4.2.3. Kettamassiivide korraldamine (reid)

Teine võimalus kettamälu jõudluse suurendamiseks oli kettamassiivide loomine, kuigi selle eesmärk on mitte ainult (ja mitte niivõrd) saavutada suurem jõudlus, vaid ka kettasalvestusseadmete suurem töökindlus.

RAID tehnoloogia ( Sõltumatute ketaste üleliigne massiiv Sõltumatute ketaste üleliigne massiiv) oli mõeldud mitme odava kõvaketta ühendamiseks üheks kettamassiiviks, et suurendada jõudlust, mahtu ja töökindlust võrreldes ühe kettaga. Sel juhul peaks arvuti sellist massiivi nägema ühe loogilise kettana.

Kui ühendate lihtsalt mitu ketast (mitteüleliigseks) massiiviks, võrdub keskmine rikete vaheline aeg (MTTF) ühe ketta MTEF-iga jagatud ketaste arvuga. See arv on liiga väike rakenduste jaoks, mis on riistvaratõrgete korral kriitilise tähtsusega. Seda saab parandada, kasutades teabe salvestamisel mitmel viisil rakendatud liiasust.

RAID-süsteemides kasutatakse töökindluse ja jõudluse parandamiseks kolme peamise mehhanismi kombinatsioone, millest igaüks on eraldi hästi teada: - "peegelketaste" korraldus, s.o. salvestatud teabe täielik dubleerimine; - kontrollkoodide (paarsus, Hamming koodid) loendamine, mis võimaldab rikke korral infot taastada; - teabe jaotamine massiivi erinevate ketaste vahel samamoodi nagu seda tehakse mäluplokkide juurdepääsude põimimisel (vt vahemärki), mis suurendab ketaste paralleelse töötamise võimalust salvestatud teabega töötamise ajal. RAID-i kirjeldamisel nimetatakse seda tehnikat "triibulisteks ketasteks", mis tähendab sõna-sõnalt "triibulisi kettaid" või lihtsalt "triibulisi kettaid".

Riis. 43. Ketaste jagamine vahelduvateks plokkideks - "triibud".

Algselt määratleti viit tüüpi kettamassiivid, tähistus RAID 1 - RAID 5, mis erinevad oma funktsioonide ja jõudluse poolest. Kõik need tüübid andsid kirjutatava teabe teatud liiasuse tõttu suurema tõrketaluvuse võrreldes ühe draiviga. Lisaks on kettamassiivi, millel puudub liiasus, kuid mis võimaldab suurendada jõudlust (juurdepääsude triibutamise tõttu), nimetatakse sageli RAID 0-ks.

RAID-massiivide põhitüüpe saab lühidalt kirjeldada järgmiselt.

RAID 0. Tavaliselt määratletakse seda tüüpi massiivi kui paarsuseta ja andmete liiasuseta triibuliste ketaste rühma. Triipude (triipude või plokkide) suurused võivad olla mitme kasutajaga keskkonnas suured või ühe kasutaja süsteemis väikesed, et tagada järjestikune juurdepääs pikkadele kirjetele.

RAID 0 korraldus vastab lihtsalt joonisel fig. 43. Kirjutamis- ja lugemistoiminguid saab teha igal draivil üheaegselt. RAID 0 minimaalne draivide arv on kaks.

Seda tüüpi iseloomustab kõrge jõudlus ja kettaruumi kõige tõhusam kasutamine, kuid ühe ketta rike muudab kogu massiiviga töötamise võimatuks.

RAID 1. Seda tüüpi kettamassiivid (joonis 44, A) on tuntud ka kui peegeldraiv ja see on lihtsalt draivipaar, mis dubleerivad salvestatud andmeid, kuid paistavad arvuti jaoks ühe draivina. Ja kuigi triibutamist ei teostata ühes peegeldatud ketaste paaris, saab plokkide triibutamist korraldada mitme RAID 1 massiivi jaoks, mis koos moodustavad ühe suure massiivi mitmest peegeldatud kettapaarist. Seda organisatsiooni varianti nimetatakse RAID 1 + 0. On ka vastupidine variant.

Kõik kirjutustoimingud sooritatakse samaaegselt peegelpaari mõlemale kettale, nii et neis olev teave on identne. Kuid lugemisel saavad kõik paaris olevad kettad töötada iseseisvalt, mis võimaldab teha kahte lugemistoimingut samaaegselt, kahekordistades seeläbi lugemise jõudlust. Selles mõttes tagab RAID 1 kõigi kettamassiivi valikute parima jõudluse.

RAID 2. Nendes kettamassiivides on plokid - andmesektorid põimitud ketaste rühmaga, millest mõnda kasutatakse ainult juhtinformatsiooni salvestamiseks - ECC (error correcting codes) koodid. Kuid kuna kõigil kaasaegsetel draividel on sisseehitatud ECC-juhtimine, teeb RAID 2 võrreldes teiste RAID-tüüpidega vähe ja seda kasutatakse nüüd harva.

RAID 3. Nagu RAID 2 puhul, on seda tüüpi kettamassiivis (joonis 44, b) plokid-sektorid on põimitud üle kettarühma, kuid üks rühma ketastest on reserveeritud paarsusteabe salvestamiseks. Draivi rikke korral toimub andmete taastamine "eksklusiivse VÕI" (XOR) funktsiooni väärtuste arvutamise põhjal ülejäänud ketastele salvestatud andmete põhjal. Salvestised hõivavad tavaliselt kõik kettad (kuna triibud on lühikesed), mis suurendab üldist andmeedastuskiirust. Kuna iga I/O toiming nõuab juurdepääsu igale kettale, saab RAID 3 massiiv korraga teenindada ainult ühte päringut. Seetõttu tagab see tüüp ühe kasutaja jaoks parima jõudluse ühe ülesandega keskkonnas, kus on pikk kirjutamine. Lühikeste salvestistega töötamisel on jõudluse halvenemise vältimiseks vaja ajami spindlid sünkroonida. Oma omaduste poolest on RAID 3 lähedane RAID 5-le (vt allpool).

