RAID- массивы

RAID- это массив из нескольких жёстких дисков, который применяется для увеличения быстродействия дисковой подсистемы за счёт параллельной передачи данных, либо в целях повышения отказоустойчивости. Аббревиатура RAID означает Redundant Arrays of Inexpensive Disks- избыточный массив недорогих дисков. Технология RAID была предложена в 1987 году. Существует несколько разновидностей (уровней) RAID- массивов: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 30, 50 и их сочетания. На персональных компьютерах и серверах начального уровня применяются самые простые из них- это RAID-массивы уровня 0, 1 и 0+1.

Уровень RAID 0- это массив дисков с параллельным доступом (striping). В этом случае поток данных разбивается на несколько блоков (полосок, stripes) определённой величины, после чего блоки одновременно записывается на отдельные жёсткие диски. Таким образом несколько операций ввода-вывода осуществляется одновременно (на персональных компьютерах RAID- контроллеры поддерживают до 4-х каналов передачи данных). При использовании такой схемы скорость чтения/записи увеличивается пропорционально числу используемых дисков. Так, применение на компьютере " страйпа" из двух дисков позволяет увеличить среднюю скорость чтения/записи на 50- 55%. Наиболее часто RAID 0 используется в системах видеомонтажа и прочих приложениях, требующих от дисковой системы высокой скорости передачи данных. Однако применение RAID 0 снижает надёжность хранения данных пропорционально количеству используемых в массиве дисков, поскольку в случае выхода из строя одного диска теряются все данные.

Уровень RAID 1 означает зеркалирование (mirroring). При таком способе использования жёстких дисков происходит дублирование хранящихся на них информации. В случае отказа одного из дисков данные остаются целыми на зеркальном диске и компьютер продолжает работать в прежнем режиме. При использовании RAID 1 полезная ёмкость дисковой подсистемы составляет 50% от общего объёма дискового пространства, что повышает стоимость хранения данных. Кроме того, на операциях записи скорость несколько снижается, поскольку необходимость писать на массив жёстких дисков один и тот же блок данных два раза порождает задержки. Поэтому RAID 1 используют в случаях, когда требуется обеспечить высокую надёжность хранения данных, а скорость при этом существенной роли не играет.

Уровень RAID 0+1- этот массив жёстких дисков сочетает в себе достоинства двух перечисленных выше типов RAID- высокую скорость и надёжность, однако для его организации требуется как минимум 4 диска. Два из них объединяются в массив с чередованием (RAID 0, то есть Striped Disk Array without Fault Tolerance). В такой же массив объединяются два других диска. После этого из двух получившихся " подмассивов" RAID 0 организуется " зеркало" RAID 1 (зеркало из двух страйпов). Это позволяет одновременно увеличивать скорость работы, не теряя при этом надёжность хранения данных, однако стоимость такого массива велика.

Уровень RAID 10- это тоже отказоустойчивый массив дисков с дублированием и параллельной обработкой. Похож на массив дисков RAID 0+1, но организован наоборот (страйп из двух зеркал). Это многоуровневый массив RAID, состоящий из массива RAID 0, в котором в качестве сегментов используются массивы накопителей, подключенные по схеме RAID 1. Скорость и надёжность фактически такие же, как для уровня 0+1, однако другой алгоритм работы в некоторых случаях даёт преимущество. Например, при отказе одного из дисков восстановление целостности массива занимает меньше времени (поскольку в массиве RAID 0+1 потребуется восстанавливать информацию на двух дисках, а в RAID 10- только на одном).

Компания Intel в своих чипсетах начиная с семейства 9хх реализует в южных мостах ICH6/R и ICH6/RW (и более поздних - ICH7, 8, 9) технологию MatrixRAID, в соответствии с которой " быстрый" массив RAID 0 создается на двух жестких дисках, но с использованием только половины ёмкости каждого, а на оставшемся месте организуется его зеркальная копия - " надежный" массив RAID 1. Это дает прирост и скорости, и надежности одновременно, при этом вдвое экономится потребное количество жёстких дисков.

В более сложных уровнях RAID (3-й, 4-й и выше) применяются специальные приёмы контроля безошибочности хранения данных, такие как контроль чётности, код Хемминга, кодирование Рида-Соломона и другие механизмы коррекции ошибок, позволяющие повысить надёжность хранения данных и процент использования дискового пространства, однако эти приёмы приводят к более длительному процессу восстановления данных в случае сбоя одного из накопителей. Сложные уровни RAID обычно используются на мощных компьютерах- серверах, но компания Intel применила в новом наборе системной логики Intel 955X для персональных компьютеров микросхему южного моста ICH7R, которая позволяет использовать помимо традиционных для ПК массивов RAID 0, 1 и 0+1 более редкий RAID 10 и даже " профессиональный" RAID 5. Экзотичный для ПК уровень RAID 5 также предусмотрен компанией VIA в микросхеме южного моста VT8251 и NVIDIA в микросхеме MCP04.

Уровень RAID 5- отказоустойчивый массив независимых дисков с распределённой чётностью (Independed Data Disks with Distributed Parity Blocks). В этом случае при использовании массива из четырёх дисков поток данных разбивается на блоки, берутся 3 блока, для которых вычисляется контрольная сумма (суммируются двоичные числа, из которых состоят блоки данных). Далее указанные блоки записываются каждый на свой диск (из первых трёх), а контрольная сумма- на четвёртый диск. Аналогично происходит со следующими тремя блоками данных, но для записи контрольной суммы уже используется другой диск и т.д. Такой алгоритм позволяет восстановить данные с помощью контрольной суммы при аварии любого из дисков. Соответственно, обеспечивается высокая скорость записи/чтения (за счёт распараллеливания операций ввода- вывода) и достаточно высокая надёжность. К тому же RAID 5 эффективно использует объём дисков- общая ёмкость массива равна сумме входящих в него дисков минус один. Минимальное требуемое количество дисков для организации RAID 5 равняется трём.

Любой набор дисков можно назвать массивом, однако далеко не любой массив является RAID-массивом. Большинство RAID-контроллеров (электронных устройств, организующих работу RAID) могут работать в режиме JBOD (Just A Bunch of Disks или Just A Bunch of Drives, что означает " просто группа дисков", " обособленная группа дисков"). JBOD- это один или несколько жёстких дисков, подключенные к RAID-контроллеру, но не входящие в состав RAID-массива и функционирующие независимо. " Джибод-массив" образует просто набор дисков с суммарным объемом дискового пространства, и этот объем составляющих его дисков используется последовательно по мере заполнения. JBOD- устройства имеют меньшую пропускную способность, чем RAID-массивы и не обладают отказоустойчивостью. Единственное достоинство JBOD- то, что в него могут входить диски разного объёма.

Существуют различные разновидности RAID-контроллеров с поддержкой интерфейсов жёстких дисков ATA, SCSI и Serial ATA, выполненные в виде платы расширения, например для разъёма PCI, которую можно вставить в персональный компьютер и увеличить его возможности, но на большинстве современных материнских плат устанавливаются чипсеты, в которые уже интегрированы RAID-контроллеры, о чём говорилось ранее. Следует отметить, что значительное увеличение производительности дисковой подсистемы персонального компьютера при использовании внешнего RAID-контроллера проблематично, так как максимальная (пиковая, лишь теоретически возможная) пропускная способность шины PCI составляет 133 Мб/с, из которых некоторая часть будет изъята для обслуживания других устройств, установленных в разъёмы PCI помимо RAID-контроллера. В такой ситуации несомненно преимущество интегрированных в чипсет контроллеров, пропускная способность которых ограничивается возможностями межмостовой магистрали данных (шины, соединяющей между собой микросхемы чипсета). Пропускная способность этой шины у современных чипсетов составляет от 533 Мб/с до 3.6 Гб/с. Если RAID- контроллер присутствует в микросхеме южного моста чипсета, его настройка осуществляется через аппаратную утилиту, вызываемую сразу после включения компьютера нажатием определённой последовательности клавиш (подсказка высвечивается на экране). Напрмер, для контроллеров, встроенных в чипсеты Intel, используют клавиши Ctrl+I. После этого можно управлять массивами: создавать (define), удалять (delete), восстанавливать после замены неисправного диска (rebuild). При выборе типа массива надо указать его название, например, Stripe для RAID 0, Mirror для RAID 1. Массив создаётся, как правило, из очищенных от данных дисков, поскольку информация на них всё равно будет уничтожена. Исключение составляет только массив типа Mirror- если один диск из двух уже содержит данные, в процессе иницизации они могут быть скопированы на второй.

6.5. Физическая и логическая структура жёстких дисков

Физическая структура жёстких дисков предполагает разбиение диска на рабочие поверхности, дорожки и секторы, номера которых образуют адрес, по которому на диске хранится информация.

Логическая структура жёсткого диска предполагает деление общего дискового пространства на области, каждая из которых хранит специфическую информацию: MBR (Master Boot Record), BR (Boot Record), FAT1 и FAT2, Root Directory и область для данных.

MBR -это главный загрузочный сектор, это первый сектор на диске, с чтения его содержимого начинается работа компьютера при включении или перезагрузке. MBR состоит из двух частей: в первой части записана программа IPL1- Initial Program Loading 1, при выполнении которой компьютер исследует содержимое второй части MBR- таблицу разделов диска Partition Table, в которой указаны номера первого и последнего секторов каждого из разделов диска. Количество разделов может быть от 1 до 4-х, когда диск условно разделён на 4 логических диска. В Partition Table также хранится информация о типе файловой системы раздела и признак того- является раздел загрузочным или нет. Каждый из разделов жёсткого диска содержит сектор BR (Boot Record), две копии File Allocation Table (FAT)- FAT1 и FAT2, корневой каталог Root Directory и область данных.

Сектор BR (Boot Record) - это первый сектор раздела, в котором записана одноимённая программа Boot Record, являющаяся частью операционной системы и предназначенная для запуска на выполнение остальных программ операционной системы, хранящихся на диске. BR имеется во всех разделах жёсткого диска, хотя не все разделы содержат файлы операционной системы, т.е. не все разделы являются " системными".

Таблица FAT (File Allocation Table) – таблица размещения файлов, хранит записи длиной 16 или 32 бита, хранящие информацию о месторасположении кластеров, на которых записан каждый файл. Если FAT повреждается, то компьютер теряет доступ к файлу и на диске появляются " потерянные кластеры" - т.е. секторы с бесполезной информацией, которую невозможно прочесть.

Root Directory - корневой каталог диска, содержит записи с информацией о каждом файле – имя, тип, объём, дата и время создания, атрибут файла (системный, скрытый, только для чтения, архивный) и хранит указатель на первый кластер файла. Корневой каталог является самым «главным» каталогом в разделе диска, все остальные каталоги и файлы располагаются по иерархии ниже его.

Data Area - область для данных- основная область раздела диска, хранит сами файлы.

Физическая и логическая структуры жёсткого диска создаются в процессе форматирования. В отличие от дискет, процесс форматирования жёсткого диска разбит на 2 этапа- низкоуровневое форматирование и форматирование высокого уровня. Низкоуровневое форматирование выполняется один раз на заводе-изготовителе. Форматирование высокого уровня выполняется утилитой Format.exe, хранящейся на загрузочной дискете, либо соответствующими средствами Windows.