5. Raid массивы. Уровни raid (0, 1, 5, 6). Сравнение: оценки надежности, производительность, эффективность использования дискового пространства

Без обеспечения надежности хранения данных

RAID 0

Дисковый массив из двух или более жёстких дисков с отсутствием резервирования. Информация разбивается на блоки данных (Ai) и записывается на оба/несколько дисков одновременно.

(+):существенно повышается производительность.

(-): Надёжность RAID 0 заведомо ниже надёжности любого из дисков в отдельности, т. к. отказ любого из дисков приводит к неработоспособности всего массива.

С возможностью потери до одного жесткого диска (RAID 1-5)

RAID 1

(+): Обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения при распараллеливании запросов.

(+): Имеет высокую надёжность — работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве.

(-): Приходится выплачивать стоимость двух жёстких дисков, получая полезный объём одного жёсткого диска (классический случай, когда массив состоит из двух дисков).

RAID 2

Отказоустойчивый дисковый массив с использованием кода Хемминга

В массивах такого типа диски делятся на две группы — для данных и для кодов коррекции ошибок, причем если данные хранятся на n дисках, то для хранения кодов коррекции необходимо n − 1 дисков. Метод Хемминга позволяет на лету исправлять однократные и обнаруживать двукратные ошибки.

Недостаток массива RAID 2 в том, что для его функционирования нужна структура из почти двойного количества дисков, поэтому такой вид массива не получил распространения.

RAID 3

Отказоустойчивый массив с параллельной передачей данных и четностью

В массиве RAID 3 из n дисков данные разбиваются на блоки размером 1 байт и распределяются по n − 1 дискам. Ещё один диск используется для хранения блоков чётности. 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.

(+): высокая скорость чтения и записи данных;

минимальное количество дисков для создания массива равно трём.

(-):массив этого типа хорош только для однозадачной работы с большими файлами, так как время доступа к отдельному сектору, разбитому по дискам, равно максимальному из интервалов доступа к секторам каждого из дисков. Для блоков малого размера время доступа намного больше времени чтения. Большая нагрузка на контрольный диск, и, как следствие, его надёжность сильно падает по сравнению с дисками, хранящими данные.

RAID 4

Массив независимых дисков с разделяемым диском четности

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.

RAID 5

Отказоустойчивый массив независимых дисков с распределенной четностью

Блоки данных и контрольные суммы циклически записываются на все диски массива, нет асимметричности конфигурации дисков. Под контрольными суммами подразумевается результат операции XOR(исключающее или).

(+): 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.

(-): 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 1 (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.

С возможностью потери до двух любых дисков

RAID 6

RAID 6: EVENODD

RAID 6: X-Code

RAID 6: Reed-Solomon

Отказоустойчивый массив независимых дисков с двумя независимыми распределенными схемами четности. Обеспечивает надежное хранение данных при выходе

из строя до двух дисков. Два основных подхода (ECC независимые по данным; ECC независимые по алгоритмам). Несколько различных реализаций ( EVENODD, XiCode, С кодами Рида-Соломона (ReediSolomon))

RAID 6: EVENODD

S=H⊕K⊕N

- Коды четности распределены по дискам

- P – XOR внутри горизонтальных групп

- Q – XOR внутри диагональных групп

- Случайная запись вызывает 6 операций ввода/вывода для 13 блоков и 12 для 3 блоков

RAID 6: X-Code

- Количество дисков должно быть простым числом

- P – XOR внутри диагональных групп слева направо

- Q – XOR внутри диагональных групп справа налево

- Случайная запись вызывает 6 операций ввода/вывода

RAID 6: Reed-Solomon

- XOR внутри горизонтальных групп

- RiS внутри горизонтальных групп

- Случайная запись вызывает 6 операций ввода/вывода

- Может быть расширен для обеспечения надежного хранения данных в случае отказа

большего числа дисков (>2)

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.

Для организации массива требуется минимум 4 диска[2]. 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).

Кластерные (комбинированные) – с возможностью потери до одного (двух) дисков из группы

RAID 1+0

Отказоустойчивый массив с дублированием и параллельной обработкой

RAID 0+1

Отказоустойчивый массив с параллельной обработкой и зеркалированием

RAID 5+0

Отказоустойчивый массив с распределенными блоками четности и повышенной производительностью

RAID 1E

Отказоустойчивый массив с двунаправленным зеркалированием

RAID 5EE

Отказоустойчивый массив независимых дисков с распределенными четностью и диском горячей подмены (Hot Spare)

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.