Что такое уровни хранения RAID 0, 1, 5, 10

Опубликовано: 2022-03-25

Что такое рейд и его разновидности? «RAID» («Избыточный массив независимых дисков», иногда называемый «Избыточный массив недорогих дисков») — это технология виртуализации хранилища, которая объединяет несколько дисков в логические компоненты для обеспечения избыточности данных, повышения производительности или того и другого.

Это противоречит старой идее высококачественных дисков для мэйнфреймов, называемой «единым диском с высокой стоимостью» или SLED.

Что такое Рейд? Каковы различные типы этого?

Данные распределяются между дисками различными способами, известными по уровню RAID, в зависимости от степени избыточности и производительности. Различные схемы или макеты для распределения данных обозначаются термином «RAID» и сопровождаются номерами. Например, RAID 1 или RAID 2.

Каждая схема, а также уровень RAID имеют различные уровни баланса между основными целями доступности, надежности , производительности и емкости. Уровни RAID выше, чем RAID 0, защищают от неисправимых ошибок чтения секторов и от возможных отказов всех физических дисков.

Обзор

Ряд уровней RAID использует схему защиты от ошибок, известную как «четность», которая является чрезвычайно популярным методом, используемым в области информационных технологий. Он обеспечивает отказоустойчивость для определенного набора данных.

Многочисленные уровни RAID используют базовое XOR. Однако в RAID 6 используются две отдельные части, основанные на умножении и сложении в конкретном поле исправления ошибок Рида-Соломона или поле Галуа.

RAID также может обеспечить безопасность данных с помощью твердотельных накопителей (SSD) без затрат на полную систему SSD. Например, быстрый SSD может быть зеркалирован с помощью электронного диска. Чтобы обеспечить максимально возможную скорость, необходим правильный контроллер, который использует быстрый SSD для каждой операции чтения. Это называется «гибридный RAID».

Стандартные уровни

Сначала было пять уровней RAID. С тех пор было разработано множество вариаций с несколькими вложенными уровнями, а также рядом нестандартных уровней (в основном эксклюзивных) . Уровни RAID, а также связанные с ними форматы данных могут быть стандартизированы Ассоциацией производителей сетей хранения данных (SNIA) в стандарте Common RAID DDF PDisk Drive Format):

RAID 0

Это форма полос. Однако нет ни зеркальности, ни даже паритета. По сравнению с составным томом емкость его тома точно такая же. Это общая емкость дисков в наборе. Однако, поскольку при чередовании содержимое каждого файла распространяется на все диски набора, сбой любого диска может привести к исчезновению всех файлов или тома.

В отличие от составных томов, они сохраняют файлы на исправных дисках. Преимущество в том, что скорость операций чтения и записи в любой конкретный файл будет увеличена на количество дисков. В отличие от составных томов операции чтения и записи выполняются одновременно.

RAID 1

RAID 1 состоит из зеркального отображения данных, но без разделения или контроля четности. Данные записываются аналогичным образом на несколько дисков, что приводит к созданию «зеркальной коллекции», включающей диски.

Это означает, что каждый запрос на чтение обрабатывается любым диском в наборе. Если запрос отправляется на все диски в коллекции, то он может быть обслужен через тот, к которому есть доступ изначально (в зависимости от его ротационной задержки) , что повышает производительность.

Устойчивая пропускная способность при чтении, при условии, что контроллер или программа оптимизированы для этого, аналогична общей пропускной способности каждого диска в наборе, точно так же, как и на предыдущем уровне. Фактическая скорость чтения многих реализаций RAID 1 ниже, чем у самого мощного диска.  

Скорость записи, как правило, медленнее, так как каждый диск необходимо обновить, а тот, у которого самая низкая скорость, ограничивает скорость записи. Массив будет продолжать функционировать до тех пор, пока работает хотя бы один диск.

RAID 2

RAID 2 состоит из чередования на уровне битов, основанного на четности кода Хэмминга. Вращение каждого шпинделя диска синхронизировано, а данные разделены таким образом, что каждый последовательный бит хранится на одном диске. Четность кода Хэмминга может быть рассчитана для идентичных битов и сохраняется по крайней мере на одном диске для проверки четности.

Это имеет только историческое значение. Несмотря на то, что он использовался на некоторых старых машинах (например, Thinking Machines CM-2), на момент написания статьи он не использовался ни в одной из имеющихся на рынке систем.

RAID 3

RAID 3 — это чередование на уровне байтов, предназначенное для контроля четности. Вращение каждого шпинделя диска синхронизировано. Данные разделены таким образом, что каждый последующий байт находится на совершенно другом диске. Контроль четности вычисляется по идентичным байтам и сохраняется на отдельном диске контроля четности. RAID 3 широко не используется в реальном мире, но существуют его реализации.

RAID 4

RAID 4 состоит из чередования на уровне блоков с выделенной четностью. Раньше это использовалось NetApp, но теперь его в значительной степени заменила частная версия RAID 4 с двумя дисками четности, известная как RAID-DP.

Основным преимуществом RAID 4 по сравнению с RAID 2 и 3 является распараллеливание операций ввода-вывода. То есть в RAID 2 и 3 операция ввода-вывода с одним чтением включает чтение всего массива дисков с данными; однако при использовании RAID 4 одну операцию чтения ввода-вывода не нужно распределять по всем дискам. В свою очередь, большее количество процессов ввода-вывода может выполняться параллельно, что повышает эффективность небольших передач.

RAID 5

RAID 5 включает чередование на уровне блоков с распределенной четностью. В отличие от RAID 4 информация о четности распределяется между дисками, что требует, чтобы каждый диск, кроме одного, работал. Если один диск, будущие чтения могут быть рассчитаны с использованием распределенной четности, чтобы гарантировать, что данные не могут быть потеряны. Для RAID 5 требуется как минимум три диска.

Подобно всем идеям с одной четностью, массивные реализации RAID 5 подвержены сбоям в работе системы. Причиной этого являются тенденции времени, необходимого для перестроения массива, и возможность выхода из строя дисков в процессе перестроения. Восстановление массива предполагает использование всех дисков для чтения данных, что может привести к выходу из строя еще одного диска и даже к разрушению всех массивов.

RAID 6 включает чередование на уровне блоков с двойной четностью распределения. Двойная четность дает возможность допускать отказы до 2 отказавших дисков. Это означает, что более крупные группы RAID более целесообразны, особенно в системах с высокой доступностью, поскольку для восстановления дисков большей емкости может потребоваться больше времени.

RAID 6

Для RAID 6 требуется как минимум четыре диска. Как и в RAID 5, сбой одного диска может привести к снижению производительности всего массива, пока он не будет заменен. Используя диски из разных источников, можно решить наиболее распространенные проблемы, связанные с RAID 5. Чем больше емкость диска и больше количество массивов, тем менее важным становится выбор RAID 6.

Программный RAID

Крайне важно понимать, что контроллер RAID является центральной частью системы RAID. Он играет важную роль в распределении данных между дисковыми массивами RAID, которые включают аппаратный RAID и программный RAID.

Программный RAID использует возможности, предоставляемые программным RAID. Это программное обеспечение RAID или драйвер RAID, встроенный в операционную систему серверов. Этот метод не требует дополнительного оборудования для подключения устройств хранения. Однако это может увеличить общую вычислительную нагрузку на серверы и привести к замедлению вычислений RAID и других функций, выполняемых гаджетом.

Многие серверные операционные системы могут поддерживать конфигурации RAID, например системы Microsoft, Apple и различные версии систем Unix/Linux. В большинстве случаев программный RAID зависит от используемой операционной системы. Поэтому не рекомендуется использовать разделы, используемые несколькими операционными системами.

Преимущества

  • Мы можем создать конфигурацию RAID для той же операционной системы (например, Ubuntu), а затем применить ее к другим подобным системам.
  • Установка программного RAID экономически эффективна, так как не требует дополнительного аппаратного оборудования.
  • Возможна перенастройка уровней RAID, поскольку конфигурации являются гибкими и несложными.
  • Большинство операционных систем совместимы с конфигурациями программного обеспечения RAID, что упрощает установку и выполнение задач настройки, помогающих решать различные проблемы.
  • Программный RAID больше подходит для обработки базовых RAID 0, 1 и 10, не создающих дополнительной нагрузки на систему.

Недостатки

  • Системные сбои на серверах могут негативно сказаться на целостности данных.
  • Реализация программного RAID не выгодна, если в системе несколько драйверов, так как могут возникнуть определенные конфликты.
  • Некоторые операционные системы поддерживают только определенные диапазоны RAID.
  • Программный RAID может существенно повлиять на нагрузку системы при создании сложной конфигурации RAID.
  • Не так много возможностей использовать RAID в кластерной операционной системе.
  • Восстановление неисправного диска может быть сложным.
  • Программный RAID подвержен вредоносным программам и вирусам, поскольку он работает в операционной системе сервера, используемого в качестве основных серверов.

Мы рассматриваем программный RAID, его сильные и слабые стороны. Можно сделать вывод, что этот подход можно использовать для небольших проектов с ограниченным бюджетом и для ситуаций, когда требуются энергоэффективные вычисления и безопасность данных. Восстановление диска и быстрые данные не являются главными приоритетами.

Очень важно знать, что это всего лишь общие предложения, поскольку варианты зависят от потребностей проекта и работы, которую необходимо выполнить.

