Типы raid-массивов

Что может понадобиться

RAID создают, чтобы улучшить производительность, скорость HDD (SSD). Массив помогает уберечь данные от потери в случае неисправности или выхода из строя основного винчестера. Для выполнения этой процедуры потребуется минимум два, можно разных по объему, жестких диска.

Для сохранности и копирования личных данных хватает дополнительного винчестера на 500 Гб, поддерживающего работу подключенного RAID-контроллера (или программы, имитирующей контроллер). Дополнительный накопитель должен иметь повышенную устойчивость к вибрации. Потребуется специальный контейнер (корзина) с вставками из виброгасящего материала для установки винчестеров, а также работающий кулер для обеспечения обдува и охлаждения.

Если на ПК установлен один винчестер, придется докупить и установить второй. Правда, два диска будут работать как один. Объем памяти не увеличится. Доступно будет лишь то количество гигабайт, которое представлено на основном накопителе. Второй винчестер предназначен для копирования, то есть для «отзеркаливания» и хранения данных. В процессе создания РЕЙД-массива пользователю нужно будет создать зеркальный том основного накопителя. Такое действие просто не отобразится и не запустится, если на ПК не хватает места.

Разумеется, для создания массива понадобится материнская плата. Правда, она изначально установлена на любом компьютере. Однако в процессе перевода контроллера материнской платы в режим RAID может исчезнуть доступ к показаниям SMART даже для накопителей, не принимающих участие в создании массива.

Возможны и другие неполадки. Например, могут слететь РЕЙД-настройки, может не поддерживаться нужный уровень массива, а драйвера RAID старых чипсетов будут конфликтовать с TRIM.

Приложения

Учитывая плюсы и минусы, RAID 10 полезен в приложениях, где производительность важна не только для чтения, но и для записи

RAID 10 также лучше подходит, чем RAID 5, в приложениях, где важно поддерживать производительность во время восстановления после сбоя одного из дисков

RAID 5 обеспечивает здоровый баланс эффективного хранилища, достойной производительности, устойчивости к сбоям и хорошей безопасности. Это самая популярная конфигурация RAID для корпоративных NAS-устройств и бизнес-серверов. RAID 5 идеально подходит для файловых серверов и серверов приложений с ограниченным количеством дисков с данными. Если количество физических дисков в RAID очень велико, вероятность сбоя хотя бы одного из них выше. Таким образом, RAID 6 может быть лучшим вариантом, поскольку он использует два диска для хранения четности.

Что такое RAID 6 и его отличие от RAID 5

Это расширенная версия RAID 5, которая обеспечивает двойной контроль четности хранимой информации. Для хранения информации используются как минимум два диска и еще два – для контроля четности. Архитектура RAID 6, разработанная для критически важных приложений, имеет очень низкую производительность записи – именно потому что для нее необходимы дополнительные блоки контрольных сумм. Однако такая архитектура является вдвойне отказоустойчивой.

Преимущества RAID 6:

• как и в случае с RAID 5, операции чтения данных выполняются быстро;
• если два диска выйдут из строя, и их придется заменить, вы все равно будете иметь доступ ко всем данным. Таким образом, RAID 6 более безопасен, чем RAID 5.

Недостатки RAID 6:

• операции записи медленнее, чем в RAID 5, из-за дополнительных блоков четности, принимающих участие в вычислениях. Скорость записи может снижаться даже на 20%;
• отказы дисков влияют на производительность массива;
• это сложная технология. Восстановление массива, в котором произошел сбой одного диска, может занять много времени.

Недостатки массива RAID 50

• Сложная реализация, необходимо минимум 6 дисков, а для хорошей производительности желательно не менее 8-ми. Поддержка в контроллерах встречается довольно редко.
• При выходе из строя хотя бы одного диска массив перейдет в критический режим (Degrade), при этом скорость работы значительно понизится.
• Если восстанавливать штатную работу RAID средствами контроллера методом Rebuild или Reconstruction, то непрерывная критическая нагрузка в течение часов (а может быть и дней), может привести к поломке еще одного или больше дисков. В этом случае восстановить данные RAID 50 массива стандартным способом не получится.

При переходе RAID 50 массива в нерабочий режим мы абсолютно не рекомендуем делать любые процедуры для восстановления его в рабочий вид, если у Вас нет копии всей незаменимой информации, содержащейся на нем. Ведь наш многолетний опыт по восстановлению данных с RAID 50 дает возможность уверенно утверждать, что при выполнении таких операций велик риск возникновения накладок, в результате которых присутствует риск окончательной потери всей информации, находящейся на массиве.