RAID 4. See organisatsioon, mis on näidatud joonisel fig. 35, V) on sarnane RAID 3-ga, ainsa erinevusega, et see kasutab suuri plokke (triipe), nii et kirjeid saab lugeda massiivi igalt draivilt (välja arvatud draiv, mis salvestab paarsuskoode). See võimaldab kombineerida lugemistoiminguid erinevatel ketastel. Kirjutamistoimingud värskendavad alati paarsusketast, nii et neid ei saa liita. Üldiselt pole sellel arhitektuuril teiste RAID-i valikute ees erilisi eeliseid.

RAID 5. Seda tüüpi kettamassiivid on sarnased RAID 4-ga, kuid paarsuskoode ei salvestata spetsiaalsele kettale, vaid plokkides, mis asuvad vaheldumisi kõigil ketastel. Seda organisatsiooni nimetatakse mõnikord isegi "pöörleva paarsusega" massiiviks (võib märkida mõningast analoogiat katkestusliinide määramisega PCI siini pesadele või katkestuskontrolleri tsüklilise prioriteediga x86 liiniprotsessorites). See jaotus väldib samaaegsete kirjutamiste piiramist, kuna paarsuskoodid salvestatakse ainult ühele kettale, mis on tüüpiline RAID 4 jaoks. Joonisel fig. 44, G) näitab neljast draivist koosnevat massiivi, kus iga kolme andmeploki kohta on üks paarsusplokk (need plokid on varjutatud), mille asukoht muutub iga andmeploki kolmekordse puhul, liikudes tsükliliselt läbi kõigi nelja draivi.

Kõigi ketaste lugemistoiminguid saab teha paralleelselt. Kirjutamistoiminguid, mis nõuavad kahte draivi (andmete ja paarsuse jaoks), saab tavaliselt ka kombineerida, kuna paarsuskoodid on jaotatud kõigi draivide vahel.

Erinevate kettamassiivide korraldamise võimaluste võrdlus näitab järgmist.

RAID 0 on kiireim ja tõhusaim valik, kuid see ei paku tõrketaluvust. See nõuab vähemalt 2 draivi. Kirjutamis- ja lugemistoiminguid saab teha igal draivil samaaegselt.

RAID 1 arhitektuur on kõige sobivam suure jõudlusega ja väga töökindlate rakenduste jaoks, kuid ka kõige kallim. See on ka ainus võimalus, mis on tõrketaluv, kui kasutatakse ainult kahte draivi. Lugemistoiminguid saab teha iga draivi jaoks samaaegselt, kirjutustoimingud dubleeritakse alati peegeldatud draivipaari jaoks.

RAID 2 arhitektuuri kasutatakse harva.

RAID 3 kettamassiivi saab kasutada andmeedastuse kiirendamiseks ja tõrketaluvuse suurendamiseks ühe kasutaja keskkonnas, kus on järjestikune juurdepääs pikkadele kirjetele. Kuid see ei võimalda toiminguid kombineerida ja nõuab ajami spindlite pöörlemise sünkroonimist. See vajab vähemalt kolme draivi: 2 andmete jaoks ja üks paarsuskoodide jaoks.

RAID 4 arhitektuur ei toeta samaaegseid toiminguid ja sellel pole RAID 5 ees eeliseid.

RAID 5 on tõhus, tõrketaluv ja toimib hästi. Kuid jõudlus kirjutamise ajal ja draivi rikke korral on halvem kui RAID 1. Kuna paarsuskoodide plokk viitab kogu kirjutatavale plokile, siis kui kirjutatakse ainult osa sellest, peate esmalt lugema eelnevat kirjalikud andmed, seejärel arvutage paarsuskoodide uued väärtused ja alles pärast seda kirjutage uued andmed (ja paarsus). Ümberehitustoimingud võtavad ka kauem aega, kuna on vaja genereerida paarsuskoode. Seda tüüpi RAID vajab vähemalt kolme draivi.

Lisaks saab enamlevinud RAID-i variantide: 0, 1 ja 5 põhjal moodustada nn kahetasandilisi arhitektuure, mis ühendavad erinevat tüüpi massiivide korrastamise põhimõtteid. Näiteks saab mitut sama tüüpi RAID-massiivi ühendada üheks andmemassiivi rühmaks või paarsusmassiiviks.

Tänu sellele kahetasandilisele korraldusele on võimalik saavutada vajalik tasakaal RAID 1 ja RAID 5 massiividele iseloomuliku andmesalvestuskindluse tõusu ning RAID 0 massiivi ketastel olevate plokkide triibutamisele omase suure lugemiskiiruse vahel. Selliseid kahetasandilisi skeeme nimetatakse mõnikord RAID 0 + 1 või 10 ja 0 + 5 või 50.

RAID-massiivide tööd saab juhtida mitte ainult riistvara, vaid ka tarkvara abil, mille võimalus on teatud operatsioonisüsteemide serveriversioonides ette nähtud. Kuigi on selge, et sellisel teostusel on oluliselt halvemad jõudlusnäitajad.

(+) : kõrge töökindlusega – töötab seni, kuni vähemalt üks massiivi ketas töötab. Kahe ketta korraga rikke tõenäosus võrdub iga ketta rikke tõenäosuse korrutisega. Praktikas tuleks ühe ketta rikke korral võtta kiireloomulisi meetmeid - koondamine tuleks uuesti taastada. Selleks on mis tahes RAID-tasemega (välja arvatud null) soovitatav kasutada kuumi varukettaid. Selle lähenemisviisi eeliseks on pideva kättesaadavuse säilitamine.

(-) : Puuduseks on see, et peate maksma kahe kõvaketta maksumuse, saades ainult ühe kõvaketta kasutatava mahu.

RAID 1+0 ja RAID 0+1

Peegel paljudel ketastel - RAID 1+0 või RAID 0+1. RAID 10 (RAID 1+0) viitab võimalusele, kui kaks või enam RAID 1 on kombineeritud RAID 0-ks. RAID 0+1 võib tähendada kahte valikut:

RAID 2

Seda tüüpi massiivid põhinevad Hammingi koodi kasutamisel. Kettad jagunevad kahte rühma: andmete jaoks ja veaparanduskoodide jaoks ning kui andmed on salvestatud ketastele, siis on kettaid vaja paranduskoodide salvestamiseks. Andmed jaotatakse info salvestamiseks mõeldud ketaste vahel samamoodi nagu RAID 0 puhul, s.t. need on jagatud väikesteks plokkideks vastavalt ketaste arvule. Ülejäänud kettad salvestavad veaparanduskoodid, mille järgi on kõvaketta rikke korral võimalik info taastamine. Hammingi meetodit on ECC mälus juba ammu kasutatud ja see võimaldab parandada üksikuid vigu ja tuvastada topeltvigu käigu pealt.

Väärikust RAID 2 eesmärk on parandada ketta toimingute kiirust võrreldes ühe ketta jõudlusega.

puuduseks RAID 2 massiiv on see, et minimaalne ketaste arv, mille jaoks seda on mõttekas kasutada, on 7. Samas on vaja peaaegu kahekordset ketaste arvu struktuuri (n=3 puhul salvestatakse andmed 4 kettale ), nii et seda tüüpi massiivi laialdaselt ei kasutata. Kui kettaid on umbes 30-60, siis on ülekulu 11-19%.

RAID 3

RAID 3 ketaste massiivi korral jagatakse andmed sektorist väiksemateks tükkideks (jagatakse baitideks) või plokkideks ja jaotatakse ketaste vahel. Pariteediplokkide salvestamiseks kasutatakse teist ketast. RAID 2 puhul kasutati selleks ketast, kuid enamus juhtketaste teabest kasutati tõrketeadete parandamiseks lennu ajal, samas kui enamik kasutajaid on rahul lihtsa teabe taastamisega ketta rikke korral, millel on piisavalt teavet, mis mahub ühele spetsiaalsele kõvakettale.

Erinevused RAID 3 ja RAID 2 vahel: vigade parandamise võimatus ja väiksem koondamine.

Eelised:

• kiire andmete lugemine ja kirjutamine;
• Minimaalne ketaste arv massiivi loomiseks on kolm.

Puudused:

• seda tüüpi massiiv sobib ainult suurte failidega ühe ülesandega tööks, kuna eraldi sektori juurdepääsuaeg ketastega on võrdne iga ketta sektorite juurdepääsuintervallide maksimumiga. Väikeste plokkide puhul on juurdepääsuaeg palju pikem kui lugemisaeg.
• suur koormus juhtkettale ja selle tulemusena langeb selle töökindlus võrreldes andmeid salvestavate ketastega märkimisväärselt.

RAID 4

RAID 4 sarnaneb RAID 3-ga, kuid erineb selle poolest, et andmed on jagatud plokkideks, mitte baitideks. Seega oli võimalik osaliselt "võita" väikese andmeedastuskiiruse probleem. Kirjutamine on aeglane, kuna kirjutamise ajal genereeritakse ploki paarsus ja kirjutatakse see ühele kettale. Levinud salvestussüsteemidest on RAID-4 kasutusel NetApp salvestusseadmetel (NetApp FAS), kus selle puudused on edukalt kõrvaldatud, töötades kettaid spetsiaalses grupikirjutusrežiimis, mille määrab seadmetes kasutatav sisemine WAFL-failisüsteem.

RAID 5

RAID-tasemete 2–4 peamiseks puuduseks on võimetus paralleelselt kirjutada, kuna paarsusteabe salvestamiseks kasutatakse eraldi paarsusketast. RAID 5-l seda puudust pole. Andmeplokid ja kontrollsummad kirjutatakse tsükliliselt kõikidele massiivi ketastele, ketta konfiguratsioonis pole asümmeetriat. Kontrollsummad on XOR-operatsiooni tulemus (välja arvatud või). Xor sellel on RAID 5-s kasutatav funktsioon, mis võimaldab asendada mis tahes operandi tulemusega ja algoritmi rakendamisega xor, hankige selle tulemusel puuduv operandi. Näiteks: a xor b = c(Kus a, b, c- kolm raid massiivi ketast), kui a keeldub, saame ta kätte, pannes ta oma kohale c ja olles kulutanud xor vahel c Ja b: xor b = a. See kehtib sõltumata operandide arvust: a xor b xor c xor d = e. Kui see ebaõnnestub c Siis e võtab oma koha sisse ja xor selle tulemusena saame c: a xor b xor e xor d = c. See meetod tagab sisuliselt versiooni 5 tõrketaluvuse. Xori tulemuse salvestamiseks kulub vaid 1 ketas, mille suurus on võrdne mis tahes muu raidi ketta suurusega.

