Внешняя память - RAID

1. Внешняя память - RAID

RAID — Redundant Array of Independent Disks (избыточный массив независимых
дисководов ).
В основу RAID положена следующая идея : объединяя в массив несколько
небольших
и/или
дешевых
дисководов, можно
получить
систему,
превосходящую по объему, скорости работы и надежности самые дорогие
дисководы. Вдобавок ко всему такая система с точки зрения компьютера
выглядит как один единственный дисковод .
Широкое распространение RAID системы получили только тогда, когда диски,
которые подходят для использования в избыточных массивах стали доступны и
достаточно производительны.
Известно, что среднее время наработки на отказ массива дисководов равно
среднему времени наработки на отказ одиночного дисковода, деленному на
число дисководов в массиве. Поэтому среднее время наработки на отказ массива
оказывается слишком малым для многих приложений. Однако дисковый массив
можно несколькими способами сделать устойчивым к отказу одного дисковода.

2. Внешняя память - RAID

К основным задачам, которые позволяют решить RAID-системы относятся
обеспечение отказоустойчивости
дисковой
системы
и повышение
ее
производительности.
Отказоустойчивость достигается тем, что вводится избыточность. В RAID
объединяется больше дисков, чем это необходимо для получения требуемой
емкости.
Производительность дисковой системы повышается за счет того , что
современные интерфейсы позволяют осуществлять операции записи и считывания
фактически одновременно с несколькими дисками. Поэтому можно рассчитывать,
что скорость записи или чтения, в случае применения RAID, увеличивается
пропорционально количеству дисков, объединяемых в массив.
Возможность одновременной работы с несколькими дисками можно
реализовать двумя способами : с использованием параллельного доступа (parallelaccess array ) и с использованием независимого доступа (independent-access array)

3. Внешняя память - RAID

Для организации параллельного доступа рабочее пространство дисков
размечается на зоны определенного размера (блоки) для размещения данных и
избыточной информации. Информация, подлежащая записи на диски (запрос на
обслуживание), разбивается на такие же по величине блоки, и каждый блок
записывается на отдельный диск. При поступлении запроса на чтение,
необходимая информация собирается из нескольких блоков.
В этом случае скорость записи (чтения) увеличивается пропор-ционально
количеству дисков , объединенных в RAID.

4. Внешняя память - RAID

Для организации независимого доступа рабочее пространство дисков также
размечается на зоны определенного размера ( блоки ). Однако, в отличие от
предыдущего случая, каждый запрос на запись или чтение обслуживается
только одним диском
Естественно, в этом случае скорость записи будет не выше, чем при работе с
одним диском. Однако массив с независимым доступом в каждый момент
времени
может обслуживать одновременно несколько запросов, каждый диск
обслуживает свой запрос.

5. Внешняя память - RAID

Оба
архитектурных
решения
способствуют
повышению
производительности, но механизм повышения
производительности у этих
решений различен. Cвойства RAID существенно зависят от того, какой из этих
двух
механизмов в нем
используется. Другим фактором, влияющим
на
производительность,
является способ размещения
избыточной
информации.
Избыточная информация может храниться на специально выделенном для этого
диске, а может распределяться по всем дискам.
В RAID различного уровня применяются различные способы вычисления
избыточной информации. Это также влияет на характеристики RAID (надежность,
производительность и стоимость). Основные способы:
• полное дублирование информации,
• применение кодов с коррекцией
ошибок (применяется код
с коррекцией
одиночных ошибок и обнаружением двойных ошибок ECC – код Хемминга),
• вычисление четности (Parity).

6. Внешняя память - RAID

При объединении нескольких устройств в единый массив, сразу же
встает вопрос о скорости доступа к информации, а так же о сохранении ее
достоверности, то есть о надежности всей системы . Поэтому, в зависимости от
способов решения этих проблем, различают различные типы ( уровни) RAID.