RAID 51 & RAID 15

Если RAID 50 — хороший способ увеличить производительность как на запись, так и на чтение, то комбинация уровня 1 и 5 — это вариант увеличения отказоустойчивости при неплохой производительности на чтение. RAID 51 — это зеркало из RAID 5, RAID 15 — это RAID 5 из зеркал :

В первом случае допускается максимум выход из строя 50% дисков +1 в случае, если выйдет из строя полностью одно зеркало и ещё один диск в соседнем зеркале. Минимально допустимое количество вышедших из строя дисков в наихудшем варианте — 2, если выйдут из строя по одному диску с одинаковым номером в каждом зеркале. Во втором случае допускается выход также 50% +1 диска — то есть выход из строя одного зеркала полностью и ещё по одному диску из оставшихся зеркал. Массив выйдет из строя, если выйдут два зеркала в раз — это наихудший вариант.

Минусы — боюсь даже представить на сколько процентов упадет производительность по отношению к нормальной при выходе из строя максимально допустимого количества дисков. Фактически в этих двух вариантах RAID 5 лишается своего главного преимущества — наиболее эффективного использования дискового пространства.

Плюсы — в некоторых случаях допускается выход из строя больше половины всех дисков, этим не может похвастаться даже RAID 10.

Как пополнять карту и можно ли снять наличные

RAID 1 (mirroring — «зеркалирование»)

массив из двух дисков, являющихся полными копиями друг друга. Не следует путать с массивами RAID 1+0, RAID 0+1 и RAID 10, в которых используется более двух дисков и более сложные механизмы зеркалирования.

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. Вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна произведению вероятностей отказа каждого диска, т.е. значительно ниже вероятности выхода из строя отдельного 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.

RAID 1

Комбинированный тип RAID 50 (RAID 5 + 0);

RAID 50 (также известный как RAID 5 + 0) – это вложенный RAID, состоящий из массивов RAID 5 и RAID 0 с высокими скоростями записи и загрузки. Массивы такой конфигурации используются довольно часто.

Для работы системы RAID 50 требуется как минимум шесть дисков. По мере увеличения количества RAID-дисков в системе ее производительность также растет, что оказывает соответствующее влияние на скорость восстановления данных по мере увеличения интервала (шага) восстановления RAID.

Вот некоторые из наиболее важных преимуществ RAID 50:

• высокая средняя скорость восстановления данных (намного быстрее, чем у RAID 5);
• очень высокая скорость записи данных;
• повышенная отказоустойчивость (по сравнению с RAID 5).

Основные недостатки RAID 50:

• высокая стоимость;
• ограниченная масштабируемость.

Чтобы потерять данные в массиве RAID 50, должны выйти из строя сразу три диска, что практически невозможно.

RAID 0

Этот тип массива разделяет данные на количество блоков, равное количеству активных дисков в массиве и записывает каждый блок на соответствующий диск. Минимальное количество дисков — 2.

Минусы — снижение надежности (при выходе хотя бы одного диска данные вы потеряете).

Плюсы — максимально эффективное использование свободного пространства, высокое быстродействие. Может показаться, что увеличение производительности должно быть пропорционально количеству дисков, но нет. Реальный прирост скорости будет примерно в районе 70% , но речь идет преимущественно о бюджетных контроллерах. Есть также ещё один нюанс — производительность массива RAID 0 в конечном счете должна упереться в минимальную производительность дисков из этого массива, но это при условии, что максимальная пропускная способность RAID-контроллера ещё не достигнута. Тесты в некоторых статьях выглядят более чем наглядно (кстати, реальная производительность от эталонной также различается).

RAID 100

Ещё один уровень (правильнее сказать уровень-мутант) RAID из самых базовых и самых популярных RAID 0 и RAID 1. Иерархия уровней идет как и всегда: первая цифра — самый низший уровень, последняя — самый высокий. Вот и получается, что мы имеем страйп из страйпов из зеркал. Как стандартный уровень массива в обычных контроллерах вы не увидите. Скорее это попытка увеличить производительность всего массива, если она уже давно уперлась в производительность контроллеров. Простыми словами — это софтовое объединение нескольких аппаратных страйпов из зеркал (то есть массивов RAID 10) :

Минусы — сложность конфигурации, нужно контролировать фактически несколько разных массивов, ничего друг о друге не знающих;

Плюсы — если вы имеете несколько одинаковых низкопроизводительных RAID-контроллеров, на них можно построить массив, по производительности выше, чем пропускная способность одного контроллера (объединить производительность нескольких CPU RAID).

