Основы технологии RAID
8.3. Основы технологии RAID
Контроллеры RAID обычно называют адаптерами дисковых массивов (DAA — Disk Array Adapter). Это специализированные устройства, разработанные для обеспечения работы совокупностей дисковых накопителей массивов. Большинство RAID контроллеров работает в стандарте SCSI, но существует и контроллер FastTrack66 фирмы Promise Technologies, к которому можно подключить массив из жестких дисков типа UDMA/66/100/133. Практически во всех контроллерах имеется собственная BIOS, обеспечивающая взаимодействие с отдельными накопителями (вплоть до UDMA/66/100/133). В BIOS, как правило, предусмотрена программа настройки (аналогичная программе настройки параметров системной BIOS), позволяющая настраивать функции RAID контроллера традиционным способом сохранения ценной информации является резервное копирование — длительная и утомительная процедура переноса содержимого жесткого диска на магнитную ленту или другие носители. Этот метод вполне оправдан, и его надежность не вызывает сомнений — но лишь при условии соблюдения всех правил и требований. Нередко пользователи забывают делать резервные копии или делают это неправильно. Даже при автоматизации этого процесса на определенных этапах требуется вмешательство человека. Несмотря на принимаемые меры, нередко при неисправностях жестких дисков часть данных все таки теряется. Одним словом, резервное копирование данных — отнюдь не панацея от всех бед. К счастью, разработчики аппаратуры достаточно быстро поняли, что контроллер, способный записывать данные в один накопитель, может с таким же успехом записывать их одновременно и в два устройства. То есть ничто не мешает вам всегда иметь под рукой несколько абсолютно идентичных копий данных в разных накопителях. Если один из них основной выйдет из строя, то данные могут быть считаны с другого (запасного) накопителя. В этом и заключается основная идея использования дисковых массивов с избыточностью (RAID).
Для них нужен соответствующий контроллер (например, FastTrack фирмы Promise Technologies для накопителей UDMA/66/100/133) и некоторое количество запасных жестких дисков для хранения копий данных. При этом дополнительные накопители не расширяют дисковое пространство системы, а только дублируют основные устройства, потребляя дополнительную энергию от блока питания и занимая место в корпусе компьютера. Обычные пользователи редко используют такой дорогостоящий способ защиты своих данных. Массивы RAID чаще всего устанавливают в серверах и активно эксплуатируемых рабочих станциях. Далее рассмотрим основные концепции технологии RAID, а также описышим некоторые особенности установки и настройки дисковых массивов.
8.3.1. Дисковые массивы
Дисковый массив представляет собой группу из двух или более жестких дисков, которые воспринимаются системой как один накопитель. Преимущества массива заключаются в большей производительности и повышенной надежности хранения данных. Производительность повышается за счет распределения нагрузки в процессе обмена данными между несколькими физическими устройствами. Повышение надежности достигается за счет избыточности операций с данными. Это означает, что в случае отказа или ошибки при считывании на одном или нескольких накопителях копия данных может быть найдена на другом или на других жестких дисках. Для получения оптимального результата необходимо формировать массив из идентичных жестких дисков. Накопители с одинаковыми характеристиками лучше работают в единой “команде”. Отдельные жесткие диски, входящие в состав массива, называются его элементами. В резервных секторах каждого жесткого диска записывается конфигурационная информация, позволяющая идентифицировать его как элемент данного массива.
8.3.2. Резервный сектор
На каждом жестком диске массива в определенном месте, называемом резервным сектором, записывается важная информация. В этой области хранятся данные о конфигурации массива, причем не только сведения, относящиеся к данному накопителю, но и данные, описывающие все остальные накопители, входящие в состав RAID. Если данные, из резервного сектора какого либо элемента массива будут повреждены или потеряны, то их можно будет восстановить из избыточных копий, хранящихся на других дисках. Как правило, в массивах все диски равноправны. Вы можете подключать накопители к любым разъемам RAID контроллера без перенастройки массива.
8.3.3.Типы дисковых массивов
Типичный RAID контроллер может обеспечивать четыре основных режима работы массива: расщепление, дублирование, расщепление/дублированием связывание. От выбора режима зависит емкость массива, его быстродействие и надежность хранения данных. Чтобы оценить возможности технологии RAID, необходимо более детально познакомиться с основными режимами работы массивов.
Рекомендуемые материалы
8.3.3.1. Расщепление (режим RAID О)
В режиме расщепления секторы данных распределяются вперемежку между несколькими элементами массива, в результате чего из двух или более жестких дисков формируется один большой массив. Расщепление — это метод увеличения быстродействия массива по сравнению с одиночным накопителем, не сказывающийся, однако, на надежности хранения данных. Быстродействие в этом режиме повышается за счет того, что все операции с данными распределяются между элементами массива, т.е. во всех накопителях одновременно выполняется считывание или запись своей порции данных. Массивы такого типа используются в высокопроизводительных системах. Для достижения лучшей производительности (и большей эффективности хранения данных) в массивах рекомендуется использовать идентичные накопители. Общая емкость дискового массива равна количеству его элементов, умноженному на емкость наименьшего накопителя. Например, емкость массива, состоящего из одного диска емкостью 1 Гбайт и трех дисков емкостью по 1,2 Гбайт, составит 4 Гбайт (4х 1 Гбайт). Недостатком режима RAID 0 является отсутствие избыточности — отказ одного из дисков приведет к выходу из строя всего массива, поскольку некоторая часть общего “накопителя” будет потеряна.
