Технологии виртуализации дисковых массивов#

RAID (англ. Redundant Array of Independent Disks — избыточный массив независимых (самостоятельных) дисков) — технология виртуализации данных для объединения нескольких физических дисковых устройств в логический модуль для повышения отказоустойчивости и (или) производительности.

RAID позволяет сформировать из независимых дисковых накопителей единый логический элемент с целью повышения производительности и отказоустойчивости каждого отдельно взятого компонента в массиве.

Основные характеристики технологии#

Области применения#

RAID – технология, которая дает возможность превратить несколько дисковых накопителей в один объемный и быстрый диск. Она применяется для организации хранилищ данных с функциями автоматического резервного копирования или при настройке системного диска с улучшенной отказоустойчивостью.

RAID-технологии используются в самых разных областях:

системное администрирование;
резервное копирование данных;
получение крупных дисков с высокой скоростью обработки информации;
работа с BigData;
клиент-серверные модели.

RAID массивы имеют преимущества и недостатки. Быстродействие и надежность могут перекрываться усложнением имеющейся системы и необходимостью приобретения дополнительного оборудования.

Преимущества и недостатки#

Преимущества:

Увеличение объема диска. Первоначальное предназначение рассматриваемой технологии – это получение диска большей емкости.
Повышение быстродействия системы. Достигается за счет параллельного подключения в массив нескольких физических дисков.
Надежность хранения документов и отказоустойчивость. Результат достигается за счет выделения на резервирование отдельного оборудования. Если один из дисков будет поврежден, RAID-массив не потеряет данные.

Недостатки:

К минусам RAID обычно относят стоимость обеспечения соответствующей системы и сложности ее организации. Также необходимо учитывать, что такие массивы могут применяться не всегда.

Условия для применения#

Чтобы воспользоваться RAID массивами, необходимо обеспечить их аппаратную и программную поддержку. В BIOS должны быть специальные настройки. Они имеют вид типа «SATA Configuration: RAID». Если соответствующий параметр отсутствует, базовую систему ввода-вывода придется «перепрошивать».

При отсутствии поддержки RAID программным методом, необходимо подключать дополнительное оборудование. Оно называется RAID-контроллер. На компьютер дополнительно устанавливается соответствующий драйвер. Последние версии Linux поддерживают автоматическую инициализацию драйверов для активации RAID-режима.

Основные определения#

Массив. Представляет собой объединение нескольких физических или виртуальных накопителей в один объемный диск. Полученный элемент поддерживает возможность целостной настройки, форматирования и управления.
Метод зеркалирования. Способ повышения надежности хранения информации за счет создания копий исходного диска на другом носителе, включенном в массив.
Дуплекс. Метод зеркалирования. Он поддерживает вдвое большее количество накопителей для создания копий.
Чередование. Это увеличение производительности диска за счет блочной разбивки данных в процессе их первичной записи.
Четность. Так называется технология, включающая в себя чередование и зеркалирование.

Типы RAID:#

Программный (software). Является самым бюджетным и наиболее распространенным вариантом. Массивы здесь будут создаваться в самой операционной системе за счет применения специальных утилит. Обработка данных осуществляется центральным процессором. Ключевым недостатком технологии служит зависимость от предустановленной системы. Это приводит к сильному снижению быстродействия и безопасности хранения документов.
Аппаратный (hardware). Базируется на основе отдельного устройства – RAID-контроллера. Он поддерживает собственный микропроцессор и кэш-память. Нагрузка на микропроцессор минимальна. Данный тип является самым затратным в плане реализации. Он характеризуется высокой скоростью чтения и записи, а также хорошей степенью защиты.
Интегрированный аппаратный (fake RAID или RAID-on-Chip). Представляет собой сочетание программного и аппаратного типов. Реализуется дополнительными микрочипами, которые вставляются в материнскую плату и работают вместе с центральным процессором оборудования. Такая технология быстрее программной, но она уступает в плане надежности хранения информации на диске.

Классификация RAID по уровням#

Основные отличия между конфигурациями или уровнями RAID заключаются в методах формирования и размещения данных, а также в алгоритмах распределения информации на носителях. Базовые типы RAID-массивов — RAID 0 и RAID 1. Остальные уровни считаются их производными, сочетающими в себе достоинства той или иной базовой модели.

RAID 0#

Технология виртуализации RAID 0 называется striping («чередование»). Для ее реализации применяется от 2 до 4 накопителей, которые совместно выполняют процедуру «чтения/записи».

При записи информация разделяется на блоки, которые одновременно сохраняются на накопители. П ервый блок — на один, второй — на другой жесткий диск и так далее. Производительность массива возрастает прямо пропорционально количеству накопителей в системе. То есть, 4 диска будут работать в 2 раза быстрее, чем два.

Однако, такая конфигурация RAID-массива чревата потерей данных, что уменьшает безопасность хранения информации. Это объясняется структурой каждого файла. Последний состоит из определенной последовательности блоков (байт), поскольку каждый из них записывается на разные диски и происходит «нарушение» его целостности. Если один накопитель выходит из строя, то блок «теряется». При этом получается «битый» файл, который практически невозможно восстановить.

Достоинства

Дисковый RAID-массив уровня 0 обеспечивает ощутимый прирост скорости, который прямо пропорционально зависит от кратности количества накопителей.
Использование всего дискового объема, т. е. при установке четырех дисков по 2 ТБ общий объем RAID-массива будет равен 2*4=8 ТБ.

Недостатки

Нарушение отказоустойчивости. Иногда возможен отказ в операциях чтения или записи.
При выходе из строя одного накопителя информация полностью теряется.

Использование

Применяется в приложениях для скоростного обмена информацией, в хранилищах временных файлов. Также RAID 0 нужен для систем, использующих некритичные по важности массивы данных.

RAID 1#

Технология RAID 1 называется мirroring («зеркалирование»). Она подразумевает использование от 2 до 4 накопителей. Однако при этом теряется половина объема дисков, поскольку это пространство используется резервированием данных.

Если RAID-система состоит из 2 жестких дисков, то при выходе одного из них информация не потеряется полностью, поскольку один накопитель является точной копией другого.

Достоинства

Надежность хранения информации.
Простота реализации.
Высокая производительность при выполнении операции чтения.
Минимальная комплектация составляет всего 2 жестких диска.

Недостатки

Низкая производительность.
Емкость RAID-массива делится на 2, что обусловлено резервированием информации.
Замена неисправного накопителя требует полное отключение системы.

Использование

Уровень RAID 1 необходимо применять для увеличения надежности хранения информации на серверах.

RAID 5#

Технология RAID 5 («чередование с чётностью») считается наиболее распространенной и безопасной. Для подобной конфигурации необходимо минимум 3 диска, а максимальное допустимое количество — 16.

При записи информации происходит разделение на блоки данных, но с одним условием — на один из дисков, называемый блок «чётность данных» (Parity Drive, PD), происходит запись информации для восстановления. Этот подход позволяет спасти данные при повреждении одного из накопителей.

RAID 5 может реализовываться программным методом при помощи специальных утилит, но рекомендуется аппаратный способ.

Достоинства

Увеличена скорость чтения за счет одновременной обработки данных с нескольких независимых потоков от дисков массива.
Информация не «потеряется» при повреждении одного накопителя.
При замене неисправного диска происходит автоматическое восстановление информации.

Недостатки

Иногда происходят отказы дисков.
Если объем поврежденного накопителя 4 ТБ и более, при замене его на идентичный диск, восстановление может занять более одного дня.
Если диск «чётности» вышел из строя при выполнении процедуры восстановления, то информация будет окончательно утеряна.
Минимальное количество накопителей — 3.

Использование

файловые сервера;
сервера общего хранения;
сервера резервного копирования;
работа с потоковой информацией;
разнообразные среды, требующие хорошей производительности.

Чем больше накопителей в массиве, тем больше окажется объем системы. Скорость чтения у RAID 5 высокая. Нагрузка на все диски raid массива распределяется равномерно.

Если один диск выходит из строя, надежность системы значительно сокращается. Массив переходит в критическое состояние. Его восстановление – длительный процесс, вызывающий снижение производительности и увеличивающий нагрузку на накопители. Связано это с продолжительным и интенсивным чтением.

Rebuild увеличивает шансы выхода из строя еще одного или нескольких дисков в массиве. Это влечет за собой потерю данных. При восстановлении информации могут возникать не выявленные ранее ошибки.

Работая с RAID 5, необходимо проводить анализ состояния накопителей (S.M.A.R.T.), а также пользоваться технологиями Hot Spare (горячий резерв). В массив будет автоматически подхватываться заранее зарезервированный диск вместо вышедшего из строя.

Комбинированные уровни#

К комбинированным уровням относят сочетания «базовых» массивов. Они являются более совершенными.

RAID 01 и RAID10#

Эти массивы сочетают в себе уровни 0 и 1. RAID 01 – зеркалирование двух виртуализаций чередования. Данный уровень называется «зеркалом страйпов».

RAID 10 – чередование двух зеркальных «хранилищ».

Полезный объем массива – 50 % от суммарного объема всех используемых дисков.

RAID 01 и RAID10 обладают одинаковой производительностью. У 10 райда надежность выше, чем у 01. Результат достигается за счет того, что в RAID10 возможен отказ по одному диску в каждом «зеркале» без потери исходных данных. Из-за этого RAID 01 не используется.

RAID 10 включает в себя не менее 4-х дисков. Этот уровень заимствовал у 0 уровня скорость и у 1 – отказоустойчивость. Организация массива окажется дорогостоящей. RAID массив 10 идеально подходит для хранения критически важных данных в приложениях с активным вводом-выводом.

Перед выбором соответствующей конфигурации RAID-массива, специалисты рекомендуют сохранить информацию на отдельный носитель. При создании или удалении RAID-системы данные на дисках уничтожаются.

Программное обеспечение#

Mdadm#

Для операционных систем на основе Linux рекомендуется использовать штатную утилиту «mdadm», которую необходимо предварительно установить.

Основные возможности

Создание и сброс RAID-массивов.
Монтирование файловых систем.
Сохранение топологии массива.
Удаление отдельных элементов из RAID.