(+) : Имеет высокую надёжность - работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве. Вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна произведению вероятностей отказа каждого диска. На практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры - вновь восстанавливать избыточность. Для этого с любым уровнем RAID (кроме нулевого) рекомендуют использовать диски горячего резерва . Достоинство такого подхода - поддержание постоянной доступности.
(-) : Недостаток заключается в том, что приходится выплачивать стоимость двух жёстких дисков, получая полезный объём лишь одного жёсткого диска.
Зеркало на многих дисках - RAID 1+0 или RAID 0+1 . Под RAID 10 (RAID 1+0) имеют в виду вариант, когда два или более RAID 1 объединяются в RAID 0. Под RAID 0+1 может подразумеваться два варианта:
Массивы такого типа основаны на использовании кода Хемминга . Диски делятся на две группы: для данных и для кодов коррекции ошибок, причём если данные хранятся на дисках, то для хранения кодов коррекции необходимо дисков. Данные распределяются по дискам, предназначенным для хранения информации, так же, как и в RAID 0, т.е. они разбиваются на небольшие блоки по числу дисков. Оставшиеся диски хранят коды коррекции ошибок, по которым в случае выхода какого-либо жёсткого диска из строя возможно восстановление информации. Метод Хемминга давно применяется в памяти типа ECC и позволяет на лету исправлять однократные и обнаруживать двукратные ошибки.
Достоинством массива RAID 2 является повышение скорости дисковых операций по сравнению с производительностью одного диска.
Недостатком массива RAID 2 является то, что минимальное количество дисков, при котором имеет смысл его использовать,- 7. При этом нужна структура из почти двойного количества дисков (для n=3 данные будут храниться на 4 дисках), поэтому такой вид массива не получил распространения. Если же дисков около 30-60, то перерасход получается 11-19%.
В массиве RAID 3 из дисков данные разбиваются на куски размером меньше сектора (разбиваются на байты) или блоки и распределяются по дискам. Ещё один диск используется для хранения блоков чётности. В RAID 2 для этой цели применялся диск, но большая часть информации на контрольных дисках использовалась для коррекции ошибок на лету, в то время как большинство пользователей удовлетворяет простое восстановление информации в случае поломки диска, для чего хватает информации, умещающейся на одном выделенном жёстком диске.
Отличия RAID 3 от RAID 2: невозможность коррекции ошибок на лету и меньшая избыточность.
Достоинства:
Недостатки:
RAID 4 похож на RAID 3, но отличается от него тем, что данные разбиваются на блоки, а не на байты. Таким образом, удалось отчасти «победить» проблему низкой скорости передачи данных небольшого объёма. Запись же производится медленно из-за того, что чётность для блока генерируется при записи и записывается на единственный диск. Из систем хранения широкого распространения RAID-4 применяется на устройствах хранения компании NetApp (NetApp FAS), где его недостатки успешно устранены за счет работы дисков в специальном режиме групповой записи, определяемом используемой на устройствах внутренней файловой системой WAFL .
Основным недостатком уровней RAID от 2-го до 4-го является невозможность производить параллельные операции записи, так как для хранения информации о чётности используется отдельный контрольный диск. RAID 5 не имеет этого недостатка. Блоки данных и контрольные суммы циклически записываются на все диски массива, нет асимметричности конфигурации дисков. Под контрольными суммами подразумевается результат операции XOR (исключающее или). Xor обладает особенностью, которая применяется в RAID 5, которая даёт возможность заменить любой операнд результатом, и, применив алгоритм xor , получить в результате недостающий операнд. Например: a xor b = c (где a , b , c - три диска рейд-массива), в случае если a откажет, мы можем получить его, поставив на его место c и проведя xor между c и b : c xor b = a. Это применимо вне зависимости от количества операндов: a xor b xor c xor d = e . Если отказывает c тогда e встаёт на его место и проведя xor в результате получаем c : a xor b xor e xor d = c . Этот метод по сути обеспечивает отказоустойчивость 5 версии. Для хранения результата xor требуется всего 1 диск, размер которого равен размеру любого другого диска в raid.
(+) : RAID5 получил широкое распространение, в первую очередь, благодаря своей экономичности. Объём дискового массива RAID5 рассчитывается по формуле (n-1)*hddsize, где n - число дисков в массиве, а hddsize - размер наименьшего диска. Например, для массива из 4-х дисков по 80 гигабайт общий объём будет (4 - 1) * 80 = 240 гигабайт. На запись информации на том RAID 5 тратятся дополнительные ресурсы и падает производительность, так как требуются дополнительные вычисления и операции записи, зато при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких дисков массива могут обрабатываться параллельно.
(-) : Производительность RAID 5 заметно ниже, в особенности на операциях типа Random Write (записи в произвольном порядке), при которых производительность падает на 10-25% от производительности RAID 0 (или RAID 10), так как требует большего количества операций с дисками (каждая операция записи сервера заменяется на контроллере RAID на три - одну операцию чтения и две операции записи). Недостатки RAID 5 проявляются при выходе из строя одного из дисков - весь том переходит в критический режим (degrade), все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко падает производительность. При этом уровень надежности снижается до надежности RAID-0 с соответствующим количеством дисков (то есть в n раз ниже надежности одиночного диска). Если до полного восстановления массива произойдет выход из строя, или возникнет невосстановимая ошибка чтения хотя бы на еще одном диске, то массив разрушается, и данные на нем восстановлению обычными методами не подлежат. Следует также принять во внимание, что процесс RAID Reconstruction (восстановления данных RAID за счет избыточности) после выхода из строя диска вызывает интенсивную нагрузку чтения с дисков на протяжении многих часов непрерывно, что может спровоцировать выход какого-либо из оставшихся дисков из строя в этот наименее защищенный период работы RAID, а также выявить ранее необнаруженные сбои чтения в массивах cold data (данных, к которым не обращаются при обычной работе массива, архивные и малоактивные данные), что повышает риск сбоя при восстановлении данных. Минимальное количество используемых дисков равно трём.
Примечание: поддерживается не во всех контроллерах RAID level-5EE подобен массиву RAID-5E, но с более эффективным использованием резервного диска и более коротким временем восстановления. Подобно RAID level-5E, этот уровень RAID-массива создает ряды данных и контрольных сумм во всех дисках массива. Массив RAID-5EE обладает улучшенной защитой и производительностью. При применении RAID level-5E, ёмкость логического тома ограничивается ёмкостью двух физических винчестеров массива (один для контроля, один резервный). Резервный диск является частью массива RAID level-5EE. Тем не менее, в отличие от RAID level-5E, использующего неразделенное свободное место для резерва, в RAID level-5EE в резервный диск вставлены блоки контрольных сумм, как показывается далее на примере. Это позволяет быстрее перестраивать данные при поломке физического диска. При такой конфигурации, вы не сможете использовать его с другими массивами. Если вам необходим запасной диск для другого массива, вам следует иметь еще один резервный винчестер. RAID level-5E требует как минимум четырех дисков и, в зависимости от уровня прошивки и их ёмкости, поддерживает от 8 до 16 дисков. RAID level-5E обладает определенной прошивкой. Примечание: для RAID level-5EЕ, вы можете использовать только один логический том в массиве.
Достоинства:
Недостатки:
RAID 6 - похож на RAID 5, но имеет более высокую степень надёжности - под контрольные суммы выделяется ёмкость 2-х дисков, рассчитываются 2 суммы по разным алгоритмам. Требует более мощный RAID-контроллер. Обеспечивает работоспособность после одновременного выхода из строя двух дисков - защита от кратного отказа. Для организации массива требуется минимум 4 диска . Обычно использование RAID-6 вызывает примерно 10-15% падение производительности дисковой группы, по сравнению с аналогичными показателями RAID-5, что вызвано большим объёмом обработки для контроллера (необходимость рассчитывать вторую контрольную сумму, а также прочитывать и перезаписывать больше дисковых блоков при записи каждого блока).
RAID 7 - зарегистрированная торговая марка компании Storage Computer Corporation, отдельным уровнем RAID не является. Структура массива такова: на дисках хранятся данные, один диск используется для складирования блоков чётности. Запись на диски кешируется с использованием оперативной памяти, сам массив требует обязательного ИБП ; в случае перебоев с питанием происходит повреждение данных.
Схема архитектуры RAID 10
RAID 10 - зеркалированный массив, данные в котором записываются последовательно на несколько дисков, как в RAID 0 . Эта архитектура представляет собой массив типа RAID 0, сегментами которого вместо отдельных дисков являются массивы RAID 1. Соответственно, массив этого уровня должен содержать как минимум 4 диска. RAID 10 объединяет в себе высокую отказоустойчивость и производительность.
Нынешние контроллеры используют этот режим по умолчанию для RAID 1+0. То есть, один диск основной, второй - зеркало, считывание данных производится с них поочередно. Сейчас можно считать, что RAID 10 и RAID 1+0 - это просто разное название одного и того же метода зеркалирования дисков. Утверждение, что RAID 10 является самым надёжным вариантом для хранения данных, ошибочно, т.к., несмотря на то, что для данного уровня RAID возможно сохранение целостности данных при выходе из строя половины дисков, необратимое разрушение массива происходит при выходе из строя уже двух дисков, если они находятся в одной зеркальной паре.
Помимо базовых уровней RAID 0 - RAID 5, описанных в стандарте, существуют комбинированные уровни RAID 1+0, RAID 3+0, RAID 5+0, RAID 1+5, которые различные производители интерпретируют каждый по-своему.
Комбинированные уровни наследуют как преимущества, так и недостатки своих «родителей»: появление чередования в уровне RAID 5+0 нисколько не добавляет ему надёжности, но зато положительно отражается на производительности. Уровень RAID 1+5, наверное, очень надёжный, но не самый быстрый и, к тому же, крайне неэкономичный: полезная ёмкость тома меньше половины суммарной ёмкости дисков…
Стоит отметить, что количество жёстких дисков в комбинированных массивах также изменится. Например для RAID 5+0 используют 6 или 8 жёстких дисков, для RAID 1+0 - 4, 6 или 8.
| Уровень | Количество дисков | Эффективная ёмкость* | Отказоустойчивость | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | от 2 | S * N | нет | наивысшая производительность | очень низкая надёжность |
| 1 | 2 | S | 1 диск | надёжность | |
| 1E | от 3 | S * N / 2 | 1 диск** | высокая защищённость данных и неплохая производительность | двойная стоимость дискового пространства |
| 10 или 01 | от 4, чётное | S * N / 2 | 1 диск*** | наивысшая производительность и высокая надёжность | двойная стоимость дискового пространства |
| 5 | от 3 до 16 | S * (N - 1) | 1 диск | экономичность, высокая надёжность, неплохая производительность | производительность ниже RAID 0 |
| 50 | от 6, чётное | S * (N - 2) | 2 диска** | высокая надёжность и производительность | высокая стоимость и сложность обслуживания |
| 5E | от 4 | S * (N - 2) | 1 диск | экономичность, высокая надёжность, скорость выше RAID 5 | |
| 5EE | от 4 | S * (N - 2) | 1 диск | быстрое реконструирование данных после сбоя, экономичность, высокая надёжность, скорость выше RAID 5 | производительность ниже RAID 0 и 1, резервный накопитель работает на холостом ходу и не проверяется |
| 6 | от 4 | S * (N - 2) | 2 диска | экономичность, наивысшая надёжность | производительность ниже RAID 5 |
| 60 | от 8, чётное | S * (N - 2) | 2 диска | высокая надёжность, большой объем данных | |
| 61 | от 8, чётное | S * (N - 2) / 2 | 2 диска** | очень высокая надёжность | высокая стоимость и сложность организации |
* N - количество дисков в массиве, S - объём наименьшего диска. ** Информация не потеряется, если выйдут из строя все диски в пределах одного зеркала. *** Информация не потеряется, если выйдут из строя два диска в пределах разных зеркал.
Matrix RAID - это технология, реализованная фирмой Intel в своих чипсетах начиная с ICH6R. Строго говоря, эта технология не является новым уровнем RAID (ее аналог существует в аппаратных RAID-контроллерах высокого уровня), она позволяет, используя небольшое количество дисков организовать одновременно один или несколько массивов уровня RAID 1, RAID 0 и RAID 5. Это позволяет за сравнительно небольшие деньги обеспечить для одних данных повышенную надёжность, а для других высокую скорость доступа и производства.
Многие RAID-контроллеры оснащены набором дополнительных функций:
Для реализации RAID можно применять не только аппаратные средства, но и полностью программные компоненты (драйверы). Например, в системах на ядре Linux существуют специальные модули ядра , а управлять RAID-устройствами можно с помощью утилиты mdadm . Программный RAID имеет свои достоинства и недостатки. С одной стороны, он ничего не стоит (в отличие от аппаратных RAID-контроллеров, цена которых от $250). С другой стороны, программный RAID использует ресурсы центрального процессора , и в моменты пиковой нагрузки на дисковую систему процессор может значительную часть мощности тратить на обслуживание RAID-устройств.
Ядро Linux 2.6.28 (последнее из вышедших в 2008 году) поддерживает программные RAID следующих уровней: 0, 1, 4, 5, 6, 10. Реализация позволяет создавать RAID на отдельных разделах дисков, что аналогично описанному выше Matrix RAID. Поддерживается загрузка с RAID.