8.3.3.2. Дублирование (режим RAID-1)
В режиме дублирования запись информации происходит одновременно на два диска, а считывание ведется параллельно с двух накопителей (за счет чего повышается быстродействие массива). Достоинством режима RAID 1 является повышенная надежность хранения данных, поскольку в массив записываются две их копии, а каждый элемент массива подключается к отдельному разъему. RAID-контроллер (в частности, FastTrack66) выполняет считывание данных, распределяя операции между отдельными накопителями таким образом, чтобы увеличить эффективность работы массива по сравнению с одиночным жестким диском. После прихода запроса на считывание данных контроллер выберет тот накопитель, головки записи/воспроизведения которого окажутся на данный момент ближе к требуемым данным, одновременно отдавая команду незанятому диску подготовиться к чтению следующей порции данных.
Если один из элементов массива выйдет из строя из за механической неисправности (например, отказа шпиндельного двигателя) или перестанет отвечать на запросы, то оставшийся исправным накопитель продолжит функционировать. Это свойство дискового массива называется отказоустойчивостью. Если в одном из накопителей возникнет ошибка при считывании сектора, то данные будут ”позаимствованы” с дублирующего диска. При следующей загрузке компьютера программа обслуживания RAID системы выдаст сообщение о неисправности в дисковом массиве и порекомендует заменить неисправный накопитель. Вы, конечно, можете проигнорировать это предупреждение и продолжить работу, хотя лучше все-таки постараться заменить неисправный диск как можно быстрее.
Наличие избыточности приводит к тому, что емкость массива дисков оказывается равной половине суммарной емкости входящих в него отдельных дисков. Например, два накопителя емкостью по 1 Гбайт каждый образуют массив дисков емкостью в 1 Гбайт. При использовании накопителей разной емкости часть дискового пространства большего из них может остаться неиспользованной.
8.3.3.3. Резервный диск
Обратите внимание на лекцию "Функции сетевого уровня".
В режиме RAID-1 к контроллеру можно подключить дополнительный накопитель, который будет играть роль горячего резерва, не являясь при этом элементом массива. Такой накопитель предназначен для замещения неисправного элемента дискового массива, и при обычной работе находится в состоянии ожидания (например, его шпиндельный двигатель может не вращаться). В большинстве случаев подмена неисправного диска происходит автоматически — на резервное устройство немедленно копируются все данные с работающего накопителя. Впоследствии, выключив компьютер, вы сможете заменить неисправный накопитель новым. Резервный диск должен иметь емкость, равную емкости наименьшего диска массива (поскольку общая емкость массива в режиме RAID-1 определяется именно его наименьшим элементом).
8.3.3.4. Расщепление/дублирование (режим RAID-0+1)
Из названия режима следует, что он является комбинацией двух описанных выше режимов. Этот режим отличается повышенной производительностью за счет распараллеливания операций считывания и записи и надежностью хранения данных (за счет их избыточности). Дисковый массив RAID-0+1 должен состоять, как минимум, из четырех накопителей двух пар. Внутри каждой пары данные расщепляются, и каждая пара является дубликатом другой. В этом режиме емкость массива равна емкости пары расщепленных дисков (половине суммарной емкости всех накопителей), поскольку вторая пара используется для хранения избыточных данных.
8.3.3.5. Связывание дисков
Массив связанных дисков или JBOD (Just a Bunch Of Drives — буквально: просто пачка дисков) представляет собой группу из нескольких накопителей, которые могут иметь разную емкость. В этом режиме происходит последовательное заполнение дисков массива: сначала данными заполняется один накопитель, затем следующий и т.д. В этом режиме не повышается ни производительность системы, ни надежность хранения данных. Если выходит из строя один накопитель, то это сказывается на всем массиве.
Тем не менее, в некоторых случаях этот режим может быть полезен с точки зрения повышения производительности системы. В режиме RAID 0 быстродействие массива зависит от размеров расщепленных блоков данных. Размеры блоков определяются тем, как обычно осуществляются обмены данными с накопителем, т.е. являются ли они, в основном, последовательными или случайными. Если их тип непредсказуем и последовательные и случайные обмены чередуются произвольным образом, то производительность расщепленного массива будет изменяться. В конечном счете, вы можете вообще не получить никакого выигрыша по сравнению с одиночным накопителем. Производительность же связанного массива полностью определяется параметрами отдельного накопителя. Скорость передачи данных в этом случае является более предсказуемой и, кроме того, в связанных массивах допускается использование разнотипных накопителей.