Минимальное количество дисков — 8, максимум из строя может выйти половина дисков (см. RAID 10).

Что такое RAID 2 и как он работает

При построении этих массивов дисков используется алгоритм восстановления с использованием кодов Хамминга (американский инженер, разработавший его в 1950 году для исправления ошибок в компьютерах). Чтобы получить RAID данного типа, создаются две группы дисков – одна для хранения данных и одна для кодов исправления ошибок.

Основное преимущество RAID 2 – возможность исправлять ошибки «на лету», без снижения скорости передачи данных между дисковым массивом и процессором.

Этот тип RAID не очень распространен в домашних системах из-за избыточности количества жестких дисков – например, в массиве из семи жестких дисков только четыре будут использоваться для хранения данных. По мере увеличения количества дисков избыточность становится менее выраженной.

Основные преимущества RAID 2:

• быстрое исправление ошибок («на лету»);
• чрезвычайно высокая скорость передачи больших объемов данных;
• когда количество дисков увеличивается, накладные расходы уменьшаются;
• простая реализация.

Недостатки RAID 2:

• высокая стоимость при небольшом количестве дисков;
• низкая скорость обработки запросов (не рекомендуется для систем, ориентированных на обработку транзакций).

RAID 2

Массивы, использующие для коррекции ошибок код Хэмминга . На практике код Хэмминга получил широкое применение в оперативной памяти, но не в RAID-технологиях. Адекватное минимальное количество дисков — 7. Расчет количества дисков для данных и дисков для кодов коррекции ошибок очень наглядно представлен в табличке из Википеднии :

Минусы — невысокая производительность при записи данных (приходится на каждый блок данных генерировать новый код, что отнимает процессорное время), неэффективное использование дискового пространства при небольшом количестве дисков.

Плюсы — достаточно высокая производительность при чтении.

Вентилятор-вытяжка

Некоторые системные блоки настольных ПК имеют в своей конструкции сквозное отверстие и площадку для крепления «обратного» вентилятора. В задачу последнего входит ускорение вывода тепла из системного блока наружу. Использование данного кулера — не всегда обязательно, особенно, если речь идет об обычном домашнем/офисном компьютере, не подвергающемся высоким нагрузкам.

Вентилятор-вытяжку легко отключить. Для этого нужно снять крышку системного блока и отключить кулер от бортовой сети. Он может быть подключен напрямую к материнской плате либо к одному из разъемов блока питания.

Если источником шума являлся именно этот вентилятор, то его можно оставить в отключенном состоянии. Если же имеется необходимость в его использовании, устройство нужно будет очистить от накопившейся в нем пыли и смазать машинным маслом. Рассмотрим этот процесс.

Чистка и смазка вентиляторов ПК

Последующая инструкция может быть применена к большинству современных кулеров, используемых в настольных ПК (а также в некоторых ноутбуках), независимо от их назначения.

Вентилятор-вытяжка может иметь различную конфигурацию корпуса и размер, однако по части крепления ротора (деталь с лопастями) к статору (по сути — электродвигатель) они во всех случаях имеют схожую конструкцию. Шум в работе кулера создает грязь, просочившаяся в область между ротором и статором. С увеличением количества грязи снижается эффективность смазки, что сначала приводит к возникновению шума при вращении вентилятора, а затем и к его полной остановке. Чтобы не допустить выход из строя охлаждаемого электронного компонента, требуется следить за работоспособностью кулеров, выполняя их периодическую профилактику.

Делается это следующим образом (на примере вентилятора-вытяжки).

Первым делом нужно выключить компьютер и снять крышку системного блока, открутив пару винтов в боковой его части.

Вентилятор-вытяжка может находиться, как в самой крышке, так и в другой части системного блока компьютера. В нашем случае — первый вариант. На изображении выше заметить наличие винтов по углам корпуса вентилятор. Их нужно открутить, чтобы демонтировать кулер.