(+) V: RAID5 on muutunud laialt levinud eelkõige selle kuluefektiivsuse tõttu. RAID5 kettamassiivi suurus arvutatakse valemiga (n-1)*hddsize, kus n on massiivi ketaste arv ja hddsize on väikseima ketta suurus. Näiteks 4 80 gigabaidise ketta massiivi puhul on kogumaht (4–1) * 80 = 240 gigabaiti. RAID 5 mahule teabe kirjutamiseks kulub lisaressursse ja jõudlus langeb, kuna vaja on täiendavaid arvutusi ja kirjutamisoperatsioone, kuid lugemisel (võrreldes eraldi kõvakettaga) on võit, kuna mitme massiivi ketta andmevood võivad töödelda paralleelselt.

(-) : RAID 5 jõudlus on märgatavalt aeglasem, eriti juhusliku kirjutamise operatsioonide puhul (kirjutab juhuslikus järjekorras), mille puhul jõudlus langeb 10–25% võrreldes RAID 0 (või RAID 10) jõudlusega, kuna see nõuab rohkem kettatoiminguid ( iga serveri kirjutamisoperatsioon asendatakse RAID-kontrolleris kolmega – üks lugemisoperatsioon ja kaks kirjutamistoimingut). RAID 5 puudused ilmnevad siis, kui üks ketastest ebaõnnestub - kogu helitugevus läheb kriitilisse režiimi (laguneb), kõigi kirjutamis- ja lugemistoimingutega kaasnevad täiendavad manipulatsioonid, jõudlus langeb järsult. Sel juhul vähendatakse töökindluse taset RAID-0 töökindlusele vastava ketaste arvuga (st n korda madalam kui ühe ketta töökindlus). Kui tõrge ilmneb enne massiivi täielikku taastamist või veel vähemalt ühel kettal ilmneb taastamatu lugemisviga, siis massiiv hävib ja sellel olevaid andmeid ei saa tavapäraste meetoditega taastada. Samuti tuleb arvestada, et RAID-i rekonstrueerimise protsess (RAID-andmete taastamine koondamise tõttu) pärast ketta riket põhjustab ketastelt intensiivse lugemiskoormuse mitme tunni jooksul, mis võib põhjustada mõne allesjäänud ketta rikke. vähemalt kaitstud RAID-i tööperioodi, samuti tuvastada varem avastamata lugemistõrkeid külmades andmemassiivides (andmed, millele massiivi tavapärase töö käigus juurde ei pääse, arhiveeritud ja passiivsed andmed), mis suurendab andmete taastamise ajal ebaõnnestumise ohtu. Kasutatavate ketaste minimaalne arv on kolm.

RAID 5EE

Märkus. Kõik kontrollerid ei toeta. RAID level-5EE sarnaneb RAID-5E massiiviga, kuid varuketta tõhusama kasutamise ja kiirema taastamisajaga. Sarnaselt RAID level-5E-ga loob see RAID-tase andmete ja kontrollsummade read kõigi massiivi draivide kohta. RAID-5EE massiiv on parandanud turvalisust ja jõudlust. RAID level-5E kasutamisel piirab loogilise köite mahtu massiivi kahe füüsilise kõvaketta maht (üks juhtimiseks, üks varundamiseks). Varudraiv on osa RAID-5EE massiivist. Erinevalt RAID level-5E-st, mis kasutab varuks jagamata vaba ruumi, on RAID level-5EE varukettale sisestatud kontrollsummaplokid, nagu on näidatud järgmises näites. See võimaldab füüsilise ketta rikke korral andmeid kiiresti taastada. Selle konfiguratsiooniga ei saa te seda teiste massiividega kasutada. Kui vajate mõne muu massiivi jaoks varuketast, peaks teil olema veel üks varu-kõvaketas. RAID level-5E nõuab minimaalselt nelja draivi ning olenevalt püsivara tasemest ja mahust toetab 8–16 draivi. RAID level-5E-l on spetsiifiline püsivara. Märkus. RAID level-5EE puhul saate massiivi kohta kasutada ainult ühte loogilist köidet.

Eelised:

• 100% andmekaitse
• Suur füüsilise ketta maht võrreldes RAID-1 või RAID-1E-ga
• Suurem jõudlus kui RAID-5
• Kiirem RAID-i taastamine kui RAID-5E

Puudused:

• Madalam jõudlus kui RAID-1 või RAID-1E
• Toetus ainult ühele loogilisele köitele massiivi kohta
• Suutmatus varudraivi teiste massiividega jagada
• Kõiki kontrollereid ei toetata

RAID 6

RAID 6 - sarnane RAID 5-ga, kuid selle töökindlus on kõrgem - kontrollsummade jaoks on eraldatud 2 ketta maht, 2 summat arvutatakse erinevate algoritmide abil. Nõuab võimsamat RAID-kontrollerit. Tagab töövõime pärast kahe ketta samaaegset riket – kaitse mitmekordse rikke eest. Massiivi jaoks on vaja vähemalt 4 ketast. Tavaliselt põhjustab RAID-6 kasutamine kettarühma jõudluses umbes 10–15% langust võrreldes RAID-5-ga, mis on tingitud kontrolleri suurest töötlemisest (vajadus arvutada teine ​​kontrollsumma, samuti lugeda ja kirjutage igal kirjutamisel rohkem kettaplokke). plokk).

RAID 7

RAID 7 on ettevõtte Storage Computer Corporation registreeritud kaubamärk ega ole eraldiseisev RAID-tase. Massiivi struktuur on järgmine: andmed salvestatakse ketastele, ühte ketast kasutatakse paarsusplokkide salvestamiseks. Ketastele kirjutamine salvestatakse vahemällu kasutades RAM-i, massiiv ise nõuab kohustuslikku UPS-i; voolukatkestuse korral andmed rikutakse.

RAID 10

RAID 10 arhitektuuriskeem

RAID 10 on peegeldatud massiiv, mis sarnaselt RAID 0-ga kirjutab andmeid järjestikku mitmele kettale. See arhitektuur on RAID 0 massiiv, mille segmendid on üksikute ketaste asemel massiivid RAID 1. Sellest tulenevalt peab selle taseme massiiv sisaldama vähemalt 4 ketast. RAID 10 ühendab endas kõrge tõrketaluvuse ja jõudluse.

Praegused kontrollerid kasutavad seda režiimi vaikimisi RAID 1+0 jaoks. See tähendab, et üks ketas on peamine, teine ​​on peegel, andmeid loetakse neilt ükshaaval. Nüüd võime mõelda, et RAID 10 ja RAID 1+0 on sama ketta peegeldamise meetodi erinevad nimed. Väide, et RAID 10 on andmete salvestamiseks kõige usaldusväärsem variant, on ekslik, sest hoolimata asjaolust, et sellel RAID-tasemel on võimalik säilitada andmete terviklikkus, kui pooled kettad ebaõnnestuvad, hävib massiiv pöördumatult, kui kaks neist ebaõnnestuvad. kettad, kui need on samas peegelpaaris.

Kombineeritud tasemed

Lisaks standardis kirjeldatud põhilistele RAID 0 - RAID 5 tasemetele on kombineeritud RAID 1+0, RAID 3+0, RAID 5+0, RAID 1+5 tasemed, mida erinevad tootjad tõlgendavad omal moel.

• RAID 1+0 on kombinatsioon peegeldamine Ja vaheldumine(vt eespool).
• RAID 5+0 on vaheldumine 5. taseme köiteid.
• RAID 1+5 – RAID 5 of peegeldatud aur.

Kombineeritud tasemed pärivad nii oma "vanemate" eelised kui ka puudused: välimus vaheldumine RAID 5+0 tasemel ei lisa sellele töökindlust, kuid mõjub jõudlusele positiivselt. RAID 1+5 tase on ilmselt väga töökindel, kuid mitte kõige kiirem ja pealegi äärmiselt ebaökonoomne: mahu kasutatav maht jääb alla poole ketaste kogumahust...

Väärib märkimist, et muutub ka kombineeritud massiivides olevate kõvaketaste arv. Näiteks RAID 5+0 kasutab 6 või 8 kõvaketast, RAID 1+0 aga 4, 6 või 8.

Standardtasemete võrdlus

* N - massiivi ketaste arv, S - väikseima ketta suurus. ** Teave ei lähe kaduma, kui kõik sama peegli kettad ebaõnnestuvad. *** Teave ei lähe kaotsi, kui kaks draivi erinevates peeglites ebaõnnestuvad.

Matrix RAID

Matrix RAID on tehnoloogia, mida Intel on oma kiibikomplektides rakendanud alates ICH6R-ist. Rangelt võttes ei ole see tehnoloogia uus RAID-tase (selle analoog on olemas kõrgetasemelistes riistvaralistes RAID-kontrollerites), see võimaldab väikese arvu kettaid kasutades korraldada samaaegselt üht või mitut RAID 1, RAID 0 ja RAID 5 massiivi. vähe raha, et tagada mõnede andmete suurem usaldusväärsus ning teistele kiire juurdepääsu- ja tootmiskiirus.

RAID-kontrollerite lisafunktsioonid

Paljud RAID-kontrollerid on varustatud lisafunktsioonide komplektiga:

• "Kuum vahetus" (hot Swap)
• "Hot Spare" (hot Spare)
• Stabiilsuse kontroll.

tarkvara (inglise keeles) tarkvara) RAID

RAID-i juurutamiseks võite kasutada mitte ainult riistvara, vaid ka täielikult tarkvarakomponente (draivereid). Näiteks Linuxi tuumasüsteemides on spetsiaalsed kerneli moodulid ja RAID-seadmeid saab hallata mdadm utiliidi abil. Tarkvara RAID-il on oma eelised ja puudused. Ühest küljest ei maksa see midagi (erinevalt riistvaralistest RAID-kontrolleritest, mille hind algab 250 dollarist). Teisest küljest kasutab tarkvara RAID protsessori ressursse ja kettasüsteemi tippkoormuse ajal võib protsessor kulutada märkimisväärse osa võimsusest RAID-seadmete teenindamiseks.

Linuxi kernel 2.6.28 (viimati välja antud 2008. aastal) toetab tarkvara RAID tasemeid: 0, 1, 4, 5, 6, 10. Rakendus võimaldab luua eraldi kettasektsioonidel RAID-i, mis on sarnane ülalkirjeldatud Matrix RAID-iga. RAID-i kaudu käivitamist toetatakse.

RAIDi idee edasiarendus

RAID-massiivide idee seisneb kettade kombineerimises, millest igaühte peetakse sektorite komplektiks, ja selle tulemusena "näeb" failisüsteemi draiver justkui ühte ketast ja töötab sellega, pööramata sellele tähelepanu. sisemine struktuur. Siiski saate kettasüsteemi jõudlust ja töökindlust oluliselt suurendada, kui failisüsteemi draiver "teab", et see ei tööta mitte ühe kettaga, vaid ketaste komplektiga.

Veelgi enam, kui mõni RAID-0 ketastest hävib, läheb kogu massiivi teave kaotsi. Kuid kui failisüsteemi draiver on paigutanud iga faili ühele kettale ja kataloogistruktuur on õigesti korraldatud, siis kui mõni ketastest hävitatakse, lähevad kaotsi ainult sellel kettal olnud failid; ja failid, mis on täielikult säilinud ketastel, jäävad kättesaadavaks.

Maailma suurima USB-kettaseadmete tootja Y-E Data Corporationi töötaja Daniel Olson lõi katse korras neljast RAID-massiivist.

Alustame väikesest: "RAID-massiivi" või tavainimestes "RAID", mis see on?

RAID on lühend, mis tähistab "Redundant Array of Independent Disks", mis on tõlgitud vene keelde kui "üleliigne (liigne) sõltumatute ketaste massiiv".
Lihtsamalt öeldes on "RAID massiiv" füüsiliste HDD-draivide kombinatsioon üheks loogiliseks.
loogiline ajam- see on tavaline HDD ketas, mis on jagatud mitmeks loogiliseks. Tavaliselt kasutatakse seda statsionaarsetes arvutites, ühest tehakse mitu.
Nagu eespool mainitud, võib tavalise füüsilise ketta jagada mitmeks loogiliseks. "RAIDis" toimub kõik vastupidi - ühenduselemendisse (kus neid hoitakse) paigaldatakse mitu HDD-ketast ja seejärel tajub operatsioonisüsteem kõiki HDD-kettaid ühena. st operatsioonisüsteem on 100% kindel, et sellega on ühendatud ainult üks füüsiline ketas.

Mis on RAID-massiivid, neid on ainult 2 tüüpi, riist- ja tarkvara:

1) Riistvaraline RAID- luuakse tavaliselt enne operatsioonisüsteemi laadimist, kasutades "RAID-kontrollerisse" installitud (juhtmega) spetsiaalseid utiliite - midagi sellist nagu "BIOS". Pärast sellist töötlemist, kui ühendate RAID-massiivi, näeb operatsioonisüsteem installifaasis teie HDD-draive ühtsena.

2) Tarkvara RAID- luuakse HDD-draivide ühendamisel mis tahes operatsioonisüsteemiga. st HDD-de ühendamise ajal tuvastab see mitu füüsilist ketast ja ainult operatsioonisüsteemi abil, tarkvara abil, ühendatakse HDD-d üheks massiiviks. OS ise ei asu "RAID-massiivis", kuna see installitakse enne massiivi loomist.

"Milleks see on?"- sul on küsimus! Vastus on lihtne: andmete lugemise ja kirjutamise kiiruse suurendamiseks või turvalisuse ja tõrketaluvuse parandamiseks.
Vaatame, kuidas "RAID massiiv" suurendab teie andmete jõudlust ja turvalisust?" - sellele küsimusele vastamiseks vaatleme erinevaid "RAID-massiivide" tüüpe, kuidas need moodustuvad ja mis sellest tuleb.

Kaaluge "RAID-0":

Rohkem kui üks HDD liidetakse jadaühenduse kaudu üheks, misjärel toimub mahtude liitmine, s.t. - kui võtta mitu HDD-d, igaüks mahuga "500Gb" ja luua neist "RAID-0", siis operatsioonisüsteem käsitleb installitud HDD-sid ühena, summeerib need, millest saame ühe HDD-ga mahutavus 1000Gb (1Tb). Pärast ketaste ühendamist üheks massiiviks on draivi lugemis- ja kirjutamiskiirus kaks korda suurem kui ketaste oma eraldi.

Näide- andmebaas, mis asub kahel füüsilisel kõvakettal, millest üks loeb ainult andmeid, teine ​​aga kirjutab andmeid teisele HDD-le ja seda kõike teevad nad korraga. Aga kui andmebaasi asukoht on ainult ühel kettal, täidab HDD ketas ise oma tarkvaraga järjestikku täiesti erinevate kasutajate lugemis- või kirjutamisfunktsiooni. "RAID-0" massiiv võimaldab paralleelselt lugeda ja kirjutada. Kiiruse osas võime järeldada - mitu HDD ketast on teie RAID-0 massiivi, korrutage Ito arv olemasoleva kiirusega (selle kiirusega töötab RAID-0 teie jaoks kiiremini) - kogu massiivi sõltuvus on proportsionaalne – HDD väidete kiirus suureneb N korda, kus N = installitud kõvaketaste arv massiivi kohta.

RAID-0 massiivil on ainult üks puudus, see miinus katab kõik, isegi selle kasutamise plussid - RAID-0 massiivi veataluvus puudub. Probleem on selles, et kui üks massiivi installitud füüsilistest kõvaketastest ebaõnnestub, sureb kogu massiiv.
Selle kohta on vana nali: "Mida tähendab "0" RAID-0-s? - teabe hulk, mis taastatakse pärast massiivi suremist!" (kuigi see pole üldse lõbus, kui on midagi väga olulist).

Järgmisena kaaluge massiivi "RAID-1".

Mitu või enam HDD-draivi ühendatakse üheks, installides spetsiaalsesse massiivi, st. kui võtame mitu 500 GB mahuga HDD-ketast ja teeme neist RAID-1 massiivi, operatsioonisüsteem käsitleb seda ühe 500 GB massiivina.
"RAID-1" massiivi lugemis- ja kirjutamiskiirus on täpselt sama, mis üksikul HDD-l, sest lugemine ja kirjutamine toimub kohe mõlemal HDD-l korraga.
RAID-1 massiiv ei suurenda jõudluse kiirust, kuid teil on tõrketaluvus, kui üks HDD-ketastest ebaõnnestub, on teisel HDD-kettal teabe täielik varukoopia (varukoopia). Massiivist andmete sihipärase kustutamise korral toimub kustutamine mõlemalt kettalt korraga!