7. Внешняя память - RAID

RAID 0. Дисковый массив без отказоустойчивости (Striped Disk Array without
Fault Tolerance). Такая конфигурация представляет собой единый дисковый массив,
в котором данные разбиваются на блоки, и каждый блок записываются
(считывается) на отдельный диск . Таким образом, можно осуществлять несколько
операций ввода/вывода одновременно.
Этот массив имеет наивысшую производительность для приложений требующих
интенсивной обработки запросов ввода/вывода и данных большого объема и прост
в реализации, однако не является отказоустойчивым, так как отказ одного диска
влечет за собой потерю всех данных массива.

8. Внешняя память - RAID

RAID 1. Дисковый массив с дублированием или зеркалированный (Mirrored
disk). Зеркалирование
является
традиционным
способом для повышения
надежности дискового массива не большого объема. В простейшем варианте
используется два диска, на которые записывается одинаковая информация, и в
случае отказа одного из них остается его дубль, который продолжает работать
в прежнем режиме. Данный массив предназначен, в основном, для обеспечения
отказоустойчивости
системы. За
счет полного дублирования
информации
обеспечивается очень высокий уровень надежности. Однако, массив имеет
низкую скорость передачи данных

9. Внешняя память - RAID

RAID 2 (Memory-Style ECC).
Отказоустойчивый дисковый массив
с
использованием кода Хемминга (Hamming Code ECC). Избыточное кодирование
Хемминга позволяет исправлять одиночные и обнаруживать двойные неисправности
и используется в технологии кодирования данных в оперативной памяти типа
ECC, а так же при кодировании данных на магнитных дисках.
В RAID уровня 2 расслоение данных для записи или чтения осуществляется
на уровне битов. Однако, вследствие применения кода с коррекцией ошибок, он
требует для хранения контрольной информации более одного диска. Большинство
контроль ных дисков , используемых в RAID 2, нужны для определения положения
неисправного разряда.

10. Внешняя память - RAID

Массив отличается
быстрой
коррекцией ошибок («на
лету ») и высокой
скоростью
передачи
данных больших
объемов, простой реализацией.
Недостатками являются высокая стоимость при малом количестве дисков и
низкая скорость обра ботки запросов и большой избыточностью.
Следует заметить, что большинство
современных
контроллеров
в
состоянии самостоятельно определить отказ диска при помощи специальных
сигналов, или дополнительного кодирования информации, записанной на диск и
ис пользуемой для исправления случайных сбоев. В связи с этим RAID уровня 2
используется редко.
RAID 3. Отказоустойчивый массив с параллельной передачей данных и четностью
(Parallel Transfer Disks with Parity, Bit-Interleaved Parity).
Данные разбиваются на подблоки на уровне байт и записываются
одновременно на все диски массива кроме одного , который используется для
четности, то есть на него записывается дополнительная (контрольная ) информация.

11. Внешняя память - RAID

При записи данные разбиваются на блоки, каждый из которых записывается на
отдельный диск. Затем вычисляется контрольная сумма, которая записывается на
дополнительный диск. При выходе из строя любого диска данные на нем
можно восстановить
по контрольным
данным и данным, оставшимся на
исправных дисках.
Как и в RAID 2 расслоение данных для записи или чтения осуществляется
на
уровне
битов. Таким
образом, в RAID 3 реализуется архитектура с
параллельным доступом. Использование RAID 3 решает проблему большой
избыточности в RAID 2. RAID 3 имеет высокую скорость передачи данных;
отказ диска мало влияет на скорость работы массива; но труден в реализации
и отличается низкой производительность при большой интенсивности запросов
данных небольшого объема

12. Внешняя память - RAID

RAID 4. Отказоустойчивый массив независимых дисков с разделяемым диском
четности (Independent Data disks with shared Parity disk, Block-Interleaved Parity).
Данные разбиваются на блочном уровне. Каждый блок данных записывается
на отдельный диск и может быть прочитан отдельно. Четность для группы
блоков генерируется при записи и проверяется при чтении. RAID 4 повышает
производительность передачи небольших объемов данных за счет параллелизма,
давая возможность выполнять
более одного
обращения
по вводу/выводу
одновременно.

13. Внешняя память - RAID

Главное отличие RAID 4 от RAID 3 состоит в том, что в нем, расслоение данных
выполняется на уровне секторов, а не на уровне битов или байтов, то есть
RAID уровня 4 отличается от RAID уровня 3 в первую очередь значительно
большим
размером блока записываемых данных (большим, чем размер
записываемых данных).
Массив отличается высокой скоростью чтения данных больших объемов
и высокой производительностью при большой интенсивности запросов чтения
данных; но сложен для реализации и обладает низкой производительностью при
записи данных и сложным алгоритмом восстановления данных, а так же низкой
скоростью чтения данных малого объема при единичных запросах.
RAID 5. Отказоустойчивый массив независимых дисков с распределенной
четностью (Independent Data disks with distributed parity blocks, Block-Interleaved
Distributed-Parity).
Этот уровень похож на RAID 4, но в отличие от предыдущего четность
распределяется циклически по всем дискам массива. Это позволяет увеличить
производительность записи небольших объемов данных в многозадачных
системах. Кроме того, в RAID уровня 5 реализуется архитектура с независимым
доступом.

14. Внешняя память - RAID

Преимущества этого массива заключаются в высокой скорости записи /чтения
данных и достаточно высокой производительности при большой интенсивности
запросов чтения /записи данных, а недостатки те же, что и у RAID 4. Кроме
того, скорость чтения данных даже ниже, чем в RAID 4.
Следующие уровни по различным причинам применяются крайне редко,
но они входят в современные стандарты RAID.

15. Внешняя память - RAID

RAID 6.
Отказоустойчивый массив
независимых дисков с двумя
независимыми распределенными схемами четности ( Independent Data disks with two
independent distributed parity schemes).
Данные разбиваются на блочном уровне, аналогично RAID 5, но в
дополнение к предыдущей архитектуре используется вторая схема для повышения
отказоустойчивости. Архитектура RAID 6 является устойчивой к двойным отказам.
Однако при
выполнении логической
записи
реально происходит
шесть
обращений к диску, что сильно увеличивает время обработки одного запроса.

16. Внешняя память - RAID

Массив отличается высокой отказоустойчивостью и высокой скоростью
обработки запросов. Недостатки - очень сложная
реализация восстановления
данных, а так же низкая скорость записи данных.
Комбинированные RAID
Современные RAID контроллеры
позволяют комбинировать различные
уровни RAID. Таким образом, можно реализовать системы, которые объединяют в
себе достоинства различных уровней, а также системы с большим количеством
дисков. Обычно это комбинация нулевого уровня (stripping) и какого либо
отказоустойчивого уровня.
RAID 10. Отказоустойчивый массив с дублированием и параллельной
обработкой. Эта архитектура представляет собой массив типа RAID 0, сегмен тами
которого являются массивы RAID 1. Он объединяет в себе очень высокую
отказоустойчивость и производительность, но имеет высокую стоимость.
RAID 30. Представляет собой массив типа RAID 0, сегментами которого
являются массивы RAID 3. Он объединяет в себе отказоустойчивость и высокую
производительность.
Обычно
используется
для
приложений
требующих
последовательной передачи данных больших объемов. Данному уровню присущи
все достоинства и недостатки RAID 10

17. Внешняя память - RAID

RAID 50. Отказоустойчивый массив
с распределенной
четностью и
повышенной производительностью. Строится
как массив уровня
ноль
с
элементами RAID 5. Он объединяет в себе отказоустойчивость и высокую
производительность для приложений с большой интенсивностью запросов и
высокую скорость передачи данных.
Производительность RAID
Cледует отметить, что судить о производительности RAID по параметрам,
характеризующим производительность одиночного диска, не совсем корректно.
Это связано с областью применения рассматриваемых массивов. Основное
применение технология RAID нашла в серверах, а поэтому такие показатели как
скорость записи или скорость чтения не отражают способность системы в
целом (сервера) выполнять свою основную задачу - обслуживать одновременно
большое количество
клиентов. В реальных условиях
система, в которой
установлен RAID, формирует поток запросов к массиву на обслуживание.
Принципы построения RAID позволяют одновременно обслужить несколько таких
запросов или быстрее освободиться (в RAID 3) для обслуживания очередного
запроса .

18. Внешняя память - RAID

При интенсивном потоке заявок на обслуживание, RAID может быть
занят обслуживанием предыдущих запросов. В этом случае очередной запрос
ожидает, когда RAID освободится. Таким образом, перегрузка RAID интенсивным
потоком запросов приводит к увеличению времени обслуживания очередного
запроса. Поэтому в качестве критерия производительности RAID принято
измерять время ожидания обслуживания при определенной интенсивности
потока запросов.
RAID разного уровня, естественно, по-разному ведут себя при увеличении
количества запросов. Это связано с соотношением размера блоков на дисках и
размера записываемых ( считываемых) данных. Различают размеры запросов и
размера блоков для двух случаев: запись или чтение большого файла («длинный
» запрос ) и малого файла («короткий » запрос ).

19. Внешняя память - RAID

Этот рисунок соответствует RAID уровня 3 или 4 ( в зависимости от величины
запроса на обслуживание), организованного на трех дисках.
«Длинный » запрос хорошо показывает особенности RAID 3. Такой запрос
разбивается на отдельные блоки. Половина этих блоков записывается на один
диск, а половина на другой. Одновременно на третий диск записывается
контрольная информация. Операция вычисления четности — это очень быстрая
операция и легко реализуется аппаратно. Поэтому дополнительными задержками,
связанными с вычислением этой операции, можно пренебречь. В итоге большой
файл будет за писан или считан в два раза быстрее ( для системы из 3-х дисков)
чем, если бы запись осуществлялась на одиночный диск. Однако любой другой
запрос, поступивший в это время, будет ожидать обслуживания. Таким образом,
при интенсивном потоке запросов время ожидания может быть весьма
значительным.

20. Внешняя память - RAID

Короткий» запрос соответствует режиму работы RAID уровня 4 или 5.
Если размер записываемого файла меньше чем размер логического блока, то
такой файл, естественно, не может быть разбит на части. Он весь размещается
на каком - либо одном диске. Поэтому и скорость записи должна была бы быть
точно такой, как и при записи на одиночный диск. Однако контрольная
информация, связанная с модифицируемым блоком, соответствует всему блоку, а
не только той части, которая модифицируется. Поэтому реально, чтобы
выполнить запись, необходимо вначале считать модифицируемый
блок
и
контрольную сумму, затем вычислить новое значение контрольной суммы и
только после этого записать модифицированный блок и новое значение
контрольной суммы. Вместо операции записи
в RAID-5 и -4 фактически
осуществляется операция «чтение - модификация - запись».
Таким образом, в RAID уровня 4 и 5 скорость записи практически вдвое
хуже, чем при использовании одиночного диска. Это – самая большая проблема в
RAID 5. Однако наличие такой проблемы еще не говорит о том, что RAID 5
обладает низкой производительностью или уступает по этому показателю RAID 3.

21. Внешняя память - RAID

При чтении, RAID уровня 4 или 5 может одновременно обслужить
несколько запросов, благодаря чему производительность RAID 5 может оставаться
высокой даже при весьма интенсивном потоке за просов на обслуживание. В
RAID уровня 5 одновременно также может обслуживаться и несколько запросов
на запись. Именно для этого контрольная информация размещается не на одном
диске, а чередуется на всех. Поэтому, в целом, время ожидания обслуживания
при интенсивном потоке малых запросов в RAID уровня 5 оказывается лучше,
чем, например, в RAID уровня 3.