Первым делом после демонтажа вентилятора следует избавиться от наружной пыли. Для этого можно использовать обычную малярную кисть или даже тряпку. Очищая лопасти кулера, нужно быть осторожным, т.к. их легко повредить.

После удаления внешних загрязнений вентилятор нужно разобрать, отделив лопасти от корпуса. На обратной стороне корпуса можно увидеть наклейку круглой формы. Ее нужно отклеить.

Под наклейкой можно заметить металлическую деталь, поверх которой установлена пластиковая контр-шайба. Ее нужно демонтировать. Сделать это можно при помощи пары швейных игл или любых других тонких твердых предметов

Здесь важно не потерять контр-шайбу, т.к. эта маленькая деталь удерживает всю конструкцию вентилятора

После снятия контр-шайбы лопасти могут быть легко отсоединены от корпуса.

Далее при помощи ватной палочки следует хорошо очистить внутренние области обеих частей кулера

При чистке электронных компонентов важно следить за целостностью медной обмотки. Она соединена с платой управления посредством двух очень тонких проводов, которые легко оборвать

Сразу после очистки всю внутреннюю область (в особенности центральную часть) ротора и статора нужно смазать машинным маслом. Подойдет любое — автомобильное или даже ружейное. Смазывать можно при использовании той же ватной палочки или акварельной кисти.

Далее остается вставить лопасти обратно в корпус, а затем установить на свое место контр-шайбу.

Возможно, снятая в самом начале наклейка перестанет лепиться к корпусу. Вместо нее можно использовать скотч. Главное, залепить это маленькое отверстие, где расположена контр-шайба.

RAID 1

Принцип работы — mirroring («зеркалирование»). Самая простая система RAID-массивов из всех возможных. Представляет собой параллельную запись информации с основного диска на другие — дублирующие. Производительность при этом никак не изменяется. Имеет широкое применение в серверном обслуживании, потому что в случае выхода из строя одного из накопителей, все продублированные данные остаются на других носителях. При этом вам будет доступен объем лишь одного винчестера.

Предположим у вас есть 3 диска по 500 Гбайт каждый. Из 1500 Гбайт вам останется лишь 500 Гбайт. В общем, предназначение таких систем — резервация и клонирование информации. Есть смысл использовать диски с высокой скоростью (7200 об/мин) — например, такой:.

RAID 1 часто используют в корпоративной сфере, где потеря информации может обернуться серьезными убытками. 

RAID 0

Принцип работы — striping (чередование). Массив при котором информация разбивается на одинаковые по длине блоки, а затем записывается поочерёдно на каждый диск в структуре. Основное предназначение такой системы — фактическое увеличение производительности в 2 раза, при этом вам будет доступен полный объем всех дисков.

Можно использовать неограниченное количество дисков. В случае если диски обладают разными показателями скорости, то конечный результат будет высчитываться по самому медленному HDD. Позволяет объединять диски любого объема. Например, 320 Гбайт + 1 Тбайт + 3 Тбайт — будут функционировать должным образом.

Приведем несколько примеров, чтобы нагляднее объяснить эти принципы.

Предположим у вас есть два диска со скоростью записи в 200 Мбайт/c и объемом 1000 Гбайт. Создав RAID 0, вы получите скорость записи 400 Мбайт/c и 2000 Гбайт свободного места. То есть вы как бы увеличиваете производительность за счет распределения задач между всеми участниками системы.

Если же один из дисков при этом будет 500 Гбайт, а другой 1000 Гбайт, то под ваши нужды останется всё те же 1500 Гбайт.

Самый рациональный вариант применения данной технологии — это если вы имеете жесткие диски, одинаковые по техническим характеристикам. Имеет значение интерфейс подключения. Скажем, два диска, подключенные к SATA 1 и SATA 3 будут оба работать на скорости самого медленного канала.

Однако, такая схема не лишена и минусов. Помимо сложностей с техническими характеристиками, вы можете с легкостью потерять все свои данные, если хотя бы один винчестер выйдет из строя. Из-за того, что информация разбивается и записывается параллельно на два диска, один файл может лежать одновременно на двух или более носителях. Если же такая система построена из 4 «винтов», то поломка даже одного — это неизбежный крах всей хранящейся информации. Поэтому не забывайте о бэкапах, если пользуетесь RAID 0.

