Уровни RAID для обеспечения отказоустойчивости

За исключением уровня 0, RAID-матрицы представляют собой механизм для хранения достаточного объёма информации в группе из нескольких жёстких дисков, чтобы даже при отказе какого-либо жёсткого диска в группе — не терялась никакая информация.

Некоторые RAID-устройства обеспечивают защиту даже в случае отказа нескольких жёстких дисков.

Наиболее популярные RAID-массивы:

1. RAID 0 (чередование)

2. RAID 1 (зеркальный набор)

3. RAID 5 (чередование данных с чётностью)

4. RAID 10

5. Matrix RAID

6. RAID-ready

7. Сводная информация по RAID

RAID 0 (чередование) — RAID0 операции чтения-записи одновременно производиться на 2 или несколько HDD, работающих вместе с целью максимального увеличения производительности хранения. Данные в RAID0 организованы в блоки, которые распределены по дискам, благодаря чему операции чтения-записи могут выполняться параллельно. Поэтому чередование является самым быстрым из уровней RAID.

Особенно для чтения-записи больших файлов, а также реальных задач, таких как загрузка больших файлов в программы редактирования изображений, сохранение больших файлов с фильмами, редактирование видео программ или при создании образов компакт-дисков или DVD дисков с помощью приложений.

HDD в RAID0 составляют единый том, который выглядит как один виртуальный диск для ОС. Например, 4 HDD по 120Gb в RAID0 будет как 1 диск 480Gb.

Фото 09: 51 29.11.18

Отсутствие избыточности информации, поэтому информация может быть потеряна, т. е. Плохо сохраняется в RAID0. Это означает, что если 1 HDD выходит из строя, то все его данные теряются на всех дисках. Отсутствие резервирования также обозначается номером уровня, т.е. RAID0. Поэтому RAID0 не рекомендуется использовать на серверах или других задачах, где главной целью является обеспечения защиты данных.

RAID1 — зеркальный набор. Состоит, как правило, из 2-х HDD данные, на которых дублируются в реальном времени, поскольку все данные дублируются, то общая емкость массива RAID1 является емкости одного HDD в массиве.

Например, 2 HDD 120Gb в RAID1 будут выглядеть, как 1 HDD 120Gb для ОС.

Фото 10: 01 29.11.18

Основное преимущество зеркальных наборов RAID1 заключается в том, что он обеспечивает надежность данных при неисправности одного HDD, т. е. При неисправности HDD все данные остаются доступными с другого HDD, целостность данных не нарушается. При сбое диска система остается полностью работоспособной.

Однако производительность в RAID1 выше, чем производительность одного диска потому, что данные считываются с нескольких дисков, однако для операции записи не обеспечивается такая же производительность поскольку вначале данные должны быть записаны на один диск и лишь затем создается их зеркальная копия.

RAID5 — чередование данных с четностью.

Массив RAID5 это 3 или более HDD, на которых данные разделяются на управляемые блоки (полосы), основное преимущество данной системы это хранение и защита данных.

Четность — математический метод воссоздания данных потерянных с одного из диска массива, который фактически существенно повышает отказоустойчивость. Данные и информация о четности чередуются для всех участвующих в массиве HDD. Информация о четности чередуется циклически, что позволяет избежать образования узких мест связанных с расчетами четности. Суммарная емкость массива RAID5 равна размеру наименьшего HDD, помноженному на количество дисков в массиве.

Емкость эквивалентная одному HDD используется для хранения информации о четности, при этом отказоустойчивость обеспечивается при менее чем 50% снижения емкости RAID1.

4 HDD 120Gb в RAID5 = 1 HDD 360Gb для ОС.

Фото 10: 16 29.11.18

поскольку информация по четности используется для защиты данных, то до 75% суммарной емкости дисков остается в распоряжении пользователя.

1 из HDD может выйти из строя и возможно восстановления данных после замены на новый HDD.