Аппаратный RAID

Аппаратный RAID заключается в том, что все диски подключаются к аппаратному RAID-контроллеру, который расположен на отдельной карте RAID или сервере или встроен в материнскую плату. Аппаратные контроллеры RAID управляют настройками и массивами RAID. Он может поддерживать несколько уровней RAID.

В определенных ситуациях RAID-контроллер может функционировать как миниатюрная версия компьютеров. Это потому, что они оснащены процессорами, специально разработанными для выполнения их работы.

При установке аппаратного RAID диски подключаются напрямую друг к другу через плату контроллера RAID. Это касается не только больших серверов, но и настольных компьютеров. Обработка Аппаратный RAID — это ссылка на отдельные контроллеры (такие как ATA RAID, SATA, DELTA PLC и т. д.) в системе хранения.

Так как RAID управляется и обрабатывается платой контроллера, дополнительная нагрузка на процессор сервера отсутствует. Аппаратный RAID также может предоставлять несколько других дополнительных функций, таких как возможность замены дисков в случае отказа одного диска. Кроме того, аппаратный RAID дороже программного RAID, но он более эффективен и имеет лучшую функциональную совместимость.

Преимущества

  • Коробку легко перемещать между серверами, компьютерами и ОС.
  • Высокий уровень эффективности системы имеет решающее значение для старых систем, которые не могут увеличить вычислительную мощность компьютеров.
  • Защита от повреждения и потери данных может произойти в случае отключения питания во время создания резервных копий, поскольку аппаратный RAID использует резервные батареи и внутреннюю флэш-память.
  • Меньше проблем при использовании RAID-систем в процессе создания резервных копий, а также восстановления данных.
  • Аппаратный RAID использует свою кэш-память для создания резервных копий и восстановления данных.
  • Гибкость настройки RAID, которую трудно достичь без соответствующего оборудования.
  • Можно использовать и другие уровни RAID, но они потребуют больших ресурсов.
  • Он хорошо работает на всех типах дисков.
  • Совместимость с различными ОС.

Недостатки:

  • Это также более затратно, так как требует большего количества оборудования.
  • Интересно, что аппаратный RAID может иметь более низкий коэффициент эффективности для определенных проектов и задач, учитывая его стоимость.
  • Когда RAID-контроллер выходит из строя, его необходимо заменить новой моделью, чтобы предотвратить неисправность. Если запасной контроллер недоступен немедленно, производительность системы может снизиться.
  • С аппаратным RAID возможны трудности при установке HDD разных производителей или при установке SSD и HDD дисков.

Анализируя преимущества и недостатки аппаратного RAID, мы видим, что это жизнеспособный вариант для помощи в более дорогих проектах, не имеющих бюджетных ограничений. Кроме того, это идеальный вариант, когда важны безопасность данных и вычислительная мощность. В некоторых случаях аппаратный RAID лучше подходит для проектов, подключенных к техническим устройствам, поскольку взаимодействие с устройствами хранения может вызвать проблемы.

Гибридный RAID

В некоторых случаях возможно, что предложение Hybrid RAID будет лучше. Например, если RAID можно интегрировать с BIOS материнской платы, это может обеспечить дополнительные избыточные данные при включении системы и предотвратить повреждение данных.

Преимущества

  • Во многих случаях системы Hybrid RAID оснащены графическим пользовательским интерфейсом, который можно использовать для облегчения настройки RAID.
  • Гибридный RAID стоит недорого и идеально подходит для самых разных проектов.
  • Гибридный RAID обычно может работать на нескольких системах, работающих под управлением одной и той же операционной системы.
  • Гибридный RAID может защитить от сбоя загрузочной системы во время загрузки, который может быть вызван системной ошибкой или подобными сбоями.

Недостатки

  • Есть также проблемы, связанные с заменой дисков и восстановлением данных.
  • Гибридный RAID может вызвать чрезмерную нагрузку на серверы, что может повлиять на производительность.
  • Для некоторых операционных систем (особенно новейших) может потребоваться регулярное обновление драйверов для RAID. Это может вызвать конфликты драйверов.
  • Поскольку программный RAID восприимчив к вирусам, он может иметь менее безопасную модель угроз.

Гибридный RAID, тем не менее, является отличным выбором, но он может иметь некоторые особенности. Вот почему он идеально подходит для различных проектов. Рекомендуется выбрать Hybrid RAID, если вы заранее знаете, какие проблемы могут возникнуть, и лучшие способы их решения.

Кроме того, это может быть идеальным выбором, если для вашего проекта требуется как программный, так и аппаратный RAID. Но эти проекты, как правило, очень специфичны. В конце концов, важно помнить, что окончательное решение будет основываться исключительно на уникальных целях и требованиях вашего проекта.