RAID 60

Теоретически должен быть ещё и RAID 06, по аналогии с предыдущими конфигурациями, но упоминания об этом уровне я не нашел. Является компромиссным вариантом между RAID 10 и RAID 50, по эффективному дисковому пространству большего, чем первый вариант и по надежности выше, чем второй. Комбинация RAID 0 и RAID 6 — страйп из RAID 6 :

Минусы — большое минимальное количество дисков (8 штук), сильное падение производительности при деградации массива, большие затраты процессорной мощности на вычисление служебной информации;

Плюсы — эффективность использования дискового пространства выше, чем у RAID 1, отличная скорость чтения и неплохая скорость записи данных.

Типы RAID-контроллеров: программные и аппаратные.

Дисковые массивы могут быть основаны на одной из двух архитектур: программной или аппаратной. Обе архитектуры основаны на реализации программного кода. Отличие в том, выполняется ли код в центральном процессоре компьютера (программная реализация) или специализированном процессоре на контроллере RAID (аппаратная реализация).

Чтобы выбрать наиболее подходящий вам тип RAID-массива, начните с рассмотрения следующих факторов:

• стоимость используемых дисковых накопителей, иными словами, ваши финансовые возможности;
• необходимый уровень защиты и доступности данных (от низкого до высокого);
• требуемая производительность (от низкой до высокой), исходя из количества пользователей и используемых приложений.

RAID 10 (RAID 1 + RAID 0)

In this part of the tutorial I will cover RAID 10. In the previous section, I already explained RAID 0 (striping without parity). However, to understand RAID 10, you need to understand how RAID 1 works as well.

What is RAID 1?

RAID 1 is known as disk mirroring. Disk mirroring means that data is written to two disks at the same time.

In a RAID 1 configuration, the data in Disk 0 is written to Disk 1. It clearly offers redundancy. Meaning that if one physical disk fails, you will not lose your data. Moreover, if you replace the failed disk you can rebuild the array.

However, RAID 1 has some clear disadvantages. In the first place, the volume offers half the size of the disks that make up the array. This is because same data is written to both disks. Now, if you are writing to two disks, it will clearly lead to reduced write speed as well.

RAID 10 Explained

RAID 10 is stripping (RAID 0) two sets of mirrored arrays (RAID 1).

From the diagram above, you can see two sets of mirrored disks combined to create a stripped disk.

The benefit of RAID 10 is that it offers the data redundancy of RAID 1 (mirroring) and the performance of RAID 0 (Stripping without parity). The disadvantage of RAID 10 is that it offers just 50% of the size of the physical disks that make up the array.

Переходники с USB 2.0 на USB 3.0

Что такое аппаратный RAID

Приоритетным, хоть и не всегда бесплатным, решением для размещения дисков на сервере остаются аппаратные контроллеры. При значительной нагрузке на систему дисков, которая требует от сервера обработки больших объемов данных, может работать только отдельное оборудование RAID-контроллера. Он подключается через разъем PCI к материнской плате и самостоятельно решает задачи управления массивом жестких дисков. Обеспечивая скорость и надежное зеркальное отображение данных, аппаратный RAID-контроллер выполняет вычисления без нагрузки на основной процессор благодаря выделенному автономному ЦП.

В то же время, аппаратная архитектура RAID более сложна, поскольку требует специальных аппаратных компонентов. Контроллер массива, часто называемый адаптером RAID, содержит собственный калькулятор XOR, вспомогательную память и каналы SCSI или UDMA. Такая архитектура позволяет достичь значительного увеличения производительности. Однако для систем начального уровня, где серверный процессор занят небольшим количеством задач, разница между аппаратной и программной архитектурами почти незаметна. Зато это очень заметно при высокой нагрузке на подсистему ввода-вывода. Соответственно, аппаратные реализации RAID дороже программных.

Полностью автономные системы, в принципе, представляют собой отдельный компьютер, который используется для организации систем хранения. Обычно внешний контроллер размещается в отдельной стойке и может иметь большое количество каналов ввода / вывода, включая хост-каналы, что позволяет подключать к системе несколько хост-компьютеров и организовывать кластерные системы. В системах с автономным контроллером можно устанавливать контроллеры «горячего» резерва. Главным недостатком таких систем остается их высокая цена.

RAID 5

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 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.

Достоинства

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 четырех 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.

Недостатки

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, за исключением так называемых full-stripe write-ов, сервера заменяется на контроллере RAID на четыре — две операции 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 не обнаруженные 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.

RAID 5