Идея RAID-массивов - в объединении дисков, каждый из которых рассматривается как набор секторов, и в результате драйвер файловой системы «видит» как бы единый диск и работает с ним, не обращая внимания на его внутреннюю структуру. Однако, можно добиться существенного повышения производительности и надёжности дисковой системы, если драйвер файловой системы будет «знать» о том, что работает не с одним диском, а с набором дисков.
Более того: при разрушении любого из дисков в составе RAID-0 вся информация в массиве окажется потерянной. Но если драйвер файловой системы разместил каждый файл на одном диске, и при этом правильно организована структура директорий, то при разрушении любого из дисков будут потеряны только файлы, находившиеся на этом диске; а файлы, целиком находящиеся на сохранившихся дисках, останутся доступными.
Сотрудник корпорации Y-E Data, которая является крупнейшим в мире производителем USB флоппи-дисководов, Дэниэл Олсон в качестве эксперимента создал RAID-массив из четырех
Перенос центра тяжести с процессоро-ориентированных на дата-ориентированные приложения обуславливает повышение значимости систем хранения данных. Вместе с этим проблема низкой пропускной способности и отказоустойчивости характерная для таких систем всегда была достаточно важной и всегда требовала своего решения.
В современной компьютерной индустрии в качестве вторичной системы хранения данных повсеместно используются магнитные диски, ибо, несмотря на все свои недостатки, они обладают наилучшими характеристиками для соответствующего типа устройств при доступной цене.
Особенности технологии построения магнитных дисков привели к значительному несоответствию между увеличением производительности процессорных модулей и самих магнитных дисков. Если в 1990 г. лучшими среди серийных были 5.25″ диски со средним временем доступа 12мс и временем задержки 5 мс (при оборотах шпинделя около 5 000 об/м 1), то сегодня пальма первенства принадлежит 3.5″ дискам со средним временем доступа 5 мс и временем задержки 1 мс (при оборотах шпинделя 10 000 об/м). Здесь мы видим улучшение технических характеристик на величину около 100%. В тоже время, быстродействие процессоров увеличилось более чем на 2 000%. Во многом это стало возможно благодаря тому, что процессоры имеют прямые преимущества использования VLSI (сверхбольшой интеграции). Ее использование не только дает возможность увеличивать частоту, но и число компонент, которые могут быть интегрированы в чип, что дает возможность внедрять архитектурные преимущества, которые позволяют осуществлять параллельные вычисления.
1 - Усредненные данные.
Сложившуюся ситуацию можно охарактеризовать как кризис ввода-вывода вторичной системы хранения данных.
Невозможность значительного увеличения технологических параметров магнитных дисков влечет за собой необходимость поиска других путей, одним из которых является параллельная обработка.
Если расположить блок данных по N дискам некоторого массива и организовать это размещение так, чтобы существовала возможность одновременного считывания информации, то этот блок можно будет считать в N раз быстрее, (без учёта времени формирования блока). Поскольку все данные передаются параллельно, это архитектурное решение называется parallel-access array (массив с параллельным доступом).
Массивы с параллельным доступом обычно используются для приложений, требующих передачи данных большого размера.
Некоторые задачи, наоборот, характерны большим количеством малых запросов. К таким задачам относятся, например, задачи обработки баз данных. Располагая записи базы данных по дискам массива, можно распределить загрузку, независимо позиционируя диски. Такую архитектуру принято называть independent-access array (массив с независимым доступом).
К сожалению, при увеличении количества дисков в массиве, надежность всего массива уменьшается. При независимых отказах и экспоненциальном законе распределения наработки на отказ, MTTF всего массива (mean time to failure - среднее время безотказной работы) вычисляется по формуле MTTF array = MMTF hdd /N hdd (MMTF hdd - среднее время безотказной работы одного диска; NHDD - количество дисков).
Таким образом, возникает необходимость повышения отказоустойчивости дисковых массивов. Для повышения отказоустойчивости массивов используют избыточное кодирование. Существует два основных типа кодирования, которые применяются в избыточных дисковых массивах - это дублирование и четность.
Дублирование, или зеркализация - наиболее часто используются в дисковых массивах. Простые зеркальные системы используют две копии данных, каждая копия размещается на отдельных дисках. Это схема достаточно проста и не требует дополнительных аппаратных затрат, но имеет один существенный недостаток - она использует 50% дискового пространства для хранения копии информации.
Второй способ реализации избыточных дисковых массивов - использование избыточного кодирования с помощью вычисления четности. Четность вычисляется как операция XOR всех символов в слове данных. Использование четности в избыточных дисковых массивах уменьшает накладные расходы до величины, исчисляемой формулой: НР hdd =1/N hdd (НР hdd - накладные расходы; N hdd - количество дисков в массиве).
Несмотря на то, что системы хранения данных, основанные на магнитных дисках, производятся уже 40 лет, массовое производство отказоустойчивых систем началось совсем недавно. Дисковые массивы с избыточностью данных, которые принято называть RAID (redundant arrays of inexpensive disks - избыточный массив недорогих дисков) были представлены исследователями (Петтерсон, Гибсон и Катц) из Калифорнийского университета в Беркли в 1987 году. Но широкое распространение RAID системы получили только тогда, когда диски, которые подходят для использования в избыточных массивах стали доступны и достаточно производительны. Со времени представления официального доклада о RAID в 1988 году, исследования в сфере избыточных дисковых массивов начали бурно развиваться, в попытке обеспечить широкий спектр решений в сфере компромисса - цена-производительность-надежность.
С аббревиатурой RAID в свое время случился казус. Дело в том, что недорогими дисками во время написания статьи назывались все диски, которые использовались в ПК, в противовес дорогим дискам для мейнфрейм (универсальная ЭВМ). Но для использования в массивах RAID пришлось использовать достаточно дорогостоящую аппаратуру по сравнению с другой комплектовкой ПК, поэтому RAID начали расшифровывать как redundant array of independent disks 2 - избыточный массив независимых дисков.
2 - Определение RAID Advisory Board
RAID 0 был представлен индустрией как определение не отказоустойчивого дискового массива. В Беркли RAID 1 был определен как зеркальный дисковый массив. RAID 2 зарезервирован для массивов, которые применяют код Хемминга. Уровни RAID 3, 4, 5 используют четность для защиты данных от одиночных неисправностей. Именно эти уровни, включительно по 5-й были представлены в Беркли, и эта систематика RAID была принята как стандарт де-факто.
Уровни RAID 3,4,5 достаточно популярны, имеют хороший коэффициент использования дискового пространства, но у них есть один существенный недостаток - они устойчивы только к одиночным неисправностям. Особенно это актуально при использовании большого количества дисков, когда вероятность одновременного простоя более чем одного устройства увеличивается. Кроме того, для них характерно длительное восстановление, что также накладывает некоторые ограничения для их использования.
На сегодняшний день разработано достаточно большое количество архитектур, которые обеспечивают работоспособность массива при одновременном отказе любых двух дисков без потери данных. Среди всего множества стоит отметить two-dimensional parity (двухпространственная четность) и EVENODD, которые для кодирования используют четность, и RAID 6, в котором используется кодирование Reed-Solomon.
В схеме использующей двухпространственную четность, каждый блок данных участвует в построении двух независимых кодовых слов. Таким образом, если из строя выходит второй диск в том же кодовом слове, для реконструкции данных используется другое кодовое слово.
Минимальная избыточность в таком массиве достигается при равном количестве столбцов и строчек. И равна: 2 x Square (N Disk) (в «квадрат»).
Если же двухпространственный массив не будет организован в «квадрат», то при реализации вышеуказанной схемы избыточность будет выше.
Архитектура EVENODD имеет похожую на двухпространственную четность схему отказоустойчивости, но другое размещение информационных блоков, которое гарантирует минимальное избыточное использование емкостей. Так же как и в двухпространственной четности каждый блок данных участвует в построении двух независимый кодовых слов, но слова размещены таким образом, что коэффициент избыточности постоянен (в отличие от предыдущей схемы) и равен: 2 x Square (N Disk).
Используя два символа для проверки, четность и недвоичные коды, слово данных может быть сконструировано таким образом, чтобы обеспечить отказоустойчивость при возникновении двойной неисправности. Такая схема известна как RAID 6. Недвоичный код, построенный на основе Reed-Solomon кодирования, обычно вычисляется с использованием таблиц или как итерационный процесс с использованием линейных регистров с обратной связью, а это - относительно сложная операция, требующая специализированных аппаратных средств.
Учитывая то, что применение классических вариантов RAID, реализующих для многих приложений достаточную отказоустойчивость, имеет часто недопустимо низкое быстродействие, исследователи время от времени реализуют различные ходы, которые помогают увеличить быстродействие RAID систем.
В 1996 г. Саведж и Вилкс предложили AFRAID - часто избыточный массив независимых дисков (A Frequently Redundant Array of Independent Disks). Эта архитектура в некоторой степени приносит отказоустойчивость в жертву быстродействию. Делая попытку компенсировать проблему малой записи (small-write problem), характерную для массивов RAID 5-го уровня, разрешается оставлять стрипинг без вычисления четности на некоторый период времени. Если диск, предназначенный для записи четности, занят, то ее запись откладывается. Теоретически доказано, что 25% уменьшение отказоустойчивости может увеличить быстродействие на 97%. AFRAID фактически изменяет модель отказов массивов устойчивых к одиночным неисправностям, поскольку кодовое слово, которое не имеет обновленной четности, восприимчиво к отказам дисков.
Вместо того чтобы приносить в жертву отказоустойчивость, можно использовать такие традиционные способы увеличения быстродействия, как кэширование. Учитывая то, что дисковый трафик имеет пульсирующий характер, можно использовать кеш память с обратной записью (writeback cache) для хранения данных в момент, когда диски заняты. И если кеш-память будет выполнена в виде энергонезависимой памяти, тогда, в случае исчезновения питания, данные будут сохранены. Кроме того, отложенные дисковые операции, дают возможность объединить в произвольном порядке малые блоки для выполнения более эффективных дисковых операций.
Существует также множество архитектур, которые, принося в жертву объем, увеличивают быстродействие. Среди них - отложенная модификация на log диск и разнообразные схемы модификации логического размещение данных в физическое, которые позволяют распределять операции в массиве более эффективно.
Один из вариантов - parity logging (регистрация четности), который предполагает решение проблемы малой записи (small-write problem) и более эффективного использования дисков. Регистрация четности предполагает отложение изменения четности в RAID 5, записывая ее в FIFO log (журнал регистраций типа FIFO), который размещен частично в памяти контроллера и частично на диске. Учитывая то, что доступ к полному треку в среднем в 10 раз более эффективен, чем доступ к сектору, с помощью регистрации четности собираются большие количества данных модифицированной четности, которые потом все вместе записываются на диск, предназначенный для хранения четности по всему треку.
Архитектура floating data and parity (плавающие данные и четность), которая разрешает перераспределить физическое размещение дисковых блоков. Свободные сектора размещаются на каждом цилиндре для уменьшения rotational latency (задержки вращения), данные и четность размещаются на этих свободных местах. Для того, чтобы обеспечить работоспособность при исчезновении питания, карту четности и данных нужно сохранять в энергонезависимой памяти. Если потерять карту размещения все данные в массиве будут потеряны.
Virtual stripping - представляет собой архитектуру floating data and parity с использованием writeback cache. Естественно реализуя положительные стороны обеих.
Кроме того, существуют и другие способы повышения быстродействия, например распределение RAID операций. В свое время фирма Seagate встроила поддержку RAID операций в свои диски с интерфейсом Fibre Chanel и SCSI. Что дало возможность уменьшить трафик между центральным контроллером и дисками в массиве для систем RAID 5. Это было кардинальным новшеством в сфере реализаций RAID, но технология не получила путевки в жизнь, так как некоторые особенности Fibre Chanel и SCSI стандартов ослабляют модель отказов для дисковых массивов.
Для того же RAID 5 была представлена архитектура TickerTAIP. Выглядит она следующим образом - центральный механизм управления originator node (узел-инициатор) получает запросы пользователя, выбирает алгоритм обработки и затем передает работу с диском и четность worker node (рабочий узел). Каждый рабочий узел обрабатывает некоторое подмножество дисков в массиве. Как и в модели фирмы Seagate, рабочие узлы передают данные между собой без участия узла-инициатора. В случае отказа рабочего узла, диски, которые он обслуживал, становятся недоступными. Но если кодовое слово построено так, что каждый его символ обрабатывается отдельным рабочим узлом, то схема отказоустойчивости повторяет RAID 5. Для предупреждения отказов узла-инициатора он дублируется, таким образом, мы получаем архитектуру, устойчивую к отказам любого ее узла. При всех своих положительных чертах эта архитектура страдает от проблемы «ошибки записи» («;write hole»). Что подразумевает возникновение ошибки при одновременном изменении кодового слова несколькими пользователями и отказа узла.
Следует также упомянуть достаточно популярный способ быстрого восстановления RAID - использование свободного диска (spare). При отказе одного из дисков массива, RAID может быть восстановлен с использованием свободного диска вместо вышедшего из строя. Основной особенностью такой реализации есть то, что система переходит в свое предыдущее (отказоустойчивое состояние без внешнего вмешательства). При использовании архитектуры распределения свободного диска (distributed sparing), логические блоки spare диска распределяются физически по всем дискам массива, снимая необходимость перестройки массива при отказе диска.
Для того чтобы избежать проблемы восстановления, характерной для классических уровней RAID, используется также архитектура, которая носит название parity declustering (распределение четности). Она предполагает размещение меньшего количества логических дисков с большим объемом на физические диски меньшего объема, но большего количества. При использовании этой технологии время реакции системы на запрос во время реконструкции улучшается более чем вдвое, а время реконструкции - значительно уменьшается.
Теперь давайте рассмотрим архитектуру основных уровней (basic levels) RAID более детально. Перед рассмотрением примем некоторые допущения. Для демонстрации принципов построения RAID систем рассмотрим набор из N дисков (для упрощения N будем считать четным числом), каждый из которых состоит из M блоков.
Данные будем обозначать - D m,n , где m - число блоков данных, n - число подблоков, на которые разбивается блок данных D.
Диски могут подключаться как к одному, так и к нескольким каналам передачи данных. Использование большего количества каналов увеличивает пропускную способность системы.
Представляет собой дисковый массив, в котором данные разбиваются на блоки, и каждый блок записываются (или же считывается) на отдельный диск. Таким образом, можно осуществлять несколько операций ввода-вывода одновременно.
Преимущества :
Недостатки :
Зеркалирование - традиционный способ для повышения надежности дискового массива небольшого 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.
Преимущества :
Недостатки :
Избыточное кодирование, которое используется в RAID 2, носит название кода Хемминга. Код Хемминга позволяет исправлять одиночные и обнаруживать двойные неисправности. Сегодня активно используется в технологии кодирования данных в оперативной памяти типа ECC. И кодировании данных на магнитных дисках.
В данном случае показан пример с фиксированным количеством дисков в связи с громоздкостью описания (слово данных состоит из 4 бит, соответственно ECC код из 3-х).
Преимущества :
Недостатки :
Данные разбиваются на подблоки на уровне байт и записываются одновременно на все диски массива кроме одного, который используется для четности. Использование RAID 3 решает проблему большой избыточности в RAID 2. Большинство контрольных дисков, используемых в RAID уровня 2, нужны для определения положения неисправного разряда. Но в этом нет нужды, так как большинство контроллеров в состоянии определить, когда диск отказал при помощи специальных сигналов, или дополнительного кодирования информации, записанной на диск и используемой для исправления случайных сбоев.
Преимущества :
Недостатки :
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 уровня 4 повышает производительность передачи небольших объемов данных за счет параллелизма, давая возможность выполнять более одного обращения по вводу/выводу одновременно. Главное отличие между RAID 3 и 4 состоит в том, что в последнем, расслоение данных выполняется на уровне секторов, а не на уровне битов или байтов.
Преимущества :
Недостатки :
Этот уровень похож на RAID 4, но в отличие от предыдущего четность распределяется циклически по всем дискам массива. Это изменение позволяет увеличить производительность записи небольших объемов данных в многозадачных системах. Если операции записи спланировать должным образом, то, возможно, параллельно обрабатывать до N/2 блоков, где N - число дисков в группе.
Преимущества :
Недостатки :
Данные разбиваются на блочном уровне, аналогично RAID 5, но в дополнение к предыдущей архитектуре используется вторая схема для повышения отказоустойчивости. Эта архитектура является устойчивой к двойным отказам. Однако при выполнении логической записи реально происходит шесть обращений к диску, что сильно увеличивает время обработки одного запроса.
Преимущества :
Недостатки :
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.
Эта архитектура являет собой массив типа RAID 0, сегментами которого являются массивы RAID 1. Он объединяет в себе очень высокую отказоустойчивость и производительность.
Преимущества :
Недостатки :
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.
Преимущества :
Недостатки :
Являет собой массив типа RAID 0, сегментами которого являются массивы RAID 5. Он объединяет в себе отказоустойчивость и высокую производительность для приложений с большой интенсивностью запросов и высокую скорость передачи данных.
Преимущества :
Недостатки :
Для понимания архитектуры RAID 7 рассмотрим ее особенности:
Преимущества :
Недостатки :
Рассмотрим теперь стандартные уровни вместе для сравнения их характеристик. Сравнение производится в рамках архитектур, упомянутых в таблице.
| RAID | Минимум дисков | Потребность в дисках | Отказо- устойчивость | Скорость передачи данных | Интенсивность обработки запросов | Практическое использование |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 2 | N | очень высокая до N х 1 диск | Графика, видео | ||
| 1 | 2 | 2N * | R > 1 диск W = 1 диск | до 2 х 1 диск W = 1 диск | малые файл-серверы | |
| 2 | 7 | 2N | ~ RAID 3 | Низкая | мейнфреймы | |
| 3 | 3 | N+1 | Низкая | Графика, видео | ||
| 4 | 3 | N+1 | R W | R = RAID 0 W | файл-серверы | |
| 5 | 3 | N+1 | R W | R = RAID 0 W | серверы баз данных | |
| 6 | 4 | N+2 | самая высокая | низкая | R > 1 диск W | используется крайне редко |
| 7 | 12 | N+1 | самая высокая | самая высокая | разные типы приложений |
Уточнения :
Рассмотрим три основных варианта реализации RAID систем:
Нельзя однозначно сказать, что какая-либо реализация лучше, чем другая. Каждый вариант организации массива удовлетворяет тем или иным потребностям пользователя в зависимости от финансовых возможностей, количества пользователей и используемых приложений.
Каждая из вышеперечисленных реализаций базируется на исполнении программного кода. Отличаются они фактически тем, где этот код исполняется: в центральном процессоре компьютера (программная реализация) или в специализированном процессоре на RAID контроллере (аппаратная реализация).
Главное преимущество программной реализации - низкая стоимость. Но при этом у нее много недостатков: низкая производительность, загрузка дополнительной работой центрального процессора, увеличение шинного трафика. Программно обычно реализуют простые уровни RAID - 0 и 1, так как они не требуют значительных вычислений. Учитывая эти особенности, RAID системы с программной реализацией используются в серверах начального уровня.
Аппаратные реализации RAID соответственно стоят больше чем программные, так как используют дополнительную аппаратуру для выполнения операций ввода вывода. При этом они разгружают или освобождают центральный процессор и системную шину и соответственно позволяют увеличить быстродействие.
Шинно-ориентированные реализации представляют собой RAID контроллеры, которые используют скоростную шину компьютера, в который они устанавливаются (в последнее время обычно используется шина PCI). В свою очередь шинно-ориентированные реализации можно разделить на низкоуровневые и высокоуровневые. Первые обычно не имеют SCSI чипов и используют так называемый RAID порт на материнской плате со встроенным SCSI контроллером. При этом функции обработки кода RAID и операций ввода/вывода распределяются между процессором на RAID контроллере и чипами SCSI на материнской плате. Таким образом, центральный процессор освобождается от обработки дополнительного кода и уменьшается шинный трафик по сравнению с программным вариантом. Стоимость таких плат обычно небольшая, особенно если они ориентированы на системы RAID - 0 или 1 (есть также реализации RAID 3, 5, 10, 30, 50, но они дороже), благодаря чему они понемногу вытесняют программные реализации с рынка серверов начального уровня. Высокоуровневые контроллеры с шинной реализацией имеют несколько другую структуру, чем их младшие братья. Они берут на себя все функции, связанные с вводом/выводом и исполнением RAID кода. Кроме того, они не так зависимы от реализации материнской платы и, как правило, имеют больше возможностей (например, возможность подключения модуля для хранения информации в кеш в случае отказа материнской платы или исчезновения питания). Такие контроллеры обычно стоят дороже низкоуровневых и используются в серверах среднего и высокого уровня. Они, как правило, реализуют RAID уровней 0,1, 3, 5, 10, 30, 50. Учитывая то, что шинно-ориентированные реализации подключаются прямо к внутренней PCI шине компьютера, они являются наиболее производительными среди рассматриваемых систем (при организации одно-хостовых систем). Максимальное быстродействие таких систем может достигать 132 Мбайт/с (32bit PCI) или же 264 Мбайт/с (64bit PCI) при частоте шины 33MHz.
Вместе с перечисленными преимуществами шинно-ориентированная архитектура имеет следующие недостатки:
Всех этих недостатков можно избежать, используя автономные подсистемы. Эти системы имеют полностью автономную внешнюю организацию и в принципе являют собой отдельный компьютер, который используется для организации систем хранения информации. Кроме того, в случае удачного развития технологии оптоволоконных каналов быстродействие автономных систем ни в чем не будет уступать шинно-ориентированным системам.
Обычно внешний контроллер ставится в отдельную стойку и в отличие от систем с шинной организацией может иметь большое количество каналов ввода/вывода, в том числе и хост-каналов, что дает возможность подключать к системе несколько хост-компьютеров и организовывать кластерные системы. В системах с автономным контроллером можно реализовать горячее резервирование контроллеров.
Одним из недостатков автономных систем остается их большая стоимость.
Учитывая вышесказанное, отметим, что автономные контроллеры обычно используются для реализации высокоемких хранилищ данных и кластерных систем.
В первых персональных компьютерах винчестеров вообще не было. Чуть позднее они стали штатным оборудованием. Еще позднее в основном были решены проблемы совместимости, мешающие использованию одновременно и поддерживаемой в теории пары устройств, а к концу 90-х годов прошлого века конфигурация среднестатистического компьютера потенциально могла включать в себя уже и четыре винчестера. С этого момента многие пользователи заинтересовались уже использованием накопителей не по-отдельности, а в составе единого массива — как во «взрослых системах». В последних, впрочем, чаще всего применялся SCSI-интерфейс, доступный и владельцу обычной «персоналки», но излишне дорогой — требовались дешевые решения. И они появились в виде контроллеров IDE RAID.
Заметим, что наиболее часто используемым вариантом был RAID0, строго говоря, к «RAID-массивам» не относящийся, поскольку избыточность данных он не обеспечивает. Надежность хранения сравнительно с одиночным диском даже снижает. Но иногда было просто некуда деваться, поскольку винчестеры тех лет были слишком медленными для некоторых сфер применения, а альтернативных решений с более высокой производительностью не было вовсе. Использование же чередования позволяло их заметно «пришпорить». Но применялись (да и сейчас применяются) и «зеркала» (RAID1) — для повышения надежности. А наиболее обеспеченные граждане могли объединить достоинства обоих подходов посредством создания массива RAID10, что позволяло повысить и скорость, и надежность. Других режимов в те времена в массовых контроллерах «не водилось»: слишком сложными были для программной реализации — с учетом вычислительных возможностей систем того времени.
Через некоторое время дискретные RAID-контроллеры начали устанавливать и на топовые системные платы — надо же было чем-то выделяться их производителям. В итоге к массивам стали приглядываться и пользователи, ранее о них не задумывавшиеся — раз уж возможность есть. В итоге идею подхватили сами производители чипсетов, так что возможность создания RAID-массивов стала стандартной для последних. Как минимум — для старших модификаций. Причем к числу возможных вариантов добавился и RAID5, на первый взгляд выглядящий очень привлекательно: более экономным расходованием дискового пространства, чем у RAID10, но при обеспечении необходимой для надежности хранения избыточности.
А позднее начались новые времена — винчестеры перестали быть основным и единственным типом накопителей, применяющихся в компьютере. Внедрение твердотельных накопителей прервало эволюцию, оказавшись революционным шагом с точки зрения производительности. Правда было оно достаточно медленным — просто потому, что и стоимость хранения информации первое время была очень высокой. Довольно быстро снижалась, но и сейчас до паритета с винчестерами еще далеко — особенно если рассматривать «настольные» модели. Да и с абсолютной емкостью тоже пока все не просто: теоретически флэш-памяти в стандартный корпус «напихать» можно очень много, а практически это будет слишком уж дорого. Собственно, поэтому до сих пор подавляющее большинство компьютеров продается лишь с одним-единственным винчестером в качестве накопителя «для всего»: и для программ, и для данных. В принципе, даже устройств этого класса минимальной на сегодня емкости достаточно для того, чтобы полностью закрыть все потребности среднестатистического пользователя, поэтому в бюджетном сегменте такой вариант долго еще будет преобладающим, несмотря на низкую производительность. А вот чуть выше решений минимальной стоимости у покупателя есть выбор, часто приводящий его к одному из гибридных вариантов системы хранения данных. Самым дешевым (но пока до конца не изученным и освоенным) способом является кэширование посредством технологии Optane Memory. Более дорогим, но предсказуемым и совместимым со старыми системами — использование SSD невысокой емкости для операционной системы и приложений в паре с тихоходным, но очень емким винчестером для хранения данных. В итоге про RAID-массивы в бытовых персоналках все как-то и забыли. Хотя некоторые пользователи считают, что зря — все-таки и емкость самая большая (в пределах фиксированного бюджета), и производительность должна быть более высокой, чем у одиночного накопителя. Пусть, даже, и не на столько, как обеспечивают твердотельные накопители, но ведь дешево же — а вдруг и этого хватит на практике. Поэтому мы сегодня решили немного отклониться от основной линейки тестов и посмотреть — как ведут себя лучшие винчестеры в т. ч. и в массивах из двух-трех дисков, сравнительно с разными твердотельными накопителями.
Поскольку в наших руках оказалось одновременно три не совсем идентичных, но почти идентичных винчестера Seagate , они и выступили в роли «подопытных кроликов». Было бы сразу четыре — можно было бы и RAID10 организовать, а так пришлось ограничиться RAID0 из двух и RAID5 из трех дисков (три-четыре диска в RAID0 это уже за границей добра и зла, которую без необходимости мы стараемся не переступать), имеющие одинаковый объем в 20 ТБ. Собственно, чем RAID5 многим и кажется привлекательным — «пропадает» всего один накопитель в массиве, а не половина, как в «зеркалах» (RAID1, 10 и подобных). RAID0 еще «гуманнее», но ценой потенциальных проблем с надежностью. Сами же винчестеры — одни из лучших на сегодняшний день: модели на 10 ТБ со скоростью вращения 7200 об/мин, использующие заполнение гермоблока гелием. Понятно, что в роли системного и единственного накопителя даже один такой винчестер выглядит странно (мягко говоря), однако дает оценку сверху того, что вообще можно получить от массивов. Недорогие устройства малой емкости просто медленнее, в чем мы уже не раз убеждались.
С кем будем сравнивать? Во-первых, интересна разница в пределах группы. Во-вторых, для части тестов мы отобрали следующую четверку твердотельных накопителей:
Можно было бы ограничиться и меньшим количеством, но мы решили пойти навстречу читателям, жалующимся на то, что в статьях сайта редко сравниваются твердотельные накопители разных классов или, тем более, твердотельные с механическими. Просили? Сами виноваты:)
Методика подробно описана в отдельной статье . Там можно познакомиться с используемым аппаратным и программным обеспечением. Для данной статьи нам ее пришлось, немного доработать, поскольку участие в тестировании сегодня принимают и винчестеры, и твердотельные накопители, но касается это в основном использования результатов (благо тестовые программы в основном пересекаются) и их группировки.
Для начала начнем с «чисто винчестерных» тестов, в которых твердотельные накопители по понятным причинам не участвуют — для них нет зависимости скорости от конкретной области данных.
Как и предполагается априори, скорость чтения удваивается. Точнее, для RAID0 из двух дисков это очевидно. Для RAID5 на трех дисках — в общем-то тоже: для данных используется то же самое чередование. В итоге даже минимальная скорость чтения оказалась выше средней одиночного диска, а средняя — выше максимальной. Идеальный случай.
Потому что при записи все уже не так просто. Точнее, для RAID0 — по-прежнему просто и быстро, на что любят упирать «любители» этого типа массивов (который, строго говоря, RAID-массивом и не является, как уже было сказано выше). Все также работает чередование блоков с данными, так что два винчестера (или большее их количество) работают, по сути параллельно.
А вот ситуация с RAID5 печальна. Однако легко объяснима: специфика организации этого типа массивов такова, что практически любая операция записи превращается в две операции чтения и две записи, которые должны «отработать» практически одновременно. Итоговая производительность в случае «чипсетного» контроллера, фактически лишенного собственных «мозгов», так что реализующего всю необходимую функциональность на базе программного драйвера, оказывается удручающе низкой. «Нормальный аппаратный» контроллер способен ослабить проблему, но не решить ее полностью — RAID5 все равно остается одним из самых медленных типов массивов в любых условиях. Радикальным способом решения проблемы (да и практически единственно-возможным для программной реализации) является использование RAID10, сочетающего в себе и производительность, и отказоустойчивость, но... Но ценой потери уже половины потенциального пространства, т. е. для создания массива в те же 20 ТБ потребуется уже не три, а четыре диска по 10 ТБ, о чем было сказано в начале статьи. Впрочем, можно «выжать» и из чипсетного RAID5 немного больше: подбором размера блока чередования и кластера файловой системы, чем мы не занимались, оставив значения по-умолчанию. Однако повысить скорость записи до уровня хотя бы одиночного винчестера и это не позволяет — в отличие от RAID10, обеспечивающего ее удвоение (пусть и высокой ценой). В лучшем случае получается повысить скорость примерно до 100 МБ/с, т. е. RAID5 на практике даже при тонкой настройке снижает производительность операций записи. Где-нибудь в NAS это не важно: данные записываются редко, а читаются часто, да и лимитирует производительность сам по себе сетевой интерфейс (как раз значениями в районе сотни мегабайт в секунду, а то и меньше), так что высокая емкость и отказоустойчивость выходят на первый план. А вот в персональном компьютере или рабочей станции массивы такого типа просто не интересны. Точнее, интересны еще меньше, чем RAID0 или RAID1. А ведь и у первых уже появились серьезные конкуренты, но об этом чуть ниже.
Если при чтении данных латентность практически неизменна, то при записи в массиве RAID0 она резко снижается. В чем, впрочем, заслуга, скорее, не его, а алгоритмов кэширования, применяемых контроллером для массивов. Но, как видим, RAID5 и это никак не помогает. Даже наоборот, что вполне согласуется с логикой его работы.
Поскольку HD Tune Pro при тестировании твердотельных накопителей мы не используем, а вот Crystal Disk Mark «прогоняется» везде, посмотрим на его результаты.
Как и положено, производительность при чтении данных примерно удваивается. Забавный результат в многопоточном режиме связан с тем, что при использовании ограниченной области данных (в программе, напомним, мы используем лишь 2 ГБ) и современных алгоритмов внутреннего кэширования винчестеров, вкупе с нынешними емкостями кэш-памяти, данные зачастую в ней и будут оказываться еще до соответствующего запроса. Остается только передать нужный блок по интерфейсу, что происходит очень быстро. Это позволяет с легкостью опережать SATA SSD (поскольку их сдерживает именно интерфейс), да и в однопоточном режиме от них практически не отставать. Но только в «тепличных условиях» — внешние дорожки (на внутренних скорость вдвое ниже, что уже было показано выше), небольшие объемы данных. Что бывает в более сложных случаях — посмотрим чуть позже.
С записью же все намного хуже: чем-то подстегнуть многопоточный режим не получается, так что он не только медленнее однопоточного, но и удвоения скорости сравнительно с одиночным накопителем уже не наблюдается. Но в один поток потягаться с SATA SSD хотя бы можно. Во всяком случае, при использовании RAID0 из двух дисков. Если бы мы объединили в такой массив три имеющихся винчестера — было бы еще быстрее, хотя и слишком перпендикулярно здравому смыслу. А с RAID5 все традиционно плохо. Поэтому в последующих тестах мы его использовать не будем — и без того картина ясна.
Как и следовало ожидать на основании низкоуровневых тестов, в однопоточном режиме хотя бы на внешних дорожках скорость чтения сравнима с SATA SSD. Но если нужно считать 32 ГБ в 32-х файлах по 1 ГБ, производительность резко падает почти до уровня одиночного винчестера (кэширование же при таких объемах ничем помочь уже не может). Для твердотельных же накопителей, напротив, это идеальный случай. А если они не ограничены интерфейсом — тем более.
Чем, все-таки, до сих пор привлекательны механические накопители — симметричностью производительности при записи и чтении, чего для флэш-памяти и близко нет. Соответственно, на операциях записи даже некоторые NVMe-накопители могут оказаться медленнее одиночного современного винчестера. Двух — тем более. Но если не рассматривать самые медленные из устройств, то опять ничего похожего на «честную конкуренцию» не наблюдается.
А запись одновременно с чтением — хороший случай для большинства SSD и плохой для винчестеров. Причем твердотельным накопителям и (псевдо)случайный режим «жизнь не портит», в отличие от. Таким образом, быстро прочитать или записать большой объем данных современные винчестеры могут — если есть куда или откуда. Объединенными в массив RAID0 сделают это быстрее. Но поскольку обработка данных предполагает обычно и запись, и чтение, и далеко не всегда последовательные — для этой цели уже лучше использовать твердотельные накопители. Если, конечно, объемы позволяют. А вот хранить данные лучше там, где это обходится дешевле.
Но основной темой сегодняшней статьи было вовсе не исследование вопросов хранения и обработки больших массивов данных, хотя и это тоже интересно. Еще важнее — оценить перспективность использования RAID0 для ускорения обычной работы за компьютером. Когда-то это позволяло что-то выиграть сравнительно с одиночным винчестером, но тогда и программы были другими, да и операционные системы тоже. Да и сравнивать сейчас уже нужно не только «механику с механикой». Вот и сравним:)
Тестируя SSD, мы временами жаловались на то, что с точки зрения тестов высокого уровня они слишком похожи. Тестируя винчестеры — аналогично. Но они «по-разному похожи»: это два непересекающихся мира. А одиночный винчестер и RAID0 из винчестеров — один мир. Совсем один. Потенциальное ускорение от чередования к настоящему моменту по сути рассосалось: современные операционные системы и с одиночным винчестером работают настолько эффективно, насколько он позволяет (чему сильно помогает развитое кэширование данных в оперативной памяти, радикально улучшившееся в современных версиях Windows — пусть это и вызывает жалобы некоторых пользователей, привыкших к примитивной Windows XP и более ранним, на «расход памяти»). Снижение задержек пригодилось бы, но его при чтении данных (что важно для тестов высокого уровня) как раз и нет.
И даже по низкоуровневому баллу появляются различия между разными моделями твердотельных накопителей, но не более того. Винчестеры (что с ними не делай) намного медленнее. Причем в этом случае и порядки-то величин разные, что «замаскировать» получается лишь потому, что реальная работа приложений «упирается» и в другие компоненты компьютера. А иногда и в самого пользователя, что и не всегда позволяет реализовать потенциальные возможности накопителей. Твердотельных. У «механики» таковых и не водится.
Кстати, и предыдущая версия тестового пакета ведет себя аналогично. Когда-то, кстати, PCMark на массивы реагировал хорошо — но это было под управлением других ОС и на трассах, имитирующих другие приложения. А сейчас уже так. Подробные результаты, думаем, уже не нужны.
Как видим, с точки зрения тестов низкого уровня, ориентированных в первую очередь на SSD (так что изобилующими операциями со случайным доступом) сравнивать «механику» (что с ней не делай) и SSD большого смысла нет. Но и ничего удивительного в этом тоже уже нет — для винчестеров лучший сценарий это однопоточный последовательный, однако, как уже было показано выше, и в этом случае о прямой конкуренции говорить не всегда приходится. Иногда при записи, разве что, но и при этом «потолок» винчестеров (и массивов из них) сопоставим лишь с «полом» твердотельных накопителей с SATA-интерфейсом (eMMC-модули — отдельная история; но они и используются чаще всего там, куда никакие другие накопители просто «не лезут»).
Да и «подмешивание» к оценке результатов тестов высокого уровня не слишком меняет картину. По совокупности разные SSD при этом отличаются друг от друга примерно вдвое, поскольку мы взяли один из самых медленных и один из самых быстрых из протестированных накопителей, радикально различающихся конструктивно. Однако при этом и «самый медленный» быстрее массива RAID0 из пары топовых винчестеров даже не в два, а в два с половиной раза. Комментарии излишни.
В общем и целом, картина понятная. Равно как понятно и то, почему тема RAID-массивов в персональных компьютерах практически сошла на нет. Во всяком случае, в их «винчестерной» ипостаси — с массивами из SSD некоторые энтузиасты продолжают баловаться, чему способствуют производители, реализовав, в частности, возможность создания RAID из NVMe-устройств. Да и в топовых ноутбуках нет-нет да и встречаются RAID0 из пары твердотельных накопителей — в основном, конечно, чтобы блистать в обзорах. На этом всё. В тех сферах, где технология RAID-массивов зарождалась, она по-прежнему является нужной и полезной, но в ПК ей делать особо нечего. С одной стороны, современные ОС способны и из одиночного винчестера «выжимать» все, на что он способен, так что улучшением части характеристик «подстегнуть» производительность не получится. С другой — доступными стали более быстрые накопители. В том числе, существенно более быстрые в тех сценариях, ради которых до сих пор имеет смысл использовать RAID-массивы с увеличением производительности (благодаря чередованию). А «настоящие» RAID (т. е. с избыточностью хранения данных) по-прежнему полезны, но в бюджетном исполнении силами программного обеспечения они могут заметно понизить производительность. Кроме того, RAID в любом случае не заменяет резервного копирования данных, так что начинать надо с него, а не наоборот.
Все современные материнские платы оснащены интегрированным RAID-контроллером, а топовые модели имеют даже по нескольку интегрированных RAID-контроллеров. Насколько интегрированные RAID-контроллеры востребованы домашними пользователями - вопрос отдельный. В любом случае современная материнская плата предоставляет пользователю возможность создания RAID-массива из нескольких дисков. Однако далеко не каждый домашний пользователь знает, как создать RAID-массив, какой уровень массива выбрать, да и вообще плохо представляет себе плюсы и минусы использования RAID-массивов.
В этой статье мы дадим краткие рекомендации по созданию RAID-массивов на домашних ПК и на конкретном примере продемонстрируем, каким образом можно самостоятельно протестировать производительность RAID-массива.
Впервые термин «RAID-массив» появился в 1987 году, когда американские исследователи Паттерсон, Гибсон и Катц из Калифорнийского университета Беркли в своей статье «Избыточный массив недорогих дисков» (“A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Discs, RAID”) описали, каким образом можно объединить несколько дешевых жестких дисков в одно логическое устройство так, чтобы в результате повышались емкость и быстродействие системы, а отказ отдельных дисков не приводил к отказу всей системы.
С момента выхода этой статьи прошло уже более 20 лет, но технология построения RAID-массивов не утратила актуальности и сегодня. Единственное, что изменилось с тех пор, - это расшифровка аббревиатуры RAID. Дело в том, что первоначально RAID-массивы строились вовсе не на дешевых дисках, поэтому слово Inexpensive (недорогие) поменяли на Independent (независимые), что больше соответствовало действительности.
