Уровни RAID: классификация, описание и характеристика

RAID - это способ объединения нескольких независимых и относительно небольших дисков в единую память большого размера. Диски, включенные в массив, являются членами массива. Диски могут быть объединены в массив разными способами, которые называются уровнями RAID. Такой способ используется для повышения надежности или увеличения скорости обмена данными. Аббревиатура RAID впервые появилась в 1988 году в университете Беркли, в статье, написанной Паттерсоном, Гибсоном и Кацем. Ряд статей, написанных этими тремя авторами и другими, определил и классифицировал несколько моделей защиты данных и повышения производительности для дисковых массивов.

RAID 0

Технология RAID 0 применяется для увеличения производительности дисковой системы. При ее использовании данные равномерно небольшими кусочками записываются на каждый жесткий диск, участвующий в создании массива. При этом скорость доступа к данным увеличивается пропорционально количеству носителей информации, участвующих в создании массива, за счет распространения нагрузки ввода-вывода на несколько каналов. При этом емкость системы равна сумме емкостей дисков. Также подобная технология отличается простотой реализации и проектирования.

Недостатком такого способа организации является низкая надежность хранения данных, при поломке одного диска вся информация будет утеряна. Поэтому RAID 0 не рекомендуется использовать в системах, предназначенных для хранения важной информации.

Эта технология может быть использована на компьютерах, предназначенных для редактирования фотографий и видеофайлов, для подготовки материалов на печать и других, выполняющих задачи, требующие высокой пропускной способности дисковой системы.

RAID 1

Массив RAID 1 еще называют зеркальным из-за того, что данные хранятся одновременно на двух или более дисках. Он завоевал популярность благодаря своей простоте и высокому уровню надежности. Такая организация хранения данных обеспечивает увеличение производительности и повышение надежности. Однако при таком способе одинаковая информация хранится на двух дисках, что повышает стоимость хранения.

RAID 1 рекомендуется использовать на ПК, используемых для расчета заработной платы, бухгалтерского учета, работы с финансовыми программами и других задач, требующих высокой надежности.

RAID 2

Организация хранения данных в массиве RAID 2 основана на использовании кода Хэмминга. В таком случае используются отдельные диски для хранения данных и для коррекции ошибок. Рассчитать, сколько дисков требуется для организации массива, можно по следующим формулам: если k — число винчестеров, используемых для коррекции ошибок, то данные будет сберегаться на 2k—k—1 дисков. Всего потребуется 2k—1 винчестеров. Таким способом можно посчитать, что для того, чтобы информацию было выгоднее хранить на RAID 2 по сравнению с массивом RAID 1, потребуется не менее семи винчестеров (4 с информацией и 3 для коррекции ошибок).

Несмотря на то что эта схема организации хранения данных обеспечивает высокую надежность и производительность, она практически не применяется из-за того, что требует большого числа устройств хранения информации.

RAID 3

При таком способе хранения один винчестер нужен для блоков четности, а на остальных находятся данные, разбитые на блоки. При такой организации дискового массива в случае поломки из строя одного винчестера информацию можно восстановить по вспомогательным данным, сберегающимся на других винчестерах. Технология RAID 3 гарантирует высокую скорость передачи и относительную дешевизну. Преимуществом такого способа хранения данных можно назвать высокую производительность при чтении и записи, отказоустойчивость и невысокую стоимость.

Однако из-за частого доступа создается высокая нагрузка на диск, хранящий блоки четности, поэтому его надежность ниже, чем у дисков хранящих данные. Также к недостаткам можно отнести большое потребление вычислительных ресурсов при программной организации массива, и сложность контроллера при аппаратной.

RAID 3 применяют для редактирования изображения, потокового вещания, редактирования видео и других приложений, требующих высокой пропускной способности.

RAID 4

В массивах RAID 4 информация разбивается не на байты, а на блоки, благодаря чему скорость работы с небольшими файлами достаточно высока. Надежность хранения данных обеспечивается, как и для RAID 3, за счет диска, хранящего биты четности. Для организации RAID 4 массивов требуется минимум три жестких диска. К достоинствам данного метода относится хорошая скорость чтения и передачи информации, невысокая стоимость из-за, того что требуется всего один диск для битов четности.

К недостаткам этого способа хранения данных относится сложность контроллера и частые отказы жесткого диска, хранящего блоки четности.

RAID 5

При использовании технологии RAID 5 данные и контрольные суммы хранятся на всех дисках, входящих в массив. Благодаря этому при такой организации памяти становится возможным производить параллельные операции как для чтения, так и для записи информации. В качестве контрольных бит используется результат выполнения операции «исключающее ИЛИ». Наименьшее количество винчестеров необходимых для организации массива, как и в RAID 3, и в RAID 4, равно 3. Посчитать максимальный объем хранимых в массиве данных можно по формуле: (k — 1) * sizeHDD, где k — количество винчестеров, а sizeHDD - емкость одного HDD (если в массиве участвуют разные винчестеры, то берется наименьший). Технология хранения RAID 5 отличается очень высокой производительностью, хорошей надежностью и низкой стоимостью.

При поломке одного из винчестеров, входящих в RAID-массив 5 уровня, надежность хранения информации резко падает. Для восстановления данных требуется большое число циклов чтения и записи, что иногда может привести к поломке других дисков, входящих в массив. Также в процессе восстановления могут появиться ранее неизвестные ошибки (попадаются в информации, к которой редко обращаются), что делает восстановление невозможным. Еще один недостаток - это сложная конструкция контроллера.

RAID 5 - это самый универсальный способ хранения данных. Используется такая организация данных в интернет (www, e-mail), файловых и других серверах.

RAID 6

RAID 6 — это расширение уровня RAID 5, которое обеспечивает дополнительную отказоустойчивость. Для его организации требуется как минимум пять дисков, три для данных и два для информации, нужной для восстановления. Как и в RAID 5, данные и контрольные биты хранятся попеременно на всех дисках. При использовании такой технологии данные останутся целыми даже при поломке любых двух дисков. Однако из-за высоких нагрузок на контроллер производительность такой системы будет ниже примерно на 10-15 %.

RAID 6 — идеальное решение для критически важных приложений.

RAID 7

RAID 7 нельзя назвать самостоятельным уровнем RAID, права на него принадлежат маркой фирме Storage Computer Corporation. При этом способе один жесткий диск нужен для восстановления информации (битов четности), а на остальных записана информация. При записи информации на диск используется технология кэширования, для чего используется ОЗУ компьютера. Для надежной работы массива RAID 7 нужен источник бесперебойного питания, потому что при возникновении проблем с подачей электроэнергии данные могут быть испорчены.

К архитектурным особенностям RAID 7 относится: встроенный управляемый оперативной системой канал связи, высокоскоростная внутренняя шина передачи данных кеша (X-bus), генерация битов четности, интегрированная в кеш. Благодаря этому общая скорость записи на 25-90 % выше, чем у одного винчестера, и в 1,5-6 раз, чем в других уровнях RAID. При увеличении числа жестких дисков, участвующих в массиве, увеличивается производительность записи и уменьшается время доступа к данным.

Однако следует учитывать, что RAID 7- это фирменное решение одного поставщика. Также для предотвращения потери данных необходимо компьютер подключать через ИБП (источник бесперебойного питания).

RAID 0+1 (RAID 01)

Технология RAID 0+1 является комбинацией массивов RAID 0 и RAID 1. Для его реализации требуется не менее четырех винчестеров, на двух будет сберегаться информация, а на двух других их зеркальная копия. При этом обеспечивается неплохая скорость доступа к данным, сопоставимая с RAID 0, и отказоустойчивость, как при использовании технологии RAID 1. Однако общая емкость винчестеров должна быть в два раза больше объема хранимых данных.

Компьютеры с такой организацией хранения данных обычно используются в файловых серверах и для обработки изображения.

RAID 1+0 (RAID 10)

Массив, сделанный по технологии RAID 1+0, организован как зеркальный. Информация в нем разбита на небольшие кусочки и располагается на нескольких жестких дисках. Такая схема организации данных, по сути, является технологией RAID 0, сегменты которого представляют собой RAID 1 массивы. Для организации массива RAID уровня 10 требуется как минимум четыре жестких диска.

Массив RAID 1+0 отличается высокой скоростью работы и очень хорошей надежностью хранения данных. При определенных обстоятельствах массив RAID 1+0 может поддерживать работоспособность, даже если несколько жестких дисков одновременных выйдут из строя.

Недостатком такого способа хранения данных является высокая стоимость и низкая масштабируемость.

Массив RAID 1+0 чаще всего используют в серверах баз данных, для которых важна высокая производительность и отказоустойчивость.

RAID 1E

RAID 1E - это улучшенный массив RAID 1. Он построен как зеркальный массив, но способен работать с нечетным количеством жестких дисков.

Имеются два способа организации массива RAID 1E:

• Near (его еще называют striped). При таком способе хранения данных сначала порция данных записывается на жесткие диски 1 и 2. Еще одна порция - на 3 и 4 винчестеры. В случае, если физические жесткие диски закончились, например, в системе их только три, то запись начинается с первого. То есть в случае трех винчестеров первая порция данных записывается на диски 1 и 2, вторая на 3 и 1 и так далее.
• При использовании способа interleaved запись информации происходит по секторам. При этом в первый сектор записывается информация, а во второй ее полная копия. В момент перехода от одного сектора к следующему номер устройства хранения данных увеличивается на единицу, то есть происходит переход к следующему устройству хранения. Данные хранятся в таком порядке: на первом диске в первом секторе записана первая порция данных, а на втором диске во втором секторе их полная копия. Следующая порция данных записывается на первый сектор второго диска и второй сектор третьего винчестера.

Для организации массива RAID 1E требуется как минимум три устройства хранения данных.

Преимуществами такого способа являются высокая производительность, небольшое время доступа и возможность использования зеркального хранения информации на нечетном количестве устройств.

К недостаткам можно отнести высокие расходы на хранение данных (как и в RAID 1, для хранения данных используется только половина суммарной емкости всех жестких дисков), допускается отказ только одного из устройств хранения информации, поэтому при использовании четного количества винчестеров рекомендуется использовать RAID 10.

Реализация

RAID можно создать двумя разными способами:

• С использованием драйверов операционной системы, такой способ называется программный RAID.
• С использованием специального оборудования, такой способ называется аппаратный RAID.

Программная реализация

Программная поддержка уровней RAID является одним из самых недорогих способов создания RAID массива. В настоящее время практически любая операционная система имеет встроенную возможность создания RAID, хотя и не для всех уровней RAID.

Домашние релизы Windows позволяют создавать только RAID 0, тогда как RAID 1 и RAID 5 могут быть созданы только с использованием серврных выпусков Windows. Массив RAID, созданный с помощью Windows, неразрывно связан с операционной системой, поэтому его разделы не могут использоваться для организации двойной загрузки.

Операционные системы на базе linux с ядром 2.5.28 и более поздние поддерживают массивы RAID 0, RAID 1, RAID 4, RAID 5, RAID 6, RAID 10. Загрузка поддерживается при любом способе организации хранения информации.

Операционная система FreeBSD, начиная с версии 7.2, позволяет организовать RAID массив начального уровня 0, 1, 5, 6.

При программной организации RAID используется процессор компьютера, что понижает производительность всей системы. В случае массивов RAID 0 и 1 загрузка процессора незначительна, но для RAID на основе четности (например, RAID 2, RAID 3, RAID 4, RAID 5, RAID6) загрузка процессора может варьироваться от 1 до 5 процентов в зависимости от мощности ЦП и количества винчестеров.

Кроме этого существуют определенные ограничения на использование программного RAID массива для организации загрузки системы. Только RAID 1 может содержать загрузочный раздел. Загрузка системы невозможна при использовании программного RAID 5 и RAID 0.

Аппаратная реализация

Аппаратный RAID создается с использованием специального оборудования. Такой способ хранения данных обладает целым рядом преимуществ по сравнению с аппаратной реализацией:

• не использует процессор компьютера;
• позволяет пользователю создавать загрузочные разделы при любом уровне RAID;
• поддерживает «горячую» замену.

Особенности

Каждый из дисковых массивов и уровней RAID имеет свои индивидуальные характеристики:

• Отказоустойчивость, которая является способностью обеспечить сохранность информации, при выходе из строя одного или нескольких винчестеров.
• Производительность, которая показывает увеличение скорости чтения и записи всего массива по сравнению с одним диском.
• Емкость массива, показывает объем пользовательских данных, которые могут быть записаны на RAID. Емкость зависит от уровня RAID и не всегда соответствует сумме объемов информации, хранимой на винчестерах, входящих в массив.

Краткая характеристика

Чтобы правильно выбрать, какой массив нужен именно вам, ниже приведена краткая характеристика каждого уровня:

• Массив RAID 0: обеспечивает хорошую скорость работы с данными, но низкую отказоустойчивость. Требуется минимум два диска.
• Массив RAID 1: обладает высокой надежностью хранения информации при невысокой скорости работы. Наименьшее количество винчестеров два.
• RAID 2: отличается хорошей скоростью и надежностью сохранения информации, но редко используется, так как для его организации требуется много винчестеров.
• RAID 3: имеет хорошую скоростью доступа и среднюю надежность. Стоимость хранения информации сравнительно невысока.
• RAID 4: имеет хорошую скорость работы, отказоустойчивость и невысокую стоимость хранения данных. Недостаток — сложность аппаратного контроллера.
• RAID 5: обеспечивает высокую скорость и неплохую отказоустойчивость. Считается самым универсальным способом организации сохранения информации.
• RAID 6: гарантирует высокую отказоустойчивость.
• RAID 7: техническое решение от американской компании SCC. Для надежной работы нужно использовать ИБП.
• RAID 01 и RAID 10 являются комбинацией RAID 0 и RAID 1.
• RAID 1Е: является усовершенствованным RAID 1. Это единственный зеркальный массив, который способен работать с нечетным количеством винчестеров.

В зависимости от того, что нужно (высокая производительность, надежность или дешевизна), можно выбрать способ хранения данных, который подойдет именно вам.