Дополнительная работа расчета потерянных данных снижает производительность записи RAID5 при перекомпоновке тома.

Производительность чтения массива RAID5 выше, чем производительность одного диска. Чтение с нескольких дисков одновременно.

Однако это преимущество не распространяется на операции записи ведь четность необходимо посчитать, а после этого записать соответствующую информацию на все диски.

Для повышения качества записи и производительности RAID5 INTEL использует RAID5 с отложенной записью и сцепления. Кэширование данных тома с отложенной записью позволяет буферизовать операции записи и повышает сцепление. По умолчанию Кэш отключен, но он может быть включен с помощью интерфейса пользователя.

При включенном Кэше рекомендуется использовать ИБП.

Функция сцепления группирует отдельные запросы на запись в более крупные, количество операций ввода/вывода при подсчете четности сокращается.

Функция сцепления активизируется по умолчанию, причем отключить ее пользователь не может.

RAID10 — используется 4 HDD для получения комбинации уровней RAID 0 и RAID 1.

Посредством формирования массива RAID0 из двух массивов RAID1.

Поскольку все данные в массиве RAID0 дублируются, суммарная емкость RAID10 равна емкости в RAID0.

4 HDD 120Gb RAID10 = 1 HDD 240Gb

Фото 11: 10 29.11.18

Основные преимущества RAID10 сводятся к тому, что он сочетает производительность RAID0 и отказоустойчивость RAID1.

Он обеспечивает хорошую надежность данных на случай отказа одного из дисков.

Если один HDD выходит из строя, то все его данные остаются доступными во второй половине зеркального набора без ущерба их целостности.

При сбое диска система остается полностью работоспособной.

Отказоустойчивость данных в такой ситуации восстанавливается путем замены отказавшего диска.

Однако производительность в RAID10 выше ем производительность 1 диска, т. к. данные считываются с нескольких дисков одновременно.

По сравнению с 2-ух дисковым RAID0 RAID10 отличается более высокой производительностью чтения, т. к. данные можно считывать из любой половины зеркального набора, но производительность записи несколько ниже из-за того, что данные записываются по всему массиву.

 

MATRIX RAID

MR позволяет создать 2 тома RAID в одном RAID массиве.

2 тома могут быть как одного типа, так и разными.

Например, в системах INTEL R ICH контроллер концентратор INTER R RST позволяет формировать конфигурации матриц RAID, которые использует RAID0, 5, 10.

А так же представляет преимущество производительности RAID0 и защиты RAID1 на 2-жестких дисках.

Конфигурации RAID-массивов и RAID0, 5 на 4-х HDD обеспечивают более серьезную защиту данных, чем просто RAID0. Данные, которые защищены от неисправностей HDD.

Кроме того массивы RAID обеспечивают большую емкость хранения и повышенную производительность чем RAID5 отдельно.

 

RAID-ready

В системе с поддержкой RAID эта конфигурация, позволяющая провести миграцию с одного не RAID SATA диска в конфигурацию RAID SATA. Повторная установка операционной системы не требуется.

RAID-ready система должна соответствовать следующим требованиям:

· Поддерживаемые наборы микросхем типов Intel.

· Один последовательный интерфейс жёстких дисков ATA и один жёсткий диск типа SATA.

· RAID-КОНТРОЛЛЕР, ВКЛЮЧЁННЫЙ В BIOS.

· BIOS-системная плата Intel(R)RST должна включать дополнительное ПЗУ.

· Программное обеспечение Intel(R)RST

· Жёсткий диск должен иметь памяти не менее 5 МБ свободного места.

В ниже приведённой таблице представлены типичные уровни матриц или RAID-массивов, а также их применимость или отказоустойчивость.

 

Таблица1. Уровни RAID и их отказоустойчивость

Уровень RAID	Количество дисков	Скорость	Отказоустойчивость	Описание
0	N	+++	- -	Только чередование данных (распределение данных по нескольким дискам). Фактически отказоустойчивости нет, т. е. Фактически увеличивается риск отказа, но повышается производительность чтения и записи.
1	2N	+	++	Зеркало (или дуплексирование): чтение происходит несколько быстрее, чем в случае одного диска, но скорость записи не повышается. Отказ одного отдельного диска не вызывает потери данных и незначительно снижает производительность.
3	N+1	++	+	Проверка по чётности на уровне байтов. Данные записываются с чередованием на нескольких дисках, на уровне байтов с информацией по чётности, записываемые на один выделенный диск. Чтение происходит намного быстрее, чем в случае одного диска, но запись происходит чуть медленнее одного диска, поскольку информация о чётности должна создаваться и записываться на отдельный диск. Отказ любого отдельного диска не вызывает потери данных, но может вызвать существенное снижение производительности.
4	N+1	++	+	Поверка по чётности на уровне блоков с выделенным диском для информации, организованной по принципу чётности, аналогична во многом RAID3, за исключением того, что чередование данных выполняется на уровне блоков.
5	N+1	+	++	Запись информации по чётности на уровне блоков с чередованием. Информация по чётности распределяется по всем дискам. Операции чтения выполняются на много быстрее, чем для одного диска, но запись происходит значительно медленнее. Отказ любого отдельного диска не вызывает потери данных, но может вызвать существенное снижение производительности за счёт расчёта чётности.
0+1 и 10	2N	+++	++	Зеркальные диски с чередованием или «зеркалирование». Данные записываются с чередованием на нескольких дисках. Отказ какого-либо одного диска не вызывает никакой потери данных и никакой потери в скорости. Отказ второго диска может вызвать потерю данных, но такая система работает быстрее, чем один диск при чтении и записи.
Другие	Различные значения	+++	+++	Массив RAID-матриц. Различные поставщики оборудования присваивают различные собственные названия этому виду RAID. Очень высокие показатели чтения и записи. Отказ любого отдельного диска не вызывает никакой потери производительности при сохранении избыточности данных.

 

· В колонке «количество дисков» - указывает количество HDD, необходимых для хранения первоначальных экземпляров данных.

· Знаки + и — показывают степень улучшения или ухудшения относительно компьютера без каких-либо RAID-матриц, т. е. Максимальное обозначается тремя +.

Таким образом, при выборе уровня RAID для данной задачи или сервера нужно учитывать следующие факторы:

1. Предполагаемое применение – нужно определить будет ли приложение, будет ли выполняться интенсивное чтение или в основном – дополнительная запись. Например, в случае транзакционной базы данных.

2. Отказоустойчивость – насколько важны данные и можно ли их потерять.

3. Готовность – нужен ли доступ к данному серверу или приложению постоянно или можно ли перезагружать сервер или отключать его иным способом от сети на короткое время.

4. Производительность – данное приложение или сервер интенсивно используется с большими потоками передаваемых данных или объём ввода/вывода не столь интенсивен.

5. Затраты – бюджет на этот сервер или приложение сильно ограничен или основное значение имеют стоимость потери данных и утраты доступа к ним.

При принятии решения о том, какие устройства нужно использовать – необходимо оценить каждый из этих факторов. Нет решения для всех случаев. Но для принятия решения нужно тщательно взвесить каждый фактор и согласовать их с ситуацией и требованиями.

Предполагаемое применение и вид доступа к диску, связанному с применением, играют важную роль при выборе деления подходящего уровня RAID. Нужно оценить интенсивности операций записи у приложения и определить, каким образом происходит доступ к данным, то есть – последовательно или в произвольном порядке.

 

Факторы:

1. Предполагаемое применение – при этом нужно определить, будет ли предложение, в основном выполнять интенсивное чтение (например в случае файл-сервера) или в основном выполнять интенсивную запись (например в сл. Транзакционной БД)

2. отказоустойчивость – определить, насколько важны хранящиеся данные и можно ли их потерять.

3. готовность – нужен ли доступ к данному серверу или приложению постоянно или можно перезагружать сервер или отключать его иным способом от сети на короткое время.

4. Производительность – данное приложение или сервер интенсивно используется с большими потоками передаваемых данных или объём не столь интенсивен.

5. Затраты – бюджет на этот сервер или приложение сильно ограничен или основное значение имеет стоимость потери данных и утраты доступа к данным.

Принятие решения о том, какие типы устройств нужно использовать, необходимо оценить каждым из этих факторов. При этом нет решения, идеально подходящего для всех случаев, но для принятия окончательного решения нужно тщательно взвесить каждый фактор и согласовать их с ситуацией и требованиями.

Предполагаемое применение.

Предполагаемое применение и вид доступа к диску, связанному с применением играют важную роль при выборе деления подходящего уровня RAID. Нужно оценить степень интенсивности операций записи у приложения и определить, каким образом преимущественно происходит доступ к данным, то есть последовательно или в произвольном порядке. Кроме того, каков размер порции данных, которая считывается или записывается 1 раз приложением, то есть это относительно большие блоки или небольшие группы данных, которые считываются понемногу из разных мест. Т.о., если приложение достаточно интенсивно производит запись, то следует избегать, по возможности, использования программных RAID и RAID-5. При использовании RAID-5 любое приложение, требующее операций записи более 50% от операций чтения, будет работать несколько или существенно медленнее, чем с одним диском. Однако, можно в некоторой степени смягчить эту проблему, применяя в матрице большое количество дисков меньшего размера и используя аппаратный контроллер с большим кэшем, чтобы, по возможности, снизить загрузку при обработке проверки по чётности. RAID-1 зеркальной или дуплексной конфигурации обеспечивает высокий уровень отказоустойчивости при незначительном снижении скорости операций записи.

Зеркалирование не защищает от повреждения данных, вызванного катастрофическим прерыванием электроснабжения диска с кэшированием записи. Если компьютер не защищён ИБП, то рекомендуется отключение кэширования. Никакой ИБП не защитит от случайного выдёргивания шнура из розетки. Но в этой ситуации может защитить хороший кэш с батарейной поддержкой.

Если приложение в основном выполняет интенсивное чтение, а сохранение и ссылки происходят последовательно, то стоит выбрать RAID-3 или RAID-4, поскольку данные распределяются с чередованием по нескольким дискам, доступ к ним происходит параллельно, что повышает производительность доступа. А поскольку информация по чётности сохраняется на отдельном диске, а не рассеянна по всей RAID-матрице, то не приходится перескакивать от операций последовательного чтения к информации по чётности. Поэтому чтение данных происходит быстрее.

Однако, операции записи происходят значительно медленнее. Поэтому использование одного диска для хранения данных по чётности может стать узким местом для ввода-вывода. Если приложение в основном интенсивно выполняет чтение, но не обязательно последовательным образом. То рекомендуется выбрать RAID-5, т.к. RAID-5 обеспечивает хороший баланс между скоростью доступа и отказоустойчивостью, а его стоимость значительно ниже, чем RAID-1. Операции доступа к диску равномерно распределены по нескольким дискам и ни один из дисков не может стать узким местом для ввода-вывода. Однако, при записи требуется вычисление информации для контроля по чётности и дополнительная запись этой информации, что значительно замедляет операции записи.

Если приложение обеспечивает другие механизмы восстановления данных или использует большие объёмы во временном хранилище (для которого не требуется отказоустойчивость), то можно использовать простейший уровень RAID-0, но при этом не обеспечивается отказоустойчивость, зато обеспечивается быстрое чтение и запись.

Диски с «горячим» резервированием.

Большинство RAID-контроллеров серверного класса поддерживают один или несколько дисков с горячим резервированием. Диск горячего резервирования не используется самой матрицей, но он готов к немедленной работе в случае отказа. Жёсткие диски обычно не перестают работать сразу с катастрофическим отказом, то есть они дают заблаговременное предупреждение о приближающемся отказе. RAID-контроллеры могут следить за работоспособностью дисков и, в случае неотвратимого отказа, они могут автоматически удалять сбойный диск и заменять его диском горячего резервирования. Это сокращает время восстановления и обеспечивает поддержку максимальной отказоустойчивости. То есть, если матрица поддерживает горячее резервирование, то целесообразно использовать эту возможность.

Отказоустойчивость.

Необходимо тщательно оценить отказоустойчивость каждого из возможных вариантов RAID на соответствие предполагаемому применению. Все уровни RAID кроме RAID-0 обеспечивают определённую степень отказоустойчивости, но результат отказа дисков и возможности восстановления после нескольких последовательных отказов могут быть различными.

При отказе диска в зеркальной или дуплексной матрице RAID-1 остаётся полная точная копия данных. Доступ с той де скоростью к данным или приложениям сохранится, поскольку оставшийся диск будет просто работать как отдельный диск. Однако, немного снизится производительность за счёт того, что нельзя будет читать данные с обоих дисков одновременно. Пока не будет заменён отказавший диск, оставшийся диск не будет обладать свойством отказоустойчивости. После замены отказавшего диска общий уровень производительности существенно снизится, пока не будет закончена инициализация нового диска и полностью восстановлено зеркало.

Восстановление матрицы.

Для большинства RAID-контроллеров серверного класса можно настраивать скорость восстановления матрицы. То есть имеется прямая зависимость между скоростью восстановления и снижением производительности. И обычно можно настраивать баланс между отказоустойчивостью и скорость дисков. Если RAID-контроллер поддерживает интерфейс командной строки, то можно задать восстановление матрицы таким образом, чтобы повысить производительность доступа к данным в основное рабочее время и повысить скорость восстановления в нерабочее время.

В матрице RAID-3 или RAID-4 при отказе одного из дисков происходит существенное снижение производительности и немедленно (если это один из дисков данных). Каждое чтение или запись требует, чтобы недостающие данные восстанавливались из информации по чётности. При этом отказоустойчивости тоже не будет, пока не будет заменён повреждённый диск. При повреждении диска с информацией по чётности не будет отказоустойчивости, пока не будет заменён этот диск. Но производительность не снизится. После замены отказавшего диска общий уровень производительности снизится, пока не будет закончена инициализация нового диска и восстановлена информация по чётности или данные.

В матрице RAID-5 повреждение любого из дисков приводит к значительному снижению производительности и отказоустойчивости не будет, пока не будет заменён повреждённый диск. После замены диска восстановление отказоустойчивости произойдёт только после того как вся матрица дисков восстановит себя, а во время процесса восстановления производительность существенно снизится.

RAID-системы, которые являются массивами RAID-матриц, могут обеспечивать многократную отказоустойчивость. Такие массивы обеспечивают несколько уровней избыточности и подходят для критически важных приложений, которые должны выдерживать отказ даже нескольких дисков в матрице.

Повышение отказоустойчивости при использовании нескольких дисковых контроллеров.

Деньги, потраченные на аппаратную реализацию RAID, повышают общий уровень отказоустойчивости, но при отказе контроллеров дисков перестанет работать вся дисковая подсистема. Хотя отказы контроллеров дисков происходят гораздо реже, но всё же они случаются. Многие аппаратные RAID-системы используют один многоканальный контроллер и, конечно, это лучше, чем одноканальный контроллер, но ещё лучше RAID-система с несколькими одинаковыми контроллерами. В таких системах отказ одного контроллера станет не катастрофой, а мелкой неприятностью. В частности, в RAID-1 эта методика называется дуплексированием. Но она так же широко применяется во многих фирменных массивах матриц, предлагаемых поставщиками серверов и сторонними поставщиками.

Готовность.

Все уровни RAID, за исключением RAID-0, обеспечивают более высокий уровень готовности, чем одиночные диски. Но, если распространить понятие готовности на общий уровень производительности во время отказа одного из дисков, некоторые уровни RAID имеют явное преимущество перед другими. В режиме отказа RAID-1 (зеркального или задуплексированного) обеспечивает более высокий уровень готовности по сравнению с RAID-3, 4, 5. То есть производительность RAID-1 при отказе одного из зеркал останется такой же, как производительность одиночного диска, тогда как у матрицы RAID-5 производительность будет существенно снижена, пока отказавший диск не будет заменён и не будет восстановлена матрица. Кроме того, RAID-системы, основанные на массивах матриц, могут обеспечивать более высокую готовность, чем RAID-1-5. При работе с несколькими контроллерами, эти массивы продолжают функционировать в случае отказа более чем одного диска и отказа одного из контроллеров, обеспечивая защиту, по сравнению с устройствами, рассчитанными на единственную точку отказа, что характерно для устройств с одним контроллером. В RAID-1 с дуплексированием дисков, работающих под управлением разных контроллеров (в отличие от зеркального RAID-1, для которого используется один контроллер) так же обеспечивается дополнительная защита и повышенная готовность.

Оперативно заменяемые диски и диски с горячем резервированием могут ещё больше повысить готовность к критическим условиям, обеспечивая автоматический переход по отказу и восстановлению матрицы, они снижают подверженность к катастрофическим отказам и обеспечивают максимальную готовность.

Производительность
Относительная производительность различных уровней RAID зависит от предполагаемого применения. Наилучшим компромиссным решением для многих ситуаций считается RAID5, но если приложения интенсивно используют операции записи, то этот выбор называется …

Особенно это относится к реляционным базам данных и индексным файлам, когда базы данных выполняют операции с умеренной или большой интенсивностью. Для этих случаев ущерб для производительности из-за применения RAID5 может оказаться существенным. Более подходящей альтернативой является RAID0+1 (или RAID10).

Независимо от уровня RAID, выбранного для конкретного приложения будет лучше использовать большее число дисков вместо небольшого числа крупных дисков. Чем больше дисков будет использоваться в матрице с чередованием, тем больше преимуществ получается от параллельных операций чтения или записи, которые можно реализовать, и поэтому общая скорость работы матрицы будет выше.

Отличия в затратах между различными конфигурациями RAID складываются в основном из стоимости дисков с потенциальным включением стоимости дополнительных корпусов матриц, поскольку для некоторых RAID нужно много дисков. RAID1 (зеркальный или дуплексный) – является наиболее дорогим решением, поскольку для него требуется пространство на дисках, по меньшей мере, на 33% больше при учёте чистого объёма дисковой памяти.

Следует учесть, что уровни RAID с зеркалами или дуплексированием должны использовать диски парами. Поэтому при необходимости увеличения ёмкости такой матрицы – это будет труднее и, соответственно, дороже. Например, чтобы удвоить объём матрицы RAID10 с чистым объёмом 72 Гб, состоящий из 4-х дисков по 36 Гб, потребуется ещё 4 диска по 36 Гб. Это неприятная перспектива, если в корпусе RAID-матрицы имеется только шесть мест для установки дисков. Чтобы удвоить объём матрицы RAID5 с тем же чистым объёмом и тем же числом дисков – потребуется добавить только два диска по 36 Гб, что даст в сумме пять дисков.

Недавно появившиеся стойки с матрицами дисков SAS, размером 2, 5 дюйма, позволили существенно сократить требования к пространству больших матриц RAID, в частности в пространстве, подходяще для размещения пары жёстких дисков, можно поместить восемь дисков SAS с поддержкой их оперативной замены.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: