Понятие и сущность дисковых массивов RAID, уровни RAID-массивов

Сущность понятия «RAID-массив»

Различные типы применяемых массивов могут обеспечить разные уровни устойчивости к отказам и производительности. RAID предназначен для обеспечения надёжного сохранения информации и/или для улучшения скоростных характеристик чтения/записи данных.Вначале, такие массивы выступали как резерв носителям на базе оперативной памяти (RAM), которая в те времена стоила относительно дорого. С течением времени, термин RAID приобрёл новое значение, а именно, массив уже стал набором независимых дисков. То есть имелось ввиду применение именно нескольких дисков, а не разделы единого диска, а также большую стоимость (по отношению к нескольким отдельным дискам) устройств, требуемых для реализации такого массива.

Дисковый массив с чередованием без отказоустойчивости/чётности (уровень RAID 0)

RAID 0 считается массивом, в котором информационные данные разбиты на блоки, и далее эти блоки, размер которых может быть задан при формировании массива, пишутся на отдельные диски. В самом простом варианте имеется пара дисков, и вначале очередной блок записывается на первый диск, следующий блок пишется на второй диск, затем снова на первый, и так далее идёт повторение процесса. Другим названием такого режима является «чередование», так как во время занесения информационных блоков происходит чередование дисков, на которые выполняется запись. Естественно, что чтение блоков данных также осуществляется поочерёдно. То есть, реализуется параллельное осуществление процедур ввода и вывода, что ведёт к увеличению производительности. Главным преимуществом такого режима как раз и считается большая скорость информационного обмена.

Но следует отметить, рост производительности составляет всё же не Nраз, где N является количеством дисков, а меньше. Прежде всего, возрастает в N раз время доступа к диску, которое и так достаточно большое в сравнении с другими модулями компьютера. Качественные параметры контроллера тоже влияют на процесс в значительной степени. Если они не их лучших, то скорость информационного обмена может быть сравнима со скоростью одного диска. Существенно влияет также качество интерфейса, который использует контроллер RAID для связи с другими модулями системы. Суммарно эти аспекты способны привести не только к снижению скорости линейного чтения, но и к ограничению допустимого числа дисков. То есть, если установить количество дисков больше некоего предельного значения, то прироста скорости чтения данных уже не будет. Или наоборот, скорость может даже снижаться. В конкретных задачах, при большом количестве запросов такой вариант снижения скорости является минимально возможным, так как скорость информационного обмена чаще ограничивается самим жёстким диском и его параметрами. В данной версии избыточности практически нет, задействовано всё пространство дисков. Но, если какой-либо диск выйдет из строя, то это ведёт к потере всей информации. На рисунке ниже изображена структура RAID 0:

Рисунок 1. Структура RAID 0. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Дисковый массив на основе зеркала (уровень RAID 1, Mirror)

Смысл этого режима работы RAID заключается в формировании копии диска, то есть зеркала, для увеличения степени устойчивости к отказам. В случае выхода из строя одного диска, работа продолжается на одном диске. Для такого режима необходимо наличие чётного количества дисков. Идея такого способа имеет аналогию с резервным копированием, но все действия происходят в оперативном режиме («на лету»), в том числе и восстановление работы после сбоя. То есть никаких затрат времени на восстановление нет.

К недостаткам следует отнести большую избыточность, поскольку требуется в два раза больше дисков, чтобы сформировать такой массив. Недостатком также может считаться отсутствие какого-либо роста производительности, так как второй диск служит лишь для копирования данных с первого диска. Структурная организация RAID 1 показана на рисунке ниже:

Рисунок 2. Структурная организация RAID 1. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Массив с использованием ошибкоустойчивого кода Хемминга (уровень RAID 2)

Код Хемминга даёт возможность находить и корректировать двойные ошибки. Такая система широко применяется в памяти с коррекцией ошибок (ECC). В таком варианте диски разделяются на две группы:

• Первая группа применяется для сохранения информационных данных. Принцип работы аналогичен RAID 0, то есть блоки разделяются по разным дискам.
• Вторая группа служит для сохранения ЕСС кодов.

К преимуществам такой системы следует отнести оперативную коррекцию ошибок и большую скорость потоковой информационной передачи.

Основным недостатком считается большая избыточность, поскольку при небольшом количестве дисков она превращается практически в двойную. С увеличением количества дисков удельное количество дисков, предназначенных для сохранения ЕСС кодов, уменьшается. То есть снижается удельная избыточность. Ещё одним недостатком считается малая скорость работы с небольшими файлами. По причине громоздкости и значительной избыточности при небольшом количестве дисков, такая системаRAID сегодня не применяется. Структурная организация массива RAID 2 показана на рисунке ниже:

Рисунок 3. Структурная организация массива RAID 2. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Отказоустойчивый массив с битовым чередованием и чётностью (уровень RAID 3)

В этом режиме выполняется запись данных в виде блоков, аналогично RAID 0, но применяется ещё один диск, где хранится чётность. Это существенно снижает избыточность по сравнению с RAID 2, которая равняется всего одному диску.

К недостаткам следует отнести небольшую скорость при обслуживании мелких файлов и большом числе запросов. Это сопряжено с тем обстоятельством, что все контрольные коды сохраняются на одном диске и при вводе и выводе информации из нужно переписывать. Структурная организация массива RAID 3 показана на рисунке ниже:

Рисунок 4. Структурная организация массива RAID 3. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