Стандартные уровни RAID

В компьютерных хранилищах стандартные уровни RAID включают базовый набор конфигураций RAID («избыточный массив независимых дисков» или «избыточный массив недорогих дисков»), в которых используются методы чередования , зеркалирования или контроля четности для создания больших надежных хранилищ данных из компьютера общего назначения несколько жестких дисков (HDD). Наиболее распространенными типами являются RAID 0 (чередование), RAID 1 (зеркалирование) и его варианты, RAID 5 (распределенная четность) и RAID 6 (двойная четность). Несколько уровней RAID также могут быть объединены или вложены , например RAID 10 (чередование зеркал) или RAID 01 (зеркальное чередование наборов). Уровни RAID и связанные с ними форматы данных стандартизированы Ассоциацией производителей сетей хранения данных (SNIA) в стандарте Common RAID Disk Drive Format (DDF). Числовые значения служат только идентификаторами и не обозначают производительность, надежность, генерацию, иерархию или какие-либо другие показатели.

Хотя большинство уровней RAID могут обеспечить хорошую защиту и восстановление после аппаратных дефектов или дефектных секторов/ошибок чтения ( жестких ошибок ), они не обеспечивают никакой защиты от потери данных из-за катастрофических сбоев (пожар, вода) или программных ошибок, таких как ошибка пользователя. , сбой программного обеспечения или заражение вредоносным ПО. Для ценных данных RAID является лишь одним из строительных блоков более крупной схемы предотвращения потери данных и восстановления — он не может заменить план резервного копирования .

RAID 0

См. также: JBOD

Схема настройки RAID 0

RAID 0 (также известный как чередующийся набор или чередующийся том ) распределяет (« чередует ») данные равномерно по двум или более дискам без информации о четности , избыточности или отказоустойчивости . Поскольку RAID 0 не обеспечивает отказоустойчивости или избыточности, отказ одного диска приведет к сбою всего массива из-за чередования данных по всем дискам. Эта конфигурация обычно реализуется с целью достижения скорости. RAID 0 обычно используется для повышения производительности, хотя его также можно использовать для создания большого логического тома из двух или более физических дисков.

Настройка RAID 0 может быть создана с использованием дисков разного размера, но объем памяти, добавляемый в массив каждым диском, ограничен размером самого маленького диска. Например, если диск емкостью 120 ГБ чередуется с диском емкостью 320 ГБ, размер массива составит 120 ГБ × 2 = 240 ГБ. Однако некоторые реализации RAID позволяют использовать оставшиеся 200 ГБ для других целей.

На диаграмме в этом разделе показано, как данные распределяются по полосам на двух дисках: A1:A2 — первая полоса, A3:A4 — вторая и т. д. После того, как размер страйпа определен во время создания массива RAID 0 , его нужно поддерживать постоянно. Поскольку доступ к полосам осуществляется параллельно, массив RAID 0 из n дисков выглядит как один большой диск со скоростью передачи данных в n раз выше, чем скорость одного диска.

Производительность

Массив RAID 0 из n дисков обеспечивает скорость чтения и записи данных, в n раз превышающую скорость отдельных дисков, но без избыточности данных. В результате RAID 0 в основном используется в приложениях, требующих высокой производительности и допускающих более низкую надежность, например, в научных вычислениях. или компьютерные игры .

Некоторые тесты настольных приложений показывают, что производительность RAID 0 немного выше, чем у одного диска. В другой статье были рассмотрены эти утверждения и сделан вывод, что «чередование не всегда увеличивает производительность (в некоторых ситуациях оно фактически будет медленнее, чем установка без RAID), но в большинстве ситуаций оно приведет к значительному улучшению производительности». Синтетические тесты показывают разные уровни повышения производительности при использовании нескольких жестких дисков или твердотельных накопителей в конфигурации RAID 0 по сравнению с производительностью одного диска. Однако некоторые синтетические тесты также показывают падение производительности при том же сравнении.

RAID 1

См. также: RAID 1E.

Схема настройки RAID 1

RAID 1 состоит из точной копии (или зеркала ) набора данных на двух или более дисках; Классическая зеркальная пара RAID 1 содержит два диска. Эта конфигурация не обеспечивает четности, чередования или разделения дискового пространства на несколько дисков, поскольку данные зеркально отражаются на всех дисках, принадлежащих массиву, а размер массива может быть равен размеру самого маленького диска-члена. Такая схема полезна, когда производительность или надежность чтения важнее, чем производительность записи или результирующая емкость хранилища данных.

Массив будет продолжать работать до тех пор, пока работает хотя бы один диск-участник.

Производительность

Любой запрос на чтение может обслуживаться и обрабатываться любым диском в массиве; таким образом, в зависимости от характера нагрузки ввода-вывода производительность произвольного чтения массива RAID 1 может равняться сумме производительностей каждого члена, при этом производительность записи остается на уровне одного диска. Однако если в массиве RAID 1 используются диски с разной скоростью, общая производительность записи равна скорости самого медленного диска.

Синтетические тесты показывают различные уровни улучшения производительности при использовании нескольких жестких дисков или твердотельных накопителей в конфигурации RAID 1 по сравнению с производительностью одного диска. Однако некоторые синтетические тесты также показывают падение производительности при том же сравнении.

Рейд 2

«RAID 2» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других целях, см. Raid 2 .

Схема настройки RAID 2

RAID 2 , который редко используется на практике, распределяет данные на битовом (а не блочном) уровне и использует код Хэмминга для исправления ошибок . Диски синхронизируются контроллером для вращения с одинаковой угловой ориентацией (они достигают индекса в одно и то же время). ), поэтому обычно он не может обслуживать несколько запросов одновременно. Однако, в зависимости от высокоскоростного кода Хэмминга , многие шпиндели будут работать параллельно для одновременной передачи данных, так что возможны «очень высокие скорости передачи данных». мыслящих машин как, например, в DataVault , где одновременно передавались 32 бита данных. IBM 353 также наблюдал аналогичное использование кода Хэмминга и был способен передавать 64 бита данных одновременно, а также 8 битов ECC.

Поскольку все жесткие диски реализовали внутреннюю коррекцию ошибок, сложность внешнего кода Хэмминга не давала большого преимущества перед контролем четности, поэтому RAID 2 реализовывался редко; это единственный оригинальный уровень RAID, который в настоящее время не используется.

Рейд 3

Схема настройки RAID 3 из шестибайтовых блоков и двух байтов четности . Показаны два блока данных разных цветов.

RAID 3 , который редко используется на практике, состоит из чередования на уровне байтов с выделенным диском четности . Одной из характеристик RAID 3 является то, что он, как правило, не может обслуживать несколько запросов одновременно, что происходит потому, что любой отдельный блок данных по определению будет распределен по всем членам набора и будет находиться в одном и том же физическом месте на каждом диске. Таким образом, любая операция ввода-вывода требует активности на каждом диске и обычно требует синхронизации шпинделей.

Это делает его подходящим для приложений, требующих высочайшей скорости передачи данных при длительных последовательных операциях чтения и записи, например, при редактировании несжатого видео . Приложения, выполняющие небольшие операции чтения и записи из произвольных мест на диске, получат наихудшую производительность на этом уровне.

Требование, чтобы все диски вращались синхронно (одновременно ) , добавило конструктивных особенностей, которые не давали существенных преимуществ по сравнению с другими уровнями RAID. И RAID 3, и RAID 4 были быстро заменены RAID 5. RAID 3 обычно реализовывался аппаратно, а проблемы с производительностью решались за счет использования больших дисковых кэшей.

RAID 4

Схема 1. Настройка RAID 4 с выделенным диском четности , где каждый цвет представляет группу блоков в соответствующем блоке четности (полосу).

RAID 4 состоит из блоков чередования на уровне выделенного диска четности . В результате своей компоновки RAID 4 обеспечивает хорошую производительность случайного чтения, тогда как производительность случайной записи низкая из-за необходимости записи всех данных четности на один диск. если только файловая система не поддерживает RAID-4 и не компенсирует это.

Преимущество RAID 4 заключается в том, что его можно быстро расширить в режиме онлайн без повторного вычисления четности, если вновь добавленные диски полностью заполнены нулевыми байтами.

На диаграмме 1 запрос на чтение блока A1 будет обслуживаться диском 0. Одновременный запрос на чтение блока B1 должен будет подождать, но запрос на чтение B2 может одновременно обслуживаться диском 1.

Рейд 5

Схема макета RAID 5, где каждый цвет представляет группу блоков данных и связанный с ним блок четности (полосу). На этой диаграмме показана левая асинхронная компоновка.

RAID 5 состоит из чередования на уровне блоков с распределенной четностью. В отличие от RAID 4, информация о четности распределяется между дисками. Для работы требуется наличие всех дисков, кроме одного. В случае выхода из строя одного диска последующие операции чтения могут быть рассчитаны на основе распределенной четности, так что данные не будут потеряны. RAID 5 требует как минимум трех дисков.

В дисковом массиве RAID 5 существует множество схем размещения данных и четности в зависимости от последовательности записи на диски. то есть:

1. последовательность блоков данных, записанных слева направо или справа налево в дисковом массиве на дисках от 0 до N.
2. расположение блока четности в начале или конце полосы.
3. расположение первого блока страйпа относительно четности предыдущего страйпа.

На рисунке показаны 1) блоки данных, записанные слева направо, 2) блок четности в конце страйпа и 3) первый блок следующего страйпа, расположенный не на том же диске, что и блок четности предыдущего страйпа. Его можно обозначить как левый асинхронный RAID 5. и это единственный макет, указанный в последнем издании The Raid Book. опубликован несуществующим Консультативным советом по рейдам. В синхронной компоновке первый блок данных следующей полосы записывается на тот же диск, что и блок четности предыдущей полосы.

По сравнению с RAID 4, распределенная четность RAID 5 выравнивает нагрузку на выделенный диск четности среди всех членов RAID. Кроме того, производительность записи увеличивается, поскольку все члены RAID участвуют в обслуживании запросов на запись. Хотя это будет не так эффективно, как настройка с чередованием (RAID 0), поскольку четность все равно должна быть записана, это больше не является узким местом.

Поскольку вычисление четности выполняется на всей полосе, небольшие изменения в массиве приводят к усилению записи. : в худшем случае, когда необходимо записать один логический сектор, необходимо прочитать исходный сектор и соответствующий сектор четности, исходные данные удаляются из контроля четности, новые данные рассчитываются в четность и оба новых данных сектор и новый сектор четности записаны.

Рейд 6

Схема настройки RAID 6, которая идентична RAID 5, за исключением добавления второго четности . блока

RAID 6 расширяет RAID 5, добавляя еще один четности блок ; таким образом, он использует чередование на уровне блоков с двумя блоками четности, распределенными по всем дискам-членам. Для RAID 6 требуется как минимум четыре диска.

Как и в RAID 5, существует множество схем дисковых массивов RAID 6 в зависимости от направления записи блоков данных, расположения блоков четности относительно блоков данных и того, записывается ли первый блок данных последующей полосы. на тот же диск, что и последний блок четности предыдущей полосы. Рисунок справа — лишь один из многих подобных макетов.

По данным Ассоциации производителей сетей хранения данных (SNIA), RAID 6 определяется следующим образом: «Любая форма RAID, которая может продолжать выполнять запросы на чтение и запись ко всем виртуальным дискам массива RAID при наличии любых двух одновременных сбоев дисков. несколько методов, включая вычисления данных двойной проверки (четность и Рида-Соломона ), ортогональные данные двойной проверки четности и диагональную проверку четности». Для реализации RAID уровня 6 использовались

Два дополнительных блока обычно называются P и Q. Обычно блок P рассчитывается как проверка четности (XOR) данных, как и в RAID 5. Различные реализации RAID 6 используют разные коды стирания для вычисления блока Q, часто один из Рид Соломон, ЭВЕНОДД, Диагональная четность строк (RDP), Моджетт, или Кодексы освобождения.

Производительность

RAID 6 не имеет снижения производительности при операциях чтения, но имеет снижение производительности при операциях записи из-за накладных расходов, связанных с вычислениями четности. Производительность сильно различается в зависимости от того, как RAID 6 реализован в архитектуре хранения данных производителя — в программном обеспечении, встроенном ПО или с помощью встроенного ПО и специализированных ASIC для интенсивных вычислений четности. RAID 6 может читать с той же скоростью, что и RAID 5, с тем же количеством физических дисков.

Когда используется диагональная или ортогональная двойная четность, для операций записи необходим второй расчет четности. Это удваивает нагрузку на ЦП при записи RAID-6 по сравнению с уровнями RAID с одинарной четностью. При использовании кода Рида-Соломона второй расчет четности не требуется. Преимущество Рида-Соломона заключается в том, что вся избыточная информация может содержаться в пределах данного страйпа.

Общая система паритета

Можно поддерживать гораздо большее количество накопителей, если более тщательно выбирать функцию четности. Перед нами стоит задача добиться того, чтобы система уравнений над конечным полем $\mathbb {Z} _{2}$ имеет единственное решение. Для этого можно использовать теорию полиномиальных уравнений над конечными полями.

Рассмотрим поле Галуа $GF(m)$ с $m=2^{k}$. Это поле изоморфно полиномиальному полю $F_{2}[x]/(p(x))$ для подходящего неприводимого многочлена $p(x)$ степени $k$ над $\mathbb {Z} _{2}$. Мы будем представлять элементы данных $D$ как полиномы $\mathbf {D} =d_{k-1}x^{k-1}+d_{k-2}x^{k-2}+...+d_{1}x+d_{0}$ на поле Галуа. Позволять $\mathbf {D} _{0},...,\mathbf {D} _{n-1}\in GF(m)$ соответствуют полосам данных на жестких дисках, закодированных таким образом как элементы полей. Мы будем использовать $\oplus$ для обозначения сложения в поле и конкатенации для обозначения умножения. Повторное использование $\oplus$ намеренно: это потому, что сложение в конечном поле $\mathbb {Z} _{2}$ представляет собой оператор XOR, поэтому вычисление суммы двух элементов эквивалентно вычислению XOR для полиномиальных коэффициентов.

Генератор поля — это такой элемент поля, что $g^{i}$ различен для каждого неотрицательного $i<m-1$. Это означает, что каждый элемент поля, кроме значения $0$, можно записать как степень $g.$ Конечное поле гарантированно имеет хотя бы один генератор. Выберите один такой генератор $g$и определить $\mathbf {P}$ и $\mathbf {Q}$ следующее:

$\mathbf {P} =\bigoplus _{i}{\mathbf {D} _{i}}=\mathbf {D} _{0}\;\oplus \;\mathbf {D} _{1}\;\oplus \;\mathbf {D} _{2}\;\oplus \;...\;\oplus \;\mathbf {D} _{n-1}$

$\mathbf {Q} =\bigoplus _{i}{g^{i}\mathbf {D} _{i}}=g^{0}\mathbf {D} _{0}\;\oplus \;g^{1}\mathbf {D} _{1}\;\oplus \;g^{2}\mathbf {D} _{2}\;\oplus \;...\;\oplus \;g^{n-1}\mathbf {D} _{n-1}$

Как и прежде, первая контрольная сумма $\mathbf {P}$ — это просто XOR каждой полосы, хотя теперь он интерпретируется как полином. Эффект $g^{i}$ можно рассматривать как действие тщательно выбранного регистра сдвига с линейной обратной связью на фрагмент данных. В отличие от битового сдвига в упрощенном примере, который можно было применить только $k$ раз, прежде чем кодировка начала повторяться, применяя оператор $g$ несколько раз гарантированно приведет к получению $m=2^{k}-1$ уникальные обратимые функции, которые позволяют использовать фрагменты длиной $k$ поддерживать до $2^{k}-1$ фрагменты данных.

Если один фрагмент данных потерян, ситуация аналогична предыдущей. В случае двух потерянных фрагментов данных мы можем вычислить формулы восстановления алгебраически. Предположим, что $\mathbf {D} _{i}$ и $\mathbf {D} _{j}$ потерянные ценности с $i\neq j$, затем, используя другие значения $D$, находим константы $A$ и $B$:

$A=\mathbf {P} \;\oplus \;(\bigoplus _{\ell :\;\ell \not =i\;\mathrm {and} \;\ell \not =j}{D_{\ell }})=D_{i}\oplus D_{j}$

$B=\mathbf {Q} \;\oplus \;(\bigoplus _{\ell :\;\ell \not =i\;\mathrm {and} \;\ell \not =j}{g^{\ell }D_{\ell }})=g^{i}D_{i}\oplus g^{j}D_{j}$

Мы можем решить для $D_{i}$ во второе уравнение и подставьте его в первое, чтобы найти $D_{j}=(g^{m-i+j}\oplus 1)^{-1}(g^{m-i}B\oplus A)$, а потом $D_{i}=A\oplus D_{j}$.

В отличие от P , вычисление Q требует относительно большого количества ресурсов ЦП, поскольку включает в себя полиномиальное умножение. $F_{2}[x]/(p(x))$. Это можно устранить с помощью аппаратной реализации или использования FPGA .

Вышеупомянутое матричное решение Вандермонда можно расширить до тройной четности, но для выхода за рамки матрицы Коши . требуется конструкция

Сравнение

См. также: Вложенные уровни RAID § Сравнение.

В следующей таблице представлен обзор некоторых рекомендаций по стандартным уровням RAID. В каждом случае эффективность использования пространства массива выражается в количестве дисков n ; это выражение обозначает дробное значение от нуля до единицы, представляющее долю суммы мощностей накопителей, доступную для использования. Например, если три диска объединены в RAID 3, это дает эффективность использования пространства массива 1 – 1/ n = 1 – 1/3 = 2/3 ≈ 67% ; таким образом, если каждый диск в этом примере имеет емкость 250 ГБ, то общая емкость массива составляет 750 ГБ, но емкость, которую можно использовать для хранения данных, составляет только 500 ГБ. Различные конфигурации RAID также могут обнаруживать сбои во время так называемой очистки данных .

Исторически диски имели меньшую надежность, и уровни RAID также использовались для определения того, какой диск в массиве вышел из строя, в дополнение к сбою диска. Хотя, как отмечают Паттерсон и др. даже на момент появления RAID многие (хотя и не все) диски уже были способны находить внутренние ошибки с помощью кодов исправления ошибок. В частности, для обнаружения сбоя достаточно иметь зеркальный набор дисков, но двух дисков недостаточно для обнаружения сбоя в дисковом массиве без функций исправления ошибок. Современные RAID-массивы по большей части зависят от способности диска идентифицировать себя как неисправный, что можно обнаружить в ходе очистки. Избыточная информация используется для восстановления недостающих данных, а не для идентификации неисправного диска. Диски считаются неисправными, если на них возникает неисправимая ошибка чтения , которая возникает после того, как диск много раз пытался прочитать данные и потерпел неудачу. Корпоративные диски также могут сообщать о сбое при гораздо меньшем количестве попыток, чем потребительские диски, в рамках TLER, чтобы гарантировать своевременное выполнение запроса на чтение.

Уровень	Описание	Минимальное количество дисков	Эффективность использования пространства	Отказоустойчивость	Локализация отказов	Чтение производительности	Написать производительность
						как часть одного диска
RAID 0	на уровне блоков Чередование без контроля четности и зеркалирования	2	1	Никто	Только прошивка привода	н	н
RAID 1	Зеркальное отображение без четности или чередования	2	⁠ 1 / n ⁠	n - 1 отказ диска	Прошивка диска или голосование, если n > 2	н	1
Рейд 2	Чередование на уровне битов с кодом Хэмминга для исправления ошибок	3	1 − ⁠ 1 / n ⁠ log 2 ( n + 1)	Сбой одного диска	Прошивка диска и четность	Зависит от	Зависит от
Рейд 3	Чередование на уровне байтов с выделенной четностью	3	1 − ⁠ 1 / n ⁠	Сбой одного диска	Прошивка диска и четность	п - 1	п - 1
RAID 4	Распределение на уровне блоков с выделенной четностью	3	1 − ⁠ 1 / n ⁠	Сбой одного диска	Прошивка диска и четность	п - 1	п - 1
Рейд 5	Распределение на уровне блоков с распределенной четностью	3	1 − ⁠ 1 / n ⁠	Сбой одного диска	Прошивка диска и четность	н	один сектор: ⁠ 1 / 4 ⁠ полная полоса: n - 1
Рейд 6	Распределение на уровне блоков с двойной распределенной четностью	4	1 − ⁠ 2 / n ⁠	Два отказа диска	Прошивка диска и четность	н	один сектор: ⁠ 1 / 6 ⁠ полная полоса: n - 2

Системные последствия

При измерении производительности ввода-вывода пяти файловых систем с пятью конфигурациями хранилища — один SSD, RAID 0, RAID 1, RAID 10 и RAID 5 — было показано, что F2FS на RAID 0 и RAID 5 с восемью SSD превосходит EXT4 в 5 раз. и 50 раз соответственно. Измерения также показывают, что RAID-контроллер может стать существенным узким местом при построении RAID-системы с высокоскоростными твердотельными накопителями.

Вложенный RAID

Основная статья: Вложенные уровни RAID

Комбинации двух или более стандартных уровней RAID. Они также известны как RAID 0+1 или RAID 01, RAID 0+3 или RAID 03, RAID 1+0 или RAID 10, RAID 5+0 или RAID 50, RAID 6+0 или RAID 60 и RAID 10+0. или RAID 100.

Нестандартные варианты

Основные статьи: Нестандартные уровни RAID и архитектуры дисков без RAID

Помимо стандартных и вложенных уровней RAID, альтернативы включают нестандартные уровни RAID и архитектуры дисков, отличные от RAID . Архитектуры дисков без RAID обозначаются схожими терминами и аббревиатурами, в частности JBOD («просто набор дисков»), SPAN/BIG и MAID («огромный массив простаивающих дисков»).

Дальнейшее чтение

• «Знакомство с RAID» . Поддержка.Dell.com . Делл . 2009. Архивировано из оригинала 20 февраля 2009 г. Проверено 15 апреля 2016 г.
• Избыточные массивы недорогих дисков (RAID) , глава 38 из Операционные системы: три простых пьесы». книги Ремзи Х. Арпачи-Дюссо и Андреа К. Арпачи-Дюссо «

Внешние ссылки

• Сводка IBM по уровням RAID
• Калькулятор RAID для стандартных уровней RAID и других инструментов RAID
• Служба настройки семейства Sun StorEdge 3000 2.5. Руководство пользователя: Основы RAID