Итак, RAID - это избыточный массив независимых дисков (Redundant Arrays of Independent Discs), на который возлагается задача обеспечения отказоустойчивости и повышения производительности. Отказоустойчивость достигается за счет избыточности. То есть часть емкости дискового пространства отводится для служебных целей, становясь недоступной для пользователя.
Повышение производительности дисковой подсистемы обеспечивается одновременной работой нескольких дисков, и в этом смысле чем больше дисков в массиве (до определенного предела), тем лучше.
Совместную работу дисков в массиве можно организовать с помощью либо параллельного, либо независимого доступа. При параллельном доступе дисковое пространство разбивается на блоки (полоски) для записи данных. Аналогично информация, подлежащая записи на диск, разбивается на такие же блоки. При записи отдельные блоки записываются на разные диски, причем запись нескольких блоков на различные диски происходит одновременно, что и приводит к увеличению производительности в операциях записи. Нужная информация также считывается отдельными блоками одновременно с нескольких дисков, что тоже способствует росту производительности пропорционально количеству дисков в массиве.
Следует отметить, что модель с параллельным доступом реализуется только при условии, что размер запроса на запись данных больше размера самого блока. В противном случае осуществлять параллельную запись нескольких блоков практически невозможно. Представим ситуацию, когда размер отдельного блока составляет 8 Кбайт, а размер запроса на запись данных - 64 Кбайт. В этом случае исходная информация нарезается на восемь блоков по 8 Кбайт каждый. Если имеется массив из четырех дисков, то одновременно можно записать четыре блока, или 32 Кбайт, за один раз. Очевидно, что в рассмотренном примере скорость записи и скорость считывания окажутся в четыре раза выше, чем при использовании одного диска. Это справедливо лишь для идеальной ситуации, однако размер запроса далеко не всегда кратен размеру блока и количеству дисков в массиве.
Если же размер записываемых данных меньше размера блока, то реализуется принципиально иная модель - независимый доступ. Более того, эта модель может использоваться и в том случае, когда размер записываемых данных больше размера одного блока. При независимом доступе все данные отдельного запроса записываются на отдельный диск, то есть ситуация идентична работе с одним диском. Преимущество модели с независимым доступом в том, что при одновременном поступлении нескольких запросов на запись (чтение) все они будут выполняться на отдельных дисках независимо друг от друга. Подобная ситуация типична, например, для серверов.
В соответствии с различными типами доступа существуют и разные типы RAID-массивов, которые принято характеризовать уровнями RAID. Кроме типа доступа, уровни RAID различаются способом размещения и формирования избыточной информации. Избыточная информация может либо размещаться на специально выделенном диске, либо распределяться между всеми дисками. Способов формирования этой информации достаточно много. Простейший из них - это полное дублирование (100-процентная избыточность), или зеркалирование. Кроме того, используются коды с коррекцией ошибок, а также вычисление четности.
В настоящее время существует несколько RAID-уровней, которые можно считать стандартизованными, - это RAID 0, RAID 1, RAID 2, RAID 3, RAID 4, RAID 5 и RAID 6.
Применяются также различные комбинации RAID-уровней, что позволяет объединить их достоинства. Обычно это комбинация какого-либо отказоустойчивого уровня и нулевого уровня, применяемого для повышения производительности (RAID 1+0, RAID 0+1, RAID 50).
Отметим, что все современные RAID-контроллеры поддерживают функцию JBOD (Just a Bench Of Disks), которая не предназначена для создания массивов, - она обеспечивает возможность подключения к RAID-контроллеру отдельных дисков.
Нужно отметить, что интегрированные на материнские платы для домашних ПК RAID-контроллеры поддерживают далеко не все RAID-уровни. Двухпортовые RAID-контроллеры поддерживают только уровни 0 и 1, а RAID-контроллеры с большим количество портов (например, 6-портовый RAID-контроллер, интегрированный в южный мост чипсета ICH9R/ICH10R) - также уровни 10 и 5.
Кроме того, если говорить о материнских платах на чипсетах Intel, то в них тоже реализована функция Intel Matrix RAID, которая позволяет создать на нескольких жестких дисках одновременно RAID-матрицы нескольких уровней, выделив для каждой из них часть дискового пространства.
RAID уровня 0, строго говоря, не является избыточным массивом и соответственно не обеспечивает надежности хранения данных. Тем не менее данный уровень активно применяется в случаях, когда необходимо обеспечить высокую производительность дисковой подсистемы. При создании RAID-массива уровня 0 информация разбивается на блоки (иногда эти блоки называют страйпами (stripe)), которые записываются на отдельные диски, то есть создается система с параллельным доступом (если, конечно, это позволяет размер блока). Благодаря возможности одновременного ввода-вывода с нескольких дисков, RAID 0 обеспечивает максимальную скорость передачи данных и максимальную эффективность использования дискового пространства, поскольку не требуется места для хранения контрольных сумм. Реализация этого уровня очень проста. В основном RAID 0 применяется в тех областях, где требуется быстрая передача большого объема данных.
RAID уровня 1 - это массив двух дисков со 100-процентной избыточностью. То есть данные при этом просто полностью дублируются (зеркалируются), за счет чего достигается очень высокий уровень надежности (как, впрочем, и стоимости). Отметим, что для реализации уровня 1 не требуется предварительно разбивать диски и данные на блоки. В простейшем случае два диска содержат одинаковую информацию и являются одним логическим диском. При выходе из строя одного диска его функции выполняет другой (что абсолютно прозрачно для пользователя). Восстановление массива выполняется простым копированием. Кроме того, этот уровень удваивает скорость считывания информации, так как эта операция может выполняться одновременно с двух дисков. Подобная схема хранения информации используется в основном в тех случаях, когда цена безопасности данных гораздо выше стоимости реализации системы хранения.
RAID 5 - это отказоустойчивый дисковый массив с распределенным хранением контрольных сумм. При записи поток данных разбивается на блоки (страйпы) на уровне байтов и одновременно записываются на все диски массива в циклическом порядке.
Предположим, что массив содержит n дисков, а размер страйпа d . Для каждой порции из n–1 страйпов рассчитывается контрольная сумма p .
Cтрайп d 1 записывается на первый диск, страйп d 2 - на второй и так далее вплоть до страйпа d n–1 , который записывается на (n –1)-й диск. Далее на n -й диск записывается контрольная сумма p n , и процесс циклически повторяется с первого диска, на который записывается страйп d n .
Процесс записи (n–1) страйпов и их контрольной суммы производится одновременно на все n дисков.
Для вычисления контрольной суммы используется поразрядная операция «исключающего ИЛИ» (XOR), применяемая к записываемым блокам данных. Так, если имеется n жестких дисков, d - блок данных (страйп), то контрольная сумма рассчитывается по следующей формуле:
p n = d 1 d 2 ... d 1–1 .
В случае выхода из строя любого диска данные на нем можно восстановить по контрольным данным и по данным, оставшимся на исправных дисках.
В качестве иллюстрации рассмотрим блоки размером по четыре бита. Пусть имеются всего пять дисков для хранения данных и записи контрольных сумм. Если есть последовательность битов 1101 0011 1100 1011, разбитая на блоки по четыре бита, то для расчета контрольной суммы необходимо выполнить следующую поразрядную операцию:
1101 0011 1100 1011 = 1001.
Таким образом, контрольная сумма, записываемая на пятый диск, равна 1001.
Если один из дисков, например четвертый, вышел из строя, то блок d 4 = 1100 окажется недоступным при считывании. Однако его значение легко восстановить по контрольной сумме и по значениям остальных блоков с помощью все той же операции «исключающего ИЛИ»:
d 4 = d 1 d 2 d 4 p 5 .
В нашем примере получим:
d 4 = (1101) (0011) (1100) (1011) = 1001.
В случае RAID 5 все диски массива имеют одинаковый размер, однако общая емкость дисковой подсистемы, доступной для записи, становится меньше ровно на один диск. Например, если пять дисков имеют размер 100 Гбайт, то фактический размер массива составляет 400 Гбайт, поскольку 100 Гбайт отводится на контрольную информацию.
RAID 5 может быть построен на трех и более жестких дисках. С увеличением количества жестких дисков в массиве его избыточность уменьшается.
RAID 5 имеет архитектуру независимого доступа, что обеспечивает возможность одновременного выполнения нескольких операций считывания или записи.
Уровень RAID 10 представляет собой некое сочетание уровней 0 и 1. Минимально для этого уровня требуются четыре диска. В массиве RAID 10 из четырех дисков они попарно объединяются в массивы уровня 0, а оба этих массива как логические диски объединяются в массив уровня 1. Возможен и другой подход: первоначально диски объединяются в зеркальные массивы уровня 1, а затем логические диски на основе этих массивов - в массив уровня 0.
Рассмотренные RAID-массивы уровней 5 и 1 редко используются в домашних условиях, что связано прежде всего с высокой стоимостью подобных решений. Наиболее часто для домашних ПК применяется именно массив уровня 0 на двух дисках. Как мы уже отмечали, RAID уровня 0 не обеспечивает безопасности хранения данных, а потому конечные пользователи сталкиваются с выбором: создавать быстрый, но не обеспечивающий надежности хранения данных RAID-массив уровня 0 или же, увеличивая стоимость дискового пространства в два раза, - RAID-массив уровня 1, который обеспечивает надежность хранения данных, однако не позволяет получить существенного выигрыша в производительности.
Для того чтобы разрешить эту нелегкую проблему, корпорация Intel разработала технологию Intel Matrix Storage, позволяющую объединить достоинства массивов уровней 0 и 1 всего на двух физических дисках. А для того, чтобы подчеркнуть, что речь в данном случае идет не просто о RAID-массиве, а о массиве, сочетающем в себе и физические и логические диски, в названии технологии вместо слова «массив» используется слово «матрица».
Итак, что же представляет собой RAID-матрица из двух дисков по технологии Intel Matrix Storage? Основная идея заключается в том, что при наличии в системе нескольких жестких дисков и материнской платы с чипсетом Intel, поддерживающим технологию Intel Matrix Storage, возможно разделение дискового пространства на несколько частей, каждая из которых будет функционировать как отдельный RAID-массив.
Рассмотрим простой пример RAID-матрицы из двух дисков по 120 Гбайт каждый. Любой из дисков можно разбить на два логических диска, например по 40 и 80 Гбайт. Далее два логических диска одного размера (например, по 40 Гбайт) можно объединить в RAID-матрицу уровня 1, а оставшиеся логические диски - в RAID-матрицу уровня 0.
В принципе, используя два физических диска, также можно создать всего одну или две RAID-матрицы уровня 0, но вот получить только матрицы уровня 1 невозможно. То есть если в системе имеются всего два диска, то технология Intel Matrix Storage позволяет создавать следующие типы RAID-матриц:
Если в системе установлены три жестких диска, то возможно создание следующих типов RAID-матриц:
Если в системе установлены четыре жестких диска, то дополнительно имеется возможность создать RAID-матрицу уровня 10, а также комбинации уровня 10 и уровня 0 или 5.
Ели говорить о домашних компьютерах, то наиболее востребованными и популярными являются RAID-массивы уровней 0 и 1. Использование RAID-массивов из трех и более дисков в домашних ПК - скорее исключение из правила. Связано это с тем, что, с одной стороны, стоимость RAID-массивов возрастает пропорционально количеству задействованных в нем дисков, а с другой - для домашних компьютеров первоочередное значение имеет емкость дискового массива, а не его производительность и надежность.
Поэтому в дальнейшем мы рассмотрим RAID-массивы уровней 0 и 1 на основе только двух дисков. В задачу нашего исследования будет входить сравнение производительности и функциональности RAID-массивов уровней 0 и 1, созданных на базе нескольких интегрированных RAID-контроллеров, а также исследование зависимости скоростных характеристик RAID-массива от размера страйпа.
Дело в том, что хотя теоретически при использовании RAID-массива уровня 0 скорость чтения и записи должна возрастать вдвое, на практике возрастание скоростных характеристик гораздо менее скромное и для разных RAID-контроллеров оно различно. Аналогично и для RAID-массива уровня 1: несмотря на то что теоретически скорость чтения должна увеличиваться вдвое, на практике не всё так гладко.
Для нашего сравнительного тестирования RAID-контроллеров мы использовали материнскую плату Gigabyte GA-EX58A-UD7. Эта плата основана на чипсете Intel X58 Express с южным мостом ICH10R, имеющим интегрированный RAID-контроллер на шесть портов SATA II, который поддерживает организацию RAID-массивов уровней 0, 1, 10 и 5 с функцией Intel Matrix RAID. Кроме того, на плате Gigabyte GA-EX58A-UD7 интегрирован RAID-контроллер GIGABYTE SATA2, на базе которого реализованы два порта SATA II c возможностью организации RAID-массивов уровней 0, 1 и JBOD.
Также на плате GA-EX58A-UD7 интегрирован SATA III-контроллер Marvell 9128, на базе которого реализованы два порта SATA III c возможностью организации RAID-массивов уровней 0, 1 и JBOD.
Таким образом, на плате Gigabyte GA-EX58A-UD7 имеются три отдельных RAID-контроллера, на базе которых можно создать RAID-массивы уровней 0 и 1 и сравнить их друг с другом. Напомним, что стандарт SATA III обратно совместим со стандартом SATA II, поэтому на базе контроллера Marvell 9128, поддерживающего диски с интерфейсом SATA III, можно также создавать RAID-массивы с использованием дисков с интерфейсом SATA II.
Стенд для тестирования имел следующую конфигурацию:
Тестирование проводилось под управлением операционной системы Microsoft Windows 7 Ultimate (32-bit). Операционная система инсталлировалась на диск Western Digital WD3200AAKS, который подключался к порту контроллера SATA II, интегрированного в южный мост ICH10R. RAID-массив собирался на двух дисках WD1002FBYS с интерфейсом SATA II.
Для измерения скоростных характеристик создаваемых RAID-массивов мы использовали утилиту IOmeter, которая является отраслевым стандартом для измерения производительности дисковых систем.
Поскольку мы задумывали эту статью как своеобразное руководство пользователя по созданию и тестированию RAID-массивов, логично будет начать с описания утилиты IOmeter (Input/Output meter), которая, как мы уже отметили, является своеобразным отраслевым стандартом для измерения производительности дисковых систем. Данная утилита бесплатна, и ее можно скачать с ресурса http://www.iometer.org.
Утилита IOmeter является синтетическим тестом и позволяет работать с неразбитыми на логические разделы жесткими дисками, благодаря чему можно тестировать диски независимо от файловой структуры и свести к нулю влияние операционной системы.
При тестировании возможно создание специфической модели доступа, или «паттерна», которая позволяет конкретизировать выполнение жестким диском специфических операций. В случае создания конкретной модели доступа разрешается менять следующие параметры:
Утилита IOmeter не требует инсталляции на компьютер и состоит из двух частей: собственно IOmeter и Dynamo.
IOmeter - это контролирующая часть программы с пользовательским графическим интерфейсом, позволяющим производить все необходимые настройки. Dynamo - это генератор нагрузки, который не имеет интерфейса. Каждый раз при запуске файла IOmeter.exe автоматически запускается и генератор нагрузки Dynamo.exe.
Для того чтобы начать работу с программой IOmeter, достаточно запустить файл IOmeter.exe. При этом открывается главное окно программы IOmeter (рис. 1).
Рис. 1. Главное окно программы IOmeter
Нужно отметить, что утилита IOmeter позволяет производить тестирование не только локальных дисковых систем (DAS), но и сетевых накопителей (NAS). К примеру, с ее помощью можно протестировать производительность дисковой подсистемы сервера (файл-сервера), используя для этого несколько сетевых клиентов. Поэтому часть закладок и инструментов в окне утилиты IOmeter относится именно к сетевым настройкам программы. Понятно, что при тестировании дисков и RAID-массивов эти возможности программы нам не потребуются, а потому мы не станем объяснять назначение всех вкладок и инструментов.
Итак, при запуске программы IOmeter в левой части главного окна (в окне Topology) будет отображаться древовидная структура всех запущенных генераторов нагрузки (экземпляров Dynamo). Каждый запущенный экземпляр генератора нагрузки Dynamo называется менеджером (manager). Кроме того, программа IOmeter является многопотоковой и каждый отдельный запущенный поток экземпляра генератора нагрузки Dynamo называется Worker. Количество запущенных Worker’ов всегда соответствует количеству логических ядер процессора.
В нашем примере используется только один компьютер с четырехъядерным процессором, поддерживающим технологию Hyper-Threading, поэтому запускается лишь один менеджер (один экземпляр Dynamo) и восемь (по количеству логических ядер процессора) Worker’ов.
Собственно, для тестирования дисков в данном окне нет необходимости что-либо менять или добавлять.
Если выделить мышью название компьютера в древовидной структуре запущенных экземпляров Dynamo, то в окне Target на вкладке Disk Target отобразятся все диски, дисковые массивы и прочие накопители (включая сетевые), установленные в компьютере. Это те накопители, с которыми программа IOmeter может работать. Носители могут быть помечены желтым или голубым цветом. Желтым цветом отмечаются логические разделы носителей, а голубым - физические устройства без созданных на них логических разделов. Логический раздел может быть перечеркнут или не перечеркнут. Дело в том, что для работы программы с логическим разделом его нужно прежде подготовить, создав на нем специальный файл, равный по размеру емкости всего логического раздела. Если логический раздел перечеркнут, то это значит, что раздел еще не подготовлен для тестирования (он будет подготовлен автоматически на первом этапе тестирования), ну а если раздел не перечеркнут, то это означает, что на логическом разделе уже создан файл, полностью готовый для тестирования.
Отметим, что, несмотря на поддерживаемую возможность работы с логическими разделами, оптимально тестировать именно не разбитые на логические разделы диски. Удалить логический раздел диска можно очень просто - через оснастку Disk Management . Для доступа к ней достаточно щелкнуть правой кнопкой мыши на значке Computer на рабочем столе и в открывшемся меню выбрать пункт Manage . В открывшемся окне Computer Management в левой части необходимо выбрать пункт Storage , а в нем - Disk Management . После этого в правой части окна Computer Management отобразятся все подключенные диски. Щелкнув правой кнопкой по нужному диску и выбрав в открывшемся меню пункт Delete Volume …, можно удалить логический раздел на физическом диске. Напомним, что при удалении с диска логического раздела вся информация на нем удаляется без возможности восстановления.
Вообще, с помощью утилиты IOmeter тестировать можно только чистые диски или дисковые массивы. То есть нельзя протестировать диск или дисковый массив, на котором установлена операционная система.
Итак, вернемся к описанию утилиты IOmeter. В окне Target на вкладке Disk Target необходимо выбрать тот диск (или дисковый массив), который будет подвергаться тестированию. Далее необходимо открыть вкладку Access Specifications (рис. 2), на которой можно будет определить сценарий тестирования.
Рис. 2. Вкладка Access Specifications утилиты IOmeter
В окне Global Access Specifications имеется список предустановленных сценариев тестирования, которые можно присвоить менеджеру загрузки. Впрочем, эти сценарии нам не понадобятся, поэтому все их можно выделить и удалить (для этого предусмотрена кнопка Delete ). После этого нажмем на кнопку New , чтобы создать новый сценарий тестирования. В открывшемся окне Edit Access Specification можно определить сценарий загрузки диска или RAID-массива.
Предположим, мы хотим выяснить зависимость скорости последовательного (линейного) чтения и записи от размера блока запроса на передачу данных. Для этого нам нужно сформировать последовательность сценариев загрузки в режиме последовательного чтения при различных размерах блока, а затем последовательность сценариев загрузки в режиме последовательной записи при различных размерах блока. Обычно размеры блоков выбираются в виде ряда, каждый член которого вдвое больше предыдущего, а первый член этого ряда равен 512 байт. То есть размеры блоков составляют следующий ряд: 512 байт, 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512 Кбайт, 1 Мбайт. Делать размер блока больше 1 Мбайт при последовательных операциях нет смысла, поскольку при таких больших размерах блока данных скорость последовательных операций не изменяется.
Итак, сформируем сценарий загрузки в режиме последовательного чтения для блока размером 512 байт.
В поле Name окна Edit Access Specification вводим название сценария загрузки. Например, Sequential_Read_512. Далее в поле Transfer Request Size задаем размер блока данных 512 байт. Ползунок Percent Random/Sequential Distribution (процентное соотношение между последовательными и выборочными операциями) сдвигаем до упора влево, чтобы все наши операции были только последовательными. Ну а ползунок , задающий процентное соотношение между операциями чтения и записи, сдвигаем до упора вправо, чтобы все наши операции были только чтением. Остальные параметры в окне Edit Access Specification менять не нужно (рис. 3).
Рис. 3. Окно Edit Access Specification для создания сценария загрузки последовательного чтения
при размере блока данных 512 байт
Нажимаем на кнопку Ok , и первый созданный нами сценарий отобразится в окне Global Access Specifications на вкладке Access Specifications утилиты IOmeter.
Аналогично нужно создать сценарии и для остальных блоков данных, однако, чтобы облегчить себе работу, проще не создавать сценарий каждый раз заново, нажимая для этого кнопку New , а, выбрав последний созданный сценарий, нажать кнопку Edit Copy (редактировать копию). После этого опять откроется окно Edit Access Specification с настройками нашего последнего созданного сценария. В нем достаточно будет поменять лишь название и размер блока. Проделав аналогичную процедуру для всех остальных размеров блоков, можно приступить к формированию сценариев для последовательной записи, что делается совершенно аналогично, за исключением того, что ползунок Percent Read/Write Distribution , задающий процентное соотношение между операциями чтения и записи, нужно сдвинуть до упора влево.
Аналогично можно создать сценарии для выборочной записи и чтения.
После того как все сценарии будут готовы, их нужно присвоить менеджеру загрузки, то есть указать, с какими сценариями будет работать Dynamo .
Для этого еще раз проверяем, что в окне Topology выделено название компьютера (то есть менеджер нагрузки на локальном ПК), а не отдельный Worker. Это гарантирует, что сценарии нагрузки будут присваиваться сразу всем Worker’ам. Далее в окне Global Access Specifications выделяем все созданные нами сценарии нагрузки и нажимаем кнопку Add . Все выделенные сценарии нагрузки добавятся в окно (рис. 4).
Рис. 4. Присвоение созданных сценариев нагрузки менеджеру нагрузки
После этого нужно перейти к вкладке Test Setup (рис. 5), на которой можно задать время выполнения каждого созданного нами сценария. Для этого в группе Run Time задаем время выполнения сценария нагрузки. Вполне достаточно будет задать время, равное 3 мин.
Рис. 5. Задание времени выполнения сценария нагрузки
Кроме того, в поле Test Description необходимо указать название всего теста. В принципе, данная вкладка имеет массу других настроек, однако для наших задач они не нужны.
После того как все необходимые настройки произведены, рекомендуется сохранить созданный тест, нажав на панели инструментов на кнопку с изображением дискеты. Тест сохраняется с расширением *.icf. Впоследствии можно будет воспользоваться созданным сценарием нагрузки, запустив не файл IOmeter.exe, а сохраненный файл с расширением *.icf.
Теперь можно приступить непосредственно к тестированию, нажав на кнопку с изображением флажка. Вам будет предложено указать название файла с результатами тестирования и выбрать его местоположение. Результаты тестирования сохраняются в CSV-файле, который потом легко экспортировать в Excel и, установив фильтр по первому столбцу, выбрать нужные данные с результатами тестирования.
В ходе тестирования промежуточные результаты можно наблюдать на вкладке Result Display , а определить, к какому сценарию нагрузки они относятся, можно на вкладке Access Specifications . В окне Assigned Access Specification исполняемый сценарий отображается зеленым, выполненные сценарии - красным, а еще не выполненные сценарии - синим цветом.
Итак, мы рассмотрели базовые приемы работы с утилитой IOmeter, которые потребуются для тестирования отдельных дисков или RAID-массивов. Отметим, что мы рассказали далеко не обо всех возможностях утилиты IOmeter, но описание всех ее возможностей выходит за рамки данной статьи.
Итак, мы начинаем создание RAID-массива на базе двух дисков с использованием интегрированного на плате RAID-контроллера GIGABYTE SATA2. Конечно, сама компания Gigabyte не производит чипов, а потому под чипом GIGABYTE SATA2 скрывается перемаркированный чип другой фирмы. Как можно выяснить из INF-файла драйвера, речь идет о контроллере серии JMicron JMB36x.
Доступ в меню настройки контроллера возможен на этапе загрузки системы, для чего нужно нажать комбинацию клавиш Ctrl+G, когда появится соответствующая надпись на экране. Естественно, прежде в настройках BIOS нужно определить режим работы двух SATA-портов, относящихся к контроллеру GIGABYTE SATA2, как RAID (в противном случае доступ в меню конфигуратора RAID-массива будет невозможен).
Меню настройки RAID-контроллера GIGABYTE SATA2 довольно простое. Как мы уже отмечали, контроллер является двухпортовым и позволяет создавать RAID-массивы уровня 0 или 1. Через меню настройки контроллера можно удалить или создать RAID-массив. При создании RAID-массива имеется возможность указать его название, выбрать уровень массива (0 или 1), задать размер страйпа для RAID 0 (128, 84, 32, 16, 8 или 4K), а также определить размер массива.
Если массив создан, то какие-либо изменения в нем уже невозможны. То есть нельзя впоследствии для созданного массива изменить, например, его уровень или размер страйпа. Для этого прежде нужно удалить массив (с потерей данных), а потом создать его заново. Собственно, это свойственно не только контроллеру GIGABYTE SATA2. Невозможность изменения параметров созданных RAID-массивов - особенность всех контроллеров, которая вытекает из самого принципа реализации RAID-массива.
После того как массив на базе контроллера GIGABYTE SATA2 создан, текущую информацию о нем можно просмотреть, используя утилиту GIGABYTE RAID Configurer, которая устанавливается автоматически вместе с драйвером.
Конфигурирование RAID-контроллера Marvell 9128 возможно только через настройки BIOS платы Gigabyte GA-EX58A-UD7. Вообще, нужно сказать, что меню конфигуратора контроллера Marvell 9128 несколько сыровато и может ввести в заблуждение неискушенных пользователей. Впрочем, об этих незначительных недоработках мы расскажем чуть позже, а пока рассмотрим основные функциональные возможности контроллера Marvell 9128.
Итак, несмотря на то что этот контроллер поддерживает работу с дисками с интерфейсом SATA III, он также полностью совместим с дисками с интерфейсом SATA II.
Контроллер Marvell 9128 позволяет создать RAID-массив уровней 0 и 1 на базе двух дисков. Для массива уровня 0 можно задать размер страйпа 32 или 64 Кбайт, а также указать имя массива. Кроме того, имеется и такая опция, как Gigabyte Rounding, которая нуждается в пояснении. Несмотря на название, созвучное с именем компании-производителя, функция Gigabyte Rounding никакого отношения к ней не имеет. Более того, она никак не связана с RAID-массивом уровня 0, хотя в настройках контроллера ее можно определить именно для массива этого уровня. Собственно, это первая из тех недоработок конфигуратора контроллера Marvell 9128, о которых мы упоминали. Функция Gigabyte Rounding определена только для RAID-массива уровня 1. Она позволяет использовать для создания RAID-массива уровня 1 два диска (например, различных производителей или разные модели), емкость которых немного отличается друг от друга. Функция Gigabyte Rounding как раз и задает разницу в размерах двух дисков, применяемых для создания RAID-массива уровня 1. В контроллере Marvell 9128 функция Gigabyte Rounding позволяет установить разницу в размерах дисков 1 или 10 Гбайт.
Еще одна недоработка конфигуратора контроллера Marvell 9128 заключается в том, что при создании RAID-массива уровня 1 у пользователя имеется возможность выбора размера страйпа (32 или 64 Кбайт). Однако понятие страйпа вообще не определено для RAID-массива уровня 1.
RAID-контроллер, интегрированный в южный мост ICH10R, является самым распространенным. Как уже отмечалось, данный RAID-контроллер 6-портовый и поддерживает не только создание массивов RAID 0 и RAID 1, но также RAID 5 и RAID 10.
Доступ в меню настройки контроллера возможен на этапе загрузки системы, для чего нужно нажать комбинацию клавиш Ctrl+I, когда появится соответствующая надпись на экране. Естественно, прежде в настройках BIOS следует определить режим работы этого контроллера как RAID (в противном случае доступ в меню конфигуратора RAID-массива будет невозможен).
Меню настройки RAID-контроллера достаточно простое. Через меню настройки контроллера можно удалить или создать RAID-массив. При создании RAID-массива можно указать его название, выбрать уровень массива (0, 1, 5 или 10), задать размер страйпа для RAID 0 (128, 84, 32, 16, 8 или 4K), а также определить размер массива.
Для тестирования RAID-массивов с помощью утилиты IOmeter мы создали сценарии нагрузки последовательного чтения, последовательной записи, выборочного чтения и выборочной записи. Размеры блоков данных в каждом сценарии нагрузки составляли следующую последовательность: 512 байт, 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512 Кбайт, 1 Мбайт.
На каждом из RAID-контроллеров создавался массив RAID 0 со всеми допустимыми размерами страйпов и массив RAID 1. Кроме того, дабы иметь возможность оценить прирост производительности, получаемый от использования RAID-массива, мы также протестировали на каждом из RAID-контроллеров одиночный диск.
Итак, обратимся к результатам нашего тестирования.
Контроллер GIGABYTE SATA2
Прежде всего рассмотрим результаты тестирования RAID-массивов на базе контроллера GIGABYTE SATA2 (рис. 6-13). В общем-то контроллер оказался в буквальном смысле загадочным, а его производительность просто разочаровала.
|
|
Рис. 6. Скорость последовательных |
Рис. 7. Скорость последовательных |
|
|
Рис. 12. Скорость последовательных |
Рис. 13. Скорость последовательных |
Если посмотреть на скоростные характеристики одного диска (без RAID-массива), то максимальная скорость последовательного чтения составляет 102 Мбайт/с, а максимальная скорость последовательной записи - 107 Мбайт/с.
При создании массива RAID 0 с размером страйпа 128 Кбайт максимальная скорость последовательного чтения и записи увеличивается до 125 Мбайт/с, то есть возрастает примерно на 22%.
При размере страйпа 64, 32 или 16 Кбайт максимальная скорость последовательного чтения составляет 130 Мбайт/с, а максимальная скорость последовательной записи - 141 Мбайт/с. То есть при указанных размерах страйпа максимальная скорость последовательного чтения возрастает на 27%, а максимальная скорость последовательной записи - на 31%.
Вообще-то это маловато для массива уровня 0, и хотелось бы, чтобы максимальная скорость последовательных операций была выше.
При размере страйпа 8 Кбайт максимальная скорость последовательных операций (чтения и записи) остается примерно такой же, как и при размере страйпа 64, 32 или 16 Кбайт, однако с выборочным чтением - явные проблемы. При увеличении размера блока данных вплоть до 128 Кбайт скорость выборочного чтения (как и должно быть) возрастает пропорционально размеру блока данных. Однако при размере блока данных более 128 Кбайт скорость выборочного чтения падает практически до нуля (примерно до 0,1 Мбайт/с).
При размере страйпа 4 Кбайт падает не только скорость выборочного чтения при размере блока более 128 Кбайт, но и скорость последовательного чтения при размере блока более 16 Кбайт.
Использование массива RAID 1 на контроллере GIGABYTE SATA2 практически не изменяет (в сравнении с одиночным диском) скорость последовательного чтения, однако максимальная скорость последовательной записи уменьшается до 75 Мбайт/с. Напомним, что для массива RAID 1 скорость чтения должна возрастать, а скорость записи не должна уменьшаться в сравнении со скоростью чтения и записи одиночного диска.
На основании результатов тестирования контроллера GIGABYTE SATA2 можно сделать только один вывод. Использовать данный контроллер для создания массивов RAID 0 и RAID 1 имеет смысл только в том случае, когда все остальные RAID-контроллеры (Marvell 9128, ICH10R) уже задействованы. Хотя представить себе подобную ситуацию довольно сложно.
Контроллер Marvell 9128
Контроллер Marvell 9128 продемонстрировал гораздо более высокие скоростные характеристики в сравнении с контроллером GIGABYTE SATA2 (рис. 14-17). Собственно, различия проявляются даже при работе контроллера с одним диском. Если для контроллера GIGABYTE SATA2 максимальная скорость последовательного чтения составляет 102 Мбайт/с и достигается при размере блока данных 128 Кбайт, то для контроллера Marvell 9128 максимальная скорость последовательного чтения составляет 107 Мбайт/с и достигается при размере блока данных 16 Кбайт.
|
|
Рис. 18. Скорость последовательных Если говорить о массиве RAID 0 на контроллере ICH10R, то максимальная скорость последовательного чтения и записи не зависит от размера страйпа и составляет 212 Мбайт/с. От размера страйпа зависит лишь размер блока данных, при котором достигается максимальное значение скорости последовательного чтения и записи. Как показывают результаты тестирования, для RAID 0 на базе контроллера ICH10R оптимально использовать страйп размером 64 Кбайт. В этом случае максимальное значение скорости последовательного чтения и записи достигается при размере блока данных всего 16 Кбайт. Итак, резюмируя, еще раз подчеркнем, что RAID-контроллер, встроенный в ICH10R, существенно превосходит по производительности все остальные интегрированные RAID-контроллеры. А учитывая, что он обладает и большей функциональностью, оптимально использовать именно этот контроллер и просто забыть о существовании всех остальных (если, конечно, в системе не применяются диски SATA III). |
Проблема повышения надежности хранения информации и одновременного увеличения производительности системы хранения данных занимает умы разработчиков компьютерной периферии уже давно. Относительно повышения надежности хранения все понятно: информация - это товар, и нередко очень ценный. Для защиты от потери данных придумано немало способов, наиболее известный и надежный из которых - это резервное копирование информации.
Вопрос повышения производительности дисковой подсистемы весьма сложен. Рост вычислительных мощностей современных процессоров привел к тому, что наблюдается явный дисбаланс между возможностями жестких дисков и потребностями процессоров. При этом не спасают ни дорогие SCSI-диски, ни уж тем более IDE-диски. Однако если не хватает возможностей одного диска, то, может быть, отчасти решить данную проблему позволит наличие нескольких дисков? Конечно, само по себе наличие двух или более жестких дисков на компьютере или на сервере дела не меняет - нужно заставить эти диски работать совместно (параллельно) друг с другом так, чтобы это позволило повысить производительность дисковой подсистемы на операциях записи/чтения. Кроме того, нельзя ли, используя несколько жестких дисков, добиться повышения не только производительности, но и надежности хранения данных, чтобы выход из строя одного из дисков не приводил к потере информации? Именно такой подход был предложен еще в 1987 году американскими исследователями Паттерсоном, Гибсоном и Катцом из Калифорнийского университета Беркли. В своей статье «A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Discs, RAID» («избыточный массив недорогих дисков») они описали, каким образом можно объединить несколько дешевых жестких дисков в одно логическое устройство так, чтобы в результате повышались емкость и быстродействие системы, а отказ отдельных дисков не приводил к отказу всей системы.
С момента выхода статьи прошло уже 15 лет, но технология построения RAID-массивов не утратила актуальности и сегодня. Единственное, что изменилось с тех пор, - это расшифровка аббревиатуры RAID. Дело в том, что первоначально RAID-массивы строились вовсе не на дешевых дисках, поэтому слово Inexpensive (недорогие) поменяли на Independent (независимые), что больше соответствовало действительности.
Более того, именно сейчас технология RAID получила широкое распространение. Так, если еще несколько лет назад RAID-массивы использовались в дорогостоящих серверах масштаба предприятия с применением SCSI-дисков, то сегодня они стали своеобразным стандартом де-факто даже для серверов начального уровня. Кроме того, постепенно расширяется и рынок IDE RAID-контроллеров, то есть актуальность приобретает задача построения RAID-массивов на рабочих станциях с использованием дешевых IDE-дисков. Так, некоторые производители материнских плат (Abit, Gigabyte) уже начали интегрировать IDE RAID-контроллеры на сами платы.
Итак, RAID - это избыточный массив независимых дисков (Redundant Arrays of Independent Discs), на который возлагается задача обеспечения отказоустойчивости и повышения производительности. Отказоустойчивость достигается за счет избыточности. То есть часть емкости дискового пространства отводится для служебных целей, становясь недоступной для пользователя.
Повышение производительности дисковой подсистемы обеспечивается одновременной работой нескольких дисков, и в этом смысле чем больше дисков в массиве (до определенного предела), тем лучше.
Совместную работу дисков в массиве можно организовать с использованием либо параллельного, либо независимого доступа.
При параллельном доступе дисковое пространство разбивается на блоки (полоски) для записи данных. Аналогично информация, подлежащая записи на диск, разбивается на такие же блоки. При записи отдельные блоки записываются на различные диски (рис. 1), причем запись нескольких блоков на различные диски происходит одновременно, что и приводит к увеличению производительности в операциях записи. Нужная информация также считывается отдельными блоками одновременно с нескольких дисков (рис. 2), что также способствует росту производительности пропорционально количеству дисков в массиве.
Следует отметить, что модель с параллельным доступом реализуется только при условии, что размер запроса на запись данных больше размера самого блока. В противном случае реализовать параллельную запись нескольких блоков просто невозможно. Представим ситуацию, когда размер отдельного блока составляет 8 Кбайт, а размер запроса на запись данных - 64 Кбайт. В этом случае исходная информация нарезается на восемь блоков по 8 Кбайт каждый. Если имеется массив из четырех дисков, то одновременно можно записать четыре блока, или 32 Кбайт, за один раз. Очевидно, что в рассмотренном примере скорость записи и скорость считывания окажется в четыре раза выше, чем при использовании одного диска. Однако такая ситуация является идеальной, поскольку далеко не всегда размер запроса кратен размеру блока и количеству дисков в массиве.
Если же размер записываемых данных меньше размера блока, то реализуется принципиально иная модель доступа - независимый доступ. Более того, эта модель может быть реализована и в том случае, когда размер записываемых данных больше размера одного блока. При независимом доступе все данные отдельного запроса записываются на отдельный диск, то есть ситуация идентична работе с одним диском. Преимущество модели с параллельным доступом в том, что при одновременном поступлении нескольких запросов на запись (чтение) все они будут выполняться независимо, на отдельных дисках (рис. 3). Подобная ситуация типична, например, в серверах.
В соответствии с различными типами доступа существуют и различные типы RAID-массивов, которые принято характеризовать уровнями RAID. Кроме типа доступа, уровни RAID различаются способом размещения и формирования избыточной информации. Избыточная информация может либо размещаться на специально выделенном диске, либо перемешиваться между всеми дисками. Способов формирования этой информации несколько больше. Простейший из них - это полное дублирование (100-процентная избыточность), или зеркалирование. Кроме того, используются коды с коррекцией ошибок, а также вычисление четности.
В настоящее время существует несколько стандартизированных RAID-уровней: от RAID 0 до RAID 5. К тому же используются комбинации этих уровней, а также фирменные уровни (например, RAID 6, RAID 7). Наиболее распространенными являются уровни 0, 1, 3 и 5.
RAID уровня 0, строго говоря, не является избыточным массивом и соответственно не обеспечивает надежности хранения данных. Тем не менее данный уровень находит широкое применение в случаях, когда необходимо обеспечить высокую производительность дисковой подсистемы. Особенно популярен этот уровень в рабочих станциях. При создании RAID-массива уровня 0 информация разбивается на блоки, которые записываются на отдельные диски (рис. 4), то есть создается система с параллельным доступом (если, конечно, размер блока это позволяет). Благодаря возможности одновременного ввода-вывода с нескольких дисков RAID 0 обеспечивает максимальную скорость передачи данных и максимальную эффективность использования дискового пространства, поскольку не требуется места для хранения контрольных сумм. Реализация этого уровня очень проста. В основном RAID 0 применяется в тех областях, где требуется быстрая передача большого объема данных.
RAID уровня 1 - это массив дисков со 100-процентной избыточностью. То есть данные при этом просто полностью дублируются (зеркалируются), за счет чего достигается очень высокий уровень надежности (как, впрочем, и стоимости). Отметим, что для реализации уровня 1 не требуется предварительно разбивать диски и данные на блоки. В простейшем случае два диска содержат одинаковую информацию и являются одним логическим диском (рис. 5). При выходе из строя одного диска его функции выполняет другой (что абсолютно прозрачно для пользователя). Кроме того, этот уровень удваивает скорость считывания информации, так как эта операция может выполняться одновременно с двух дисков. Такая схема хранения информации используется в основном в тех случаях, когда цена безопасности данных намного выше стоимости реализации системы хранения.
RAID уровня 2 - это схема резервирования данных с использованием кода Хэмминга (смотри ниже) для коррекции ошибок. Записываемые данные формируются не на основе блочной структуры, как в RAID 0, а на основе слов, причем размер слова равен количеству дисков для записи данных в массиве. Если, к примеру, в массиве имеется четыре диска для записи данных, то размер слова равен четырем дискам. Каждый отдельный бит слова записывается на отдельный диск массива. Например, если массив имеет четыре диска для записи данных, то последовательность четырех бит, то есть слово, запишется на массив дисков таким образом, что первый бит окажется на первом диске, второй бит - на втором и т.д.
Кроме того, для каждого слова вычисляется код коррекции ошибок (ECC), который записывается на выделенные диски для хранения контрольной информации (рис. 6). Их число равно количеству бит в контрольном слове, причем каждый бит контрольного слова записывается на отдельный диск. Количество бит в контрольном слове и соответственно необходимое количество дисков для хранения контрольной информации рассчитывается на основе следующей формулы: где K - разрядность слова данных.
Естественно, что L при вычислении по указанной формуле округляется в большую сторону до ближайшего целого числа. Впрочем, чтобы не связываться с формулами, можно воспользоваться другим мнемоническим правилом: разрядность контрольного слова определяется количеством разрядов, необходимым для двоичного представления размера слова. Если, например, размер слова равен четырем (в двоичной записи 100), то, чтобы записать это число в двоичном виде, потребуется три разряда, значит, размер контрольного слова равен трем. Следовательно, если имеется четыре диска для хранения данных, то потребуется еще три диска для хранения контрольных данных. Аналогично при наличии семи дисков для данных (в двоичной записи 111) понадобится три диска для хранения контрольных слов. Если же под данные отводится восемь дисков (в двоичной записи 1000), то нужно уже четыре диска для контрольной информации.
Код Хэмминга, формирующий контрольное слово, основан на использовании поразрядной операции «исключающего ИЛИ» (XOR) (употребляется также название «неравнозначность»). Напомним, что логическая операция XOR дает единицу при несовпадении операндов (0 и 1) и нуль при их совпадении (0 и 0 или 1 и 1).
Само контрольное слово, полученное по алгоритму Хэмминга, - это инверсия результата поразрядной операции исключающего ИЛИ номеров тех информационных разрядов слова, значения которых равны 1. Для иллюстрации рассмотрим исходное слово 1101. В первом (001), третьем (011) и четвертом (100) разрядах этого слова стоит единица. Поэтому необходимо провести поразрядную операцию исключающего ИЛИ для этих номеров разрядов:
Само же контрольное слово (код Хэмминга) получается при поразрядном инвертировании полученного результата, то есть равно 001.
При считывании данных вновь рассчитывается код Хэмминга и сравнивается с исходным кодом. Для сравнения двух кодов используется поразрядная операция «исключающего ИЛИ». Если результат сравнения во всех разрядах равен нулю, то считывание верное, в противном случае его значение есть номер ошибочно принятого разряда основного кода. Пусть, к примеру, исходное слово равно 1100000. Поскольку единицы стоят в шестой (110) и седьмой (111) позициях, контрольное слово равно:
Если при считывании зафиксировано слово 1100100, то контрольное слово для него равно 101. Сравнивая исходное контрольное слово с полученным (поразрядная операция исключающего ИЛИ), имеем:
то есть ошибка при считывании в третьей позиции.
Соответственно, зная, какой именно бит является ошибочным, его легко исправить «на лету».
RAID 2 - один из немногих уровней, позволяющих не только исправлять «на лету» одиночные ошибки, но и обнаруживать двойные. При этом он является самым избыточным из всех уровней с кодами коррекции. Эта схема хранения данных применяется редко, поскольку плохо справляется с большим количеством запросов, сложна в организации и обладает незначительными преимуществами перед уровнем RAID 3.
RAID уровня 3 - это отказоустойчивый массив с параллельным вводом-выводом и одним дополнительным диском, на который записывается контрольная информация (рис. 7). При записи поток данных разбивается на блоки на уровне байт (хотя возможно и на уровне бит) и записывается одновременно на все диски массива, кроме выделенного для хранения контрольной информации. Для вычисления контрольной информации (называемой также контрольной суммой) используется операция «исключающего ИЛИ» (XOR), применяемая к записываемым блокам данных. При выходе из строя любого диска данные на нем можно восстановить по контрольным данным и данным, оставшимся на исправных дисках.
Рассмотрим в качестве иллюстрации блоки размером по четыре бита. Пусть имеются четыре диска для хранения данных и один диск для записи контрольных сумм. Если имеется последовательность бит 1101 0011 1100 1011, разбитая на блоки по четыре бита, то для расчета контрольной суммы необходимо выполнить операцию:
Таким образом, контрольная сумма, записываемая на пятый диск, равна 1001.
Если один из дисков, например третий, вышел из строя, то блок 1100 окажется недоступным при считывании. Однако его значение легко восстановить по контрольной сумме и значениям остальных блоков, используя все ту же операцию «исключающего ИЛИ»:
Блок 3=Блок 1Блок 2Блок 4
Контрольная сумма.
В нашем примере получим:
Блок 3=1101001110111001= 1100.
RAID уровня 3 имеет намного меньшую избыточность, чем RAID 2. Благодаря разбиению данных на блоки RAID 3 имеет высокую производительность. При считывании информации не производится обращение к диску с контрольными суммами (в случае отсутствия сбоя), что происходит всякий раз при операции записи. Поскольку при каждой операции ввода-вывода производится обращение практически ко всем дискам массива, одновременная обработка нескольких запросов невозможна. Данный уровень подходит для приложений с файлами большого объема и малой частотой обращений. Кроме того, к достоинствам RAID 3 относятся незначительное снижение производительности при сбое и быстрое восстановление информации.
RAID уровня 4 - это отказоустойчивый массив независимых дисков с одним диском для хранения контрольных сумм (рис. 8). RAID 4 во многом схож с RAID 3, но отличается от последнего прежде всего значительно большим размером блока записываемых данных (большим, чем размер записываемых данных). В этом и есть главное различие между RAID 3 и RAID 4. После записи группы блоков вычисляется контрольная сумма (точно так же, как и в случае RAID 3), которая записывается на выделенный для этого диск. Благодаря большему, чем у RAID 3, размеру блока возможно одновременное выполнение нескольких операций чтения (схема независимого доступа).
RAID 4 повышает производительность передачи файлов малого объема (за счет распараллеливания операции считывания). Но поскольку при записи должна вычисляться контрольная сумма на выделенном диске, одновременное выполнение операций здесь невозможно (налицо асимметричность операций ввода и вывода). Рассматриваемый уровень не обеспечивает преимущества в скорости при передаче данных большого объема. Эта схема хранения разрабатывалась для приложений, в которых данные изначально разбиты на небольшие блоки, поэтому нет необходимости дополнительно их разбивать. RAID 4 представляет собой неплохое решение для файл-серверов, информация с которых преимущественно считывается и редко записывается. Эта схема хранения данных имеет невысокую стоимость, но ее реализация достаточно сложна, как и восстановление данных при сбое.
RAID уровня 5 - это отказоустойчивый массив независимых дисков с распределенным хранением контрольных сумм (рис. 9). Блоки данных и контрольные суммы, которые рассчитываются точно так же, как и в RAID 3, циклически записываются на все диски массива, то есть отсутствует выделенный диск для хранения информации о контрольных суммах.
В случае RAID 5 все диски массива имеют одинаковый размер, однако общая емкость дисковой подсистемы, доступной для записи, становится меньше ровно на один диск. Например, если пять дисков имеют размер 10 Гбайт, то фактический размер массива составляет 40 Гбайт, так как 10 Гбайт отводится на контрольную информацию.
RAID 5, так же как и RAID 4, имеет архитектуру независимого доступа, то есть в отличие от RAID 3 здесь предусмотрен большой размер логических блоков для хранения информации. Поэтому, как и в случае с RAID 4, основной выигрыш такой массив обеспечивает при одновременной обработке нескольких запросов.
Главным же различием между RAID 5 и RAID 4 является способ размещения контрольных сумм.
Наличие отдельного (физического) диска, хранящего информацию о контрольных суммах, здесь, как и в трех предыдущих уровнях, приводит к тому, что операции считывания, не требующие обращения к этому диску, выполняются с большой скоростью. Однако при каждой операции записи меняется информация на контрольном диске, поэтому схемы RAID 2, RAID 3 и RAID 4 не позволяют проводить параллельные операции записи. RAID 5 лишен этого недостатка, поскольку контрольные суммы записываются на все диски массива, что обеспечивает возможность выполнения нескольких операций считывания или записи одновременно.
Для практической реализации RAID-массивов необходимы две составляющие: собственно массив жестких дисков и RAID-контроллер. Контроллер выполняет функции связи с сервером (рабочей станцией), генерации избыточной информации при записи и проверки при чтении, распределения информации по дискам в соответствии с алгоритмом функционирования.
Конструктивно контроллеры бывают как внешние, так и внутренние. Имеются также интегрированные на материнской плате RAID-контроллеры. Кроме того, контроллеры различаются поддерживаемым интерфейсом дисков. Так, SCSI RAID-контроллеры предназначены для использования в серверах, а IDE RAID-контроллеры подходят как для серверов начального уровня, так и для рабочих станций.
Отличительной характеристикой RAID-контроллеров является количество поддерживаемых каналов для подключения жестких дисков. Несмотря на то что к одному каналу контроллера можно подключить несколько SCSI-дисков, общая пропускная способность RAID-массива будет ограничена пропускной способностью одного канала, которая соответствует пропускной способности SCSI-интерфейса. Таким образом, использование нескольких каналов может существенно повысить производительность дисковой подсистемы.
При использовании IDE RAID-контроллеров проблема многоканальности встает еще острее, поскольку два жестких диска, подключенных к одному каналу (большее количество дисков не поддерживается самим интерфейсом), не могут обеспечить параллельную работу - IDE-интерфейс позволяет обращаться в определенный момент времени только к одному диску. Поэтому IDE RAID-контроллеры должны быть как минимум двухканальными. Бывают также четырех- и даже восьмиканальные контроллеры.
Другим различием между IDE RAID- и SCSI RAID-контроллерами является количество поддерживаемых ими уровней. SCSI RAID-контроллеры поддерживают все основные уровни и, как правило, еще несколько комбинированных и фирменных уровней. Набор уровней, поддерживаемых IDE RAID-контроллерами, значительно скромнее. Обычно это нулевой и первый уровни. Кроме того, встречаются контроллеры, поддерживающие пятый уровень и комбинацию первого и нулевого: 0+1. Такой подход вполне закономерен, поскольку IDE RAID-контроллеры предназначены в первую очередь для рабочих станций, поэтому основной упор делается на повышение сохранности данных (уровень 1) или производительности при параллельном вводе-выводе (уровень 0). Схема независимых дисков в данном случае не нужна, так как в рабочих станциях поток запросов на запись/чтение значительно ниже, чем, скажем, в серверах.
Основной функцией RAID-массива является не увеличение емкости дисковой подсистемы (как видно из его устройства, такую же емкость можно получить и за меньшие деньги), а обеспечение надежности сохранности данных и повышение производительности. Для серверов, кроме того, выдвигается требование бесперебойности в работе, даже в случае отказа одного из накопителей. Бесперебойность в работе обеспечивается при помощи горячей замены, то есть извлечения неисправного SCSI-диска и установки нового без выключения питания. Поскольку при одном неисправном накопителе дисковая подсистема продолжает работать (кроме уровня 0), горячая замена обеспечивает восстановление, прозрачное для пользователей. Однако скорость передачи и скорость доступа при одном неработающем диске заметно снижается из-за того, что контроллер должен восстанавливать данные из избыточной информации. Правда, из этого правила есть исключение - RAID-системы уровней 2, 3, 4 при выходе из строя накопителя с избыточной информацией начинают работать быстрее! Это закономерно, поскольку в таком случае уровень «на лету» меняется на нулевой, который обладает великолепными скоростными характеристиками.
До сих пор речь в этой статье шла об аппаратных решениях. Но существует и программное, предложенное, например, фирмой Microsoft для Windows 2000 Server. Однако в этом случае некоторая начальная экономия полностью нейтрализуется добавочной нагрузкой на центральный процессор, который помимо основной своей работы вынужден распределять данные по дискам и производить расчет контрольных сумм. Такое решение может считаться приемлемым только в случае значительного избытка вычислительной мощности и малой загрузки сервера.
Сергей Пахомов
КомпьютерПресс 3"2002
