций с дисками (каждая операция записи, за исключением так называемых full-stripe write-ов, сервера заменяется на контроллере RAID на четыре - две операции чтения и две операции записи). Недостатки RAID 5 проявляются 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 RAID-0 с соответствующим количеством дисков (то есть в n раз ниже надежности одиночного диска). Если до полного восстановления массива произойдет выход из строя, или возникнет невосстановимая ошибка чтения хотя бы на еще одном диске, то массив разрушается, и данные на нем восстановлению обычными методами не подлежат. Следует также принять во внимание, что процесс RAID Reconstruction (восстановления данных RAID за счет избыточности) после выхода из строя диска вызывает интенсивную нагрузку чтения с дисков на протяжении многих часов непрерывно, что может спровоцировать выход какого-либо из оставшихся дисков из строя в этот наименее защищенный период работы RAID, а также выявить ранее не обнаруженные сбои чтения в массивах cold data (данных, к которым не обращаются при обычной работе массива, архивные и малоактивные данные), что повышает риск сбоя при восстановлении данных.

Минимальное количество используемых дисков равно трём.

RAID 6 - похож на RAID 5, но имеет более высокую степень надёжности - под контрольные суммы выделяется ёмкость 2-х дисков, рассчитываются 2 суммы по разным алгоритмам. Требует более мощный RAID-контроллер. Обеспечивает работоспособность после одновременного выхода из строя двух дисков - защита от кратного отказа. Для организации массива требуется минимум 4 диска. Обычно использование RAID-6 вызывает примерно 10-15% падение производительности дисковой группы, относительно RAID 5, что вызвано большим объёмом обработки для контроллера (необходимость рассчитывать вторую контрольную сумму, а также читать и перезаписывать больше дисковых блоков при записи каждого блока).

RAID 0+1

Под RAID 0+1 может подразумеваться в основном два варианта:

• два RAID 0 объединяются в RAID 1;
• в массив объединяются три и более диска, и каждый блок данных записывается на два диска данного массива; таким образом, при таком подходе, как и в «чистом» RAID 1, полезный объём массива составляет половину от суммарного объёма всех дисков (если это диски одинаковой ёмкости).

RAID 10 (1+0)

RAID 10 - зеркалированный массив, данные в котором записываются последовательно на несколько дисков, как вRAID 0. Эта архитектура представляет собой массив типа RAID 0, сегментами которого вместо отдельных дисков являются массивы RAID 1. Соответственно, массив этого уровня должен содержать как минимум 4 диска (и всегда чётное количество). RAID 10 объединяет в себе высокую отказоустойчивость и производительность.

Утверждение, что RAID 10 является самым надёжным вариантом для хранения данных вполне обосновано тем, что массив будет выведен из строя после выхода из строя всех накопителей в одном и том же массиве. При одном вышедшем из строя накопителе, шанс выхода из строя второго в одном и том же массиве равен 1/3*100=33%. RAID 0+1 выйдет из строя при двух накопителях, вышедших из строя в разных массивах. Шанс выхода из строя накопителя в соседнем массиве равен 2/3*100=66%, однако так как накопитель в массиве с уже вышедшим из строя накопителем уже не используется, то шанс того, что следующий накопитель выведет из строя массив целиком равен 2/2*100=100%

массив, аналогичный RAID5, однако кроме распределенного хранения кодов четности используется распределение резервных областей - фактически задействуется жесткий диск, который можно добавить в массив RAID5 в качестве запасного (такие массивы называют 5+ или 5+spare). В RAID 5 массиве резервный диск простаивает до тех пор, пока не выйдет из строя один из основных жестких дисков, в то время как в RAID 5EE массиве этот диск используется совместно с остальными HDD все время, что положительно сказывается на производительность массива. К примеру, массив RAID5EE из 5 HDD сможет выполнить на 25% больше операций ввода/вывода за секунду, чем RAID5 массив из 4 основных и одного резервного HDD. Минимальное количество дисков для такого массива - 4.

объединение двух(или более, но это крайне редко применяется) массивов RAID5 в страйп, т.е. комбинация RAID5 и RAID0, частично исправляющая главный недостаток RAID5 - низкую скорость записи данных за счёт параллельного использования нескольких таких массивов. Общая ёмкость массива уменьшается на ёмкость двух дисков, но, в отличие от RAID6, без потери данных такой массив переносит отказ лишь одного диска, а минимально необходимое число дисков для создания массива RAID50 равно 6. Наряду с RAID10, это наиболее рекомендуемый уровень RAID для использования в приложениях, где требуется высокая производительность в сочетании приемлемой надёжностью.

объединение двух массивов RAID6 в страйп. Скорость записи повышается примерно в два раза, относительно скорости записи в RAID6. Минимальное количество дисков для создания такого массива - 8. Информация не теряется при отказе двух дисков из каждого RAID 6 массива