Järgmisena kaaluge massiivi "RAID-5":

Kõige turvalisem RAID-5 valik. Massiivi täitmine teabega arvutatakse valemi "(N - 1) * DiskSize" järgi, kus N on massiivi HDD-de arv ja lühend "DiskSize" on iga installitud HDD maht, s.t. luues massiivi “RAID-5” versioonist 3 HDD-kettalt, millest igaühe maht on 500 GB, saame massiivi mälumahuga 1000 Gb 1 terabaiti.

RAID-5 massiivi olemus on järgmine - mitu HDD-d ühendatakse "RAID-0-ks" ja kolmas HDD (mida ei võeta arvesse) salvestatakse, nimetagem seda "kontrollsummaks" - see on mõeldud teave massiivi ühe ketta taastamiseks tema surma korral. "RAID-5" massiivi kirjutamiskiirus on veidi väiksem, kuna saadud summa arvutamiseks ja lisakettale kirjutamiseks kulub vähe aega ning lugemiskiirus jääb samaks kui "RAID-0" puhul. massiivi.
Kui juhtub, et mõni teie RAID-5 kõvaketastest ebaõnnestub, langeb lugemis- ja kirjutamiskiirus kohe järsult, kuna kõigi käimasolevate toimingutega kaasnevad täiendavad manipuleerimistoimingud.

Tegelikult muutub RAID-5 RAID-0-ks ja kui te ei hoolitse RAID-massiivi õigeaegse taastamise eest, on suur oht andmete täielikuks kaotamiseks.
Paralleelselt "RAID-5" massiiviga on võimalik kasutada "Varuketast" - varuketast. RAID-massiivi stabiilse töö ajal varuketast ei kasutata ja see on ooterežiimis. Kuid iga kriitilise olukorra korral algab "RAID-massiivi" varukoopia taastamine automaatselt - kahjustatud HDD-lt saadud teave taastatakse varu-HDD-le, kasutades kontrollsummasid, mis asuvad eraldi HDD-l.
"RAID-5" massiiv luuakse tavaliselt vähemalt kolmest HDD-st ja see aitab salvestada teie andmeid ainult üksikute ilmnenud vigade eest. Kui erinevatel kõvaketastel ilmnevad samaaegsed vead, siis RAID-5 massiiv ei salvesta.

Järgmiseks massiiv "RAID-6":

Sellel on paremad võimalused võrreldes massiiviga "RAID-5". Üldiselt on töö olemus sama, mis RAID-5 massiivi puhul, ainult kontrollsumma arvutamine ei toimu mitte ühel HDD-l, vaid kahel HDD-l ja kogu kontrollsumma arvutamine toimub täiesti erinevate algoritmide abil, mis aitab kaasa kuni kogu "RAID-massiivi" kui terviku veataluvuse märkimisväärne suurenemine. RAID-6 massiiv on kokku pandud peamiselt neljast kõvakettast. Massiivimälu suuruse arvutamiseks kasutatav valem on järgmine -- (N - 2) * DiskSize, kus N on massiivi paigaldatud HDD-de arv ja "DiskSize" on iga HDD mälumaht, st. viiest HDD-kettast koosneva massiivi "RAID-6" loomisel nimiväärtusega 500 GB on kogumaht 1500 Gb (1,5 Tb-terabaiti).
"RAID-6" massiivi kiirus kirjutamise ajal on massiivi "RAID-5" kiirusest umbes 10-15% madalam, kiiruse vähenemine on tingitud lisaajast, mis kulub arvutamiseks koos salvestamisega. kontrollsummad.

Massiiv "RAID-10":

Seda nimetatakse mõnikord "RAID 0+1" või "RAID 1+0", mis on "RAID-0 ja RAID-1" kombinatsioon. See massiiv luuakse tavaliselt vähemalt neljast HDD-kettast: esimesel partitsioonil "RAID-0" ja teisel "RAID-0" asuvad need lugemis- ja kirjutamiskiiruse suurendamiseks omavahel peeglis. massiivist "RAID-1" – see on vajalik veataluvuse parandamiseks. RAID-10 massiiv suutis ühendada kahe esimese valiku eelised - mis järgis selle kiirust ja veataluvust.

Massiiv "RAID-50" on "RAID-10" analoog, mis on "RAID-0 ja RAID-5" sümbioos - tegelikult on see kokku pandud "RAID-5" massiivina, ainult selle koostiselemendid mis selles sisalduvad, ei ole füüsilised kõvakettad ja see koosneb RAID-0 plaani massiividest. Seega tagab RAID-50 massiiv teile märkimisväärse lugemis-kirjutamise jõudluse ning aitab kaasa RAID-5 vastupidavusele ja töökindlusele.

Järgmiseks massiiv "RAID-60":

Sama põhimõte: tegelikult on see "RAID-6", mis on kokku pandud mitmest "RAID-0" massiivist.
On ka teisi massiivide kombinatsioone, näiteks "RAID 5+1 / RAID 6+1" - tegelikult on need sarnased "RAID-50 / RAID-60" selle erinevusega, et nende massiivi elementide alus ei ole "RAID-0" nagu teisedki, ja massiivipeeglid "RAID-1".

Kombineeritud RAID-massiivide mõistmine:

Tegelikult on sellised massiivid nagu "RAID-10" / "RAID-50" / "RAID-60" ja "RAID X + 1"- need on põhimassiivide otsesed pärijad nagu - "RAID-0" / RAID-1 / RAID-5 ja RAID-6 - neid kasutatakse peamiselt kas lugemis- või kirjutamiskiiruse suurendamiseks või tõrketaluvuse suurendamiseks, kasutades põhifunktsioonide standardfunktsioone , standardtüüpi RAID-massiivid.

Kui vaatleme praktilisest vaatenurgast ja arutleme mis tahes "RAID-massiivide" kasutamise üle elus, siis loogiliselt on kõik üsna lihtne:

1) RAID-0 massiiv puhtal kujul ei kasutata (üldse!);
2) "RAID-1" massiivi kasutatakse peamiselt seal, kus lugemis- või kirjutamiskiirus pole eriti oluline, kuid suuremal määral on vaja veataluvust - näiteks: RAID-1 massiivile on väga hea paigaldada erinevaid opsüsteeme. Sel juhul ei pääse keegi peale OS-i kõvaketastele ligi, kõvaketaste endi kiirus on tööks piisav, tõrketaluvus on tagatud;
3) RAID-5 paigaldame selle kohta, kus on vaja kiirust koos tõrketaluvusega, kuid pole võimalust osta rohkem HDD-kettaid või kui tekib vajadus massiive taastada, kui kahjustused tekivad, tagades samas, et massiivi enda töö ei seiskuks - antud juhul , Abiks on varukettad (varu).
4) RAID-5 massiivi tüüpiline kasutus:
Andmehoidlates või nagu neid nimetatakse ka NAS-serveriteks;
5) "RAID-6" massiiv:
Seda kasutatakse juhul, kui on oht, et mitu massiivi HDD-draivi võivad korraga rikki minna. Praktikas sellist asja praktiliselt pole, kui ainult paranoiate seas;
6) "RAID-10" massiiv:
Neid kasutatakse seal, kus on vaja kiirust, kiireks tööks ja töökindluseks. Samuti on RAID-10 massiivi kasutamise põhisuunaks andmebaasiserverid ja failiserverid.

See on põhimõtteliselt kõik, mida ma tahtsin teada saada, mis on mis ja miks!

Teabe salvestamise usaldusväärsuse suurendamise ja samaaegse salvestussüsteemi jõudluse suurendamise probleem on arvutite välisseadmete arendajate meeli hõivanud pikka aega. Säilitamise usaldusväärsuse suurendamise osas on kõik selge: teave on kaup ja sageli väga väärtuslik. Andmete kadumise eest kaitsmiseks on leiutatud palju meetodeid, millest kuulsaim ja usaldusväärsem on teabe varundamine.

Ketta alamsüsteemi jõudluse suurendamise küsimus on väga keeruline. Kaasaegsete protsessorite arvutusvõimsuse kasv on viinud tõsiasjani, et kõvaketaste võimekuse ja protsessorite vajaduste vahel on selge tasakaalustamatus. Samal ajal ei päästa teid ka kallid SCSI-kettad, rääkimata IDE-ketastest. Kui aga ühe ketta võimalustest ei piisa, siis ehk lahendab mitme ketta olemasolu selle probleemi osaliselt? Muidugi ei muuda kahe või enama kõvaketta olemasolu arvutis või serveris asju iseenesest - peate panema need kettad üksteisega koos (paralleelselt) töötama, et see võimaldaks teil suurendada kõvaketta jõudlust. ketta alamsüsteem kirjutamis-/lugemisoperatsioonidel. Lisaks, kas mitme kõvaketta kasutamisega on võimalik saavutada mitte ainult jõudluse, vaid ka andmesalvestuse töökindluse suurenemine, nii et ühe draivi rike ei põhjustaks teabe kadu? Just selle lähenemisviisi pakkusid 1987. aastal välja Ameerika teadlased Patterson, Gibson ja Katz California ülikoolist Berkeleys. Oma artiklis "A Case for Redundant Arrays of Odavate plaatide, RAID" kirjeldasid nad, kuidas saate ühendada mitu odavat kõvaketast üheks loogiliseks seadmeks nii, et tulemuseks on süsteemi võimsuse ja kiiruse suurenemine ning üksikute ketaste rike. ei toonud kaasa kogu süsteemi riket.

Artikli avaldamisest on möödas 15 aastat, kuid RAID-massiivide ehitamise tehnoloogia pole tänapäeval oma aktuaalsust kaotanud. Ainus, mis on sellest ajast muutunud, on akronüümi RAID dekodeerimine. Fakt on see, et algselt ei ehitatud RAID-massiivid üldse odavatele ketastele, nii et sõna Odav (odav) muudeti sõnaks Independent (sõltumatu), mis oli õigem.

Veelgi enam, just nüüd on RAID-tehnoloogia laialt levinud. Seega, kui veel mõni aasta tagasi kasutati RAID-massiivid kallites SCSI-kettaid kasutavates ettevõtte mastaabis serverites, siis tänaseks on neist saanud omamoodi de facto standard isegi algtaseme serverite jaoks. Lisaks laieneb järk-järgult ka IDE RAID-kontrollerite turg, see tähendab, et RAID-massiivide ehitamine tööjaamades, kasutades odavaid IDE-draive, muutub aktuaalseks. Näiteks on mõned emaplaaditootjad (Abit, Gigabyte) juba hakanud IDE RAID-kontrollereid emaplaatidele ise integreerima.

Seega on RAID sõltumatute ketaste üleliigne massiiv (Redundant Arrays of Independent Discs), millele on usaldatud tõrketaluvuse ja jõudluse parandamise ülesanne. Rikketaluvus saavutatakse koondamise kaudu. See tähendab, et osa kettaruumi mahust eraldatakse teeninduse eesmärgil, muutudes kasutajale kättesaamatuks.

Ketta alamsüsteemi jõudluse tõusu tagab mitme ketta samaaegne töötamine ja selles mõttes, mida rohkem kettaid massiivis (teatud piirini), seda parem.

Massiivis olevaid draive saab jagada kas paralleel- või sõltumatu juurdepääsu abil.

Paralleelse juurdepääsu korral jagatakse kettaruum andmete salvestamiseks plokkideks (triipudeks). Samamoodi jