RAID
Z Wikipedii
RAID (ang. Redundant Array of Independent Disks, Nadmiarowa macierz niezależnych dysków) - polega na współpracy dwóch lub więcej dysków twardych w taki sposób, aby zapewnić dodatkowe możliwości, nieosiągalne przy użyciu jednego dysku. RAID używa się w następujących celach:
- zwiększenie niezawodności (odporność na awarie),
- przyspieszenie transmisji danych,
- powiększenie przestrzeni dostępnej jako jedna całość.
Czasami mówi się o Redundant Array of Inexpensive Disks, czyli nadmiarowa macierz tanich dysków, co dobrze odpowiada rzeczywistości, ponieważ można stworzyć dużą i niezawodną przestrzeń dyskową, używając dysków SCSI oraz niedrogich, standardowych IDE/ATA lub SATA. Podczas projektowania macierzy należy zwrócić uwagę na sposób podłączenia dysków. Zapewnienie wysokiej dostępności do dysków wymaga dołączenia tych dysków do oddzielnych kanałów SCSI/IDE lub zastosowanie droższych 2-portowych dysków FC i podłączenia do odpowiedniego kontrolera (lub kontrolerów). Najlepsze efekty można osiągnąć dzięki zastosowaniu specjalnych sprzętowych kontrolerów RAID dołączonych do systemów za pomocą redundantnych magistral (SCSI) lub kanałów komunikacyjnych (Fibre Channel).
Spis treści |
[edytuj] Standardowe poziomy RAID
[edytuj] Tabela
| Poziom RAID | minimalna liczba dysków (N) | Dostępna przestrzeń | Maksymalna ilość dysków, które mogą ulec awarii bez utraty danych |
|---|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[edytuj] RAID 0
Polega na połączeniu ze sobą dwóch lub więcej dysków fizycznych tak, aby były widziane jako jeden dysk logiczny. Powstała w ten sposób przestrzeń ma rozmiar taki jak N*rozmiar najmniejszego z dysków. Dane są przeplecione pomiędzy dyskami. Dzięki temu uzyskujemy znaczne przyśpieszenie operacji zapisu i odczytu ze względu na zrównoleglenie tych operacji na wszystkie dyski w macierzy. Warunkiem uzyskania takiego przyśpieszenia jest operowanie na blokach danych lub sekwencjach bloków danych większych niż pojedynczy blok danych macierzy RAID 0 - ang. stripe unit size.
Korzyści:
- przestrzeń wszystkich dysków jest widziana jako całość
- przyspieszenie zapisu i odczytu w porównaniu do pojedynczego dysku
Wady:
- brak odporności na awarię dysków
- N*rozmiar najmniejszego z dysków
- zwiększenie awaryjności nie oznacza skrócenie żywotności dysków - zwiększa się teoretyczna możliwość awarii. O ile w przypadku RAID 0 mówimy o utracie danych w przypadku awarii jednego z dysków, to jest to sytuacja tożsama z tą, gdy posiadamy jeden dysk - uszkodzenie jednego dysku również powoduje utratę danych.
[edytuj] Przykład 1
Trzy dyski po 10 GB zostały połączone w RAID 0. Powstała przestrzeń ma rozmiar 30 GB. Szybkość zapisu lub odczytu jest prawie trzykrotnie większa niż na pojedynczym dysku. Oczywiście sumaryczna szybkość jest 3-krotnością szybkości najwolniejszego z dysków, gdyż kontroler raid podczas zapisu/odczytu musi poczekać na najwolniejszy dysk. Stąd też sugeruje się dyski identyczne, o identycznej szybkości i pojemności.
[edytuj] Przykład 2
Trzy dyski: 10 GB, 20 GB i 5 GB zostały połączone w RAID 0. Powstała w ten sposób przestrzeń ma rozmiar taki jak N*rozmiar najmniejszego z dysków, czyli 3·5 GB = 15 GB. Szybkość jest ograniczona szybkością najwolniejszego dysku, analogicznie do poprzedniego przykładu.
[edytuj] Zastosowanie RAID 0
Rozwiązanie do budowy tanich i wydajnych macierzy, służących do przetwarzania dużych plików multimedialnych. Przechowywanie danych na macierzy RAID 0 wiąże się ze zwiększonym ryzykiem utraty tych danych, w przypadku awarii jednego z dysków tracimy wszystkie dane.
[edytuj] RAID 1
Polega na replikacji pracy dwóch lub więcej dysków fizycznych. Powstała przestrzeń ma rozmiar pojedynczego nośnika. RAID 1 jest zwany również mirroringiem. Szybkość zapisu i odczytu zależy od zastosowanej strategii:
- Zapis:
- zapis sekwencyjny na kolejne dyski macierzy - czas trwania operacji równy sumie czasów trwania wszystkich operacji
- zapis równoległy na wszystkie dyski macierzy - czas trwania równy czasowi trwania operacji na najwolniejszym dysku
- Odczyt:
- odczyt sekwencyjny z kolejnych dysków macierzy (ang. round-robin) - przy pewnej charakterystyce odczytów możliwe osiągnięcie szybkości takiej jak w RAID 0
- odczyt wyłącznie ze wskazanych dysków - stosowane w przypadku znacznej różnicy w szybkościach odczytu z poszczególnych dysków
Korzyści:
- odporność na awarię N - 1 dysków przy N-dyskowej macierzy
- możliwe zwiększenie szybkości odczytu
Wady:
- zmniejszona szybkość zapisu
- utrata pojemności (dokładnie pojemności wynosi tyle co jeden, najmniejszy dysk macierzy)
[edytuj] Przykład
Trzy dyski po 1GB zostały połączone w RAID 1. Powstała w ten sposób przestrzeń ma rozmiar 1 GB (3 x 1 GB). Jeden lub dwa dyski w pewnym momencie ulegają uszkodzeniu. Cała macierz nadal działa.
[edytuj] RAID 2
Dane na dyskach są paskowane. Zapis następuje po 1 bicie na pasek. Potrzebujemy minimum 8 powierzchni do obsługi danych oraz dodatkowe dyski do przechowywania informacji generowanych za pomocą kodu Hamminga potrzebnych do korekcji błędów. Ilość dysków używanych do przechowywania tych informacji jest proporcjonalna do logarytmu liczby dysków, które są przez nie chronione. Połączone dyski zachowują się jak jeden duży dysk. Dostępna pojemność to suma pojemności dysków przechowujących dane.
Korzyści:
- każdy dowolny dysk (zarówno z danymi jak i z kodem Hamminga) może w razie uszkodzenia zostać odbudowany przez pozostałe dyski
Wady:
- konieczność dokładnej synchronizacji wszystkich dysków zawierających kod Hamminga (w przeciwnym wypadku dezorganizacja i całkowita nieprzydatność tych dysków)
- długotrwałe generowanie kodu Hamminga przekładające się na wolną pracę całego systemu
[edytuj] RAID 3
Dane składowane są na N-1 dyskach. Ostatni dysk służy do przechowywania sum kontrolnych. Działa jak striping (RAID 0), ale w macierzy jest dodatkowy dysk, na którym zapisywane są kody parzystości obliczane przez specjalny procesor, przez co kontrolery potrzebne do przekierowania.
Korzyści:
- odporność na awarię 1 dysku
- zwiększona szybkość odczytu
Wady:
- zmniejszona szybkość zapisu z powodu konieczności kalkulowania sum kontrolnych (eliminowana poprzez zastosowanie sprzętowych kontrolerów RAID)
- w przypadku awarii dysku dostęp do danych jest spowolniony z powodu obliczeń sum kontrolnych
- odbudowa macierzy po wymianie dysku jest operacją kosztowną obliczeniowo i powoduje spowolnienie operacji odczytu i zapisu
- pojedynczy, wydzielony dysk na sumy kontrolne zazwyczaj jest wąskim gardłem w wydajności całej macierzy
[edytuj] Przykład
Pięć dysków po 1GB zostało połączonych w RAID 3. Powstała w ten sposób przestrzeń ma rozmiar 4GB (1GB odpada na sumy kontrolne). Jeden dysk w pewnym momencie ulega uszkodzeniu. Cała macierz nadal działa. Po włożeniu nowego dysku na miejsce uszkodzonego jego zawartość odtwarza się.
[edytuj] RAID 4
RAID 4 jest bardzo zbliżony do RAID 3, z tą różnicą, że dane są dzielone na większe bloki (16, 32, 64 lub 128 kB). Takie pakiety zapisywane są na dyskach podobnie do rozwiązania RAID 0. Dla każdego rzędu zapisywanych danych blok parzystości zapisywany jest na dysku parzystości.
Przy uszkodzeniu dysku dane mogą być odtworzone przez odpowiednie operacje matematyczne. Parametry RAID 4 są bardzo dobre dla sekwencyjnego zapisu i odczytu danych (operacje na bardzo dużych plikach). Jednorazowy zapis małej porcji danych potrzebuje modyfikacji odpowiednich bloków parzystości dla każdej operacji I/O. W efekcie, za każdym razem przy zapisie danych system czekałby na modyfikacje bloków parzystości, co przy częstych operacjach zapisu bardzo spowolniłoby pracę systemu.
[edytuj] RAID 5
Poziom piąty pracuje bardzo podobnie do poziomu czwartego z tą różnicą, iż bity parzystości nie są zapisywane na specjalnie do tego przeznaczonym dysku, lecz są rozpraszane po całej strukturze macierzy. RAID 5 umożliwia odzyskanie danych w razie awarii jednego z dysków przy wykorzystaniu danych i kodów korekcyjnych zapisanych na pozostałych dyskach (zamiast tak jak w 3. na jednym specjalnie do tego przeznaczonym, co nieznacznie zmniejsza koszty i daje lepsze gwarancje bezpieczeństwa). RAID 5 oferuje większą prędkość odczytu niż mirroring ale przy jego zastosowaniu nieznacznie spada prędkość zapisu. Poziom piąty jest całkowicie bezpieczny dla danych - w razie awarii system automatycznie odbuduje utracone dane, tak by mogły być odczytywane, zmniejszając jednak bieżącą wydajność macierzy. Spowolnienie jest chwilowe. Po zamontowaniu nowego dysku i odtworzeniu danych wydajność macierzy wraca do normy.
Macierz składa się z 3 lub więcej dysków. Przy macierzy liczącej N dysków jej objętość wynosi N - 1 dysków. Przy łączeniu dysków o różnej pojemności otrzymujemy objętość najmniejszego dysku razy N - 1. Sumy kontrolne danych dzielone są na N części, przy czym każda część składowana jest na innym dysku, a wyliczana jest z odpowiedniego fragmentu danych składowanych na pozostałych N-1 dyskach.
Korzyści:
- odporność na awarię jednego dysku
- zwiększona szybkość odczytu - porównywalna do macierzy RAID 0 złożonej z N-1 dysków
Wady:
- zmniejszona szybkość zapisu z powodu konieczności kalkulowania sum kontrolnych (eliminowana poprzez zastosowanie sprzętowego kontrolera RAID5)
- w przypadku awarii dysku dostęp do danych jest spowolniony z powodu obliczeń sum kontrolnych
- odbudowa macierzy po wymianie dysku jest operacją kosztowną obliczeniowo i powoduje spowolnienie operacji odczytu i zapisu
[edytuj] Przykład
Pięć dysków po 1GB zostaje połączonych w RAID 5. Powstała w ten sposób przestrzeń ma rozmiar 4 GB. Jeden dysk w pewnym momencie ulega uszkodzeniu. Cała macierz nadal działa. Po wymianie uszkodzonego dysku na nowy jego zawartość zostaje odtworzona.
[edytuj] RAID 6
Rozbudowana macierz typu 5 (często pojawia się zapis RAID 5+1). Zawiera dwie niezależne sumy kontrolne. Kosztowna w implementacji, ale dająca bardzo wysokie bezpieczeństwo.
Korzyści:
- odporność na awarię maksimum 2 dysków
- szybkość pracy większa niż szybkość pojedynczego dysku
- ekstremalnie wysokie bezpieczeństwo.
[edytuj] RAID 0+1
Macierz realizowana jako RAID 1, którego elementami są macierze RAID 0. Macierz taka posiada zarówno zalety macierzy RAID 0 - szybkość w operacjach zapisu i odczytu - jak i macierzy RAID 1 - zabezpieczenie danych w przypadku awarii pojedynczego dysku. Pojedyncza awaria dysku powoduje, że całość staje się w praktyce RAID 0. Potrzebne są minimum 4 dyski o tej samej pojemności.
Korzyści:
- szybkość macierzy RAID 0
- bezpieczeństwo macierzy RAID 1
- znacznie prostsza w implementacji niż RAID 3, 5 i 6
Wady:
- większy koszt przechowywania danych niż w przypadku RAID 0,2,3,4,5,6
[edytuj] RAID 1+0
Nazywana także RAID 10. Macierz realizowana jako RAID 0, którego elementami są macierze RAID 1. W porównaniu do swojego poprzednika (RAID 0+1) realizuje tę samą koncepcję połączenia zalet RAID 0 (szybkość) i RAID 1 (bezpieczeństwo) lecz w odmienny sposób. Tworzony jest duży stripe małych mirrorów, dzięki czemu podczas wymiany uszkodzonego dysku odbudowywany jest tylko fragment całej macierzy.
Korzyści:
- szybkość macierzy RAID 0
- bezpieczeństwo macierzy RAID 1 - w szczególnym wypadku nawet większa (awaria więcej niż jednego dysku różnych mirrorów)
- znacznie prostsza w implementacji niż RAID 3, 5 i 6
Wady:
- większy koszt przechowywania danych niż w przypadku RAID 0,2,3,4,5,6
[edytuj] Matrix RAID
Polega na połączeniu ze sobą dwóch dysków fizycznych tak, aby część dysku działała jak RAID 0 (stripping), a inna część jak RAID 1 (mirroring) (szczegóły działania macierzy RAID 0 i RAID 1 znajdziesz powyżej). Jest to chyba najlepsza opcja w warunkach "domowych", łącząca zalety obu trybów i pozbawiona ich wad.
Korzyści:
- połączenie zalet poszczególnych trybów RAID - ważne informacje mogą być bezpieczne (zduplikowane na obu dyskach), zaś operacje na często używanych, ale mniej istotnych danych, mogą być wykonywane ze zwiększoną szybkością.
Wady:
- częściowy spadek pojemności (część mirrorowana)
- część danych jest podatna na awarię (część w strippingu)
[edytuj] Przykład
Dwa dyski po 10 GB zostały połączone w Matrix RAID. Utworzono na nich dwie partycje - każda zajmuje połowę każdego dysku. Pierwsze polega na dzieleniu danych (stripping) więc ma pojemność 10 GB, druga polega na duplikowaniu (mirroring) ma więc 5 GB. Pierwsza z nich charakteryzuje się teoretycznie dwukrotną prędkością wykonywania na niej operacji, druga zaś gwarantuje bezpieczeństwo danych w razie awarii jednego z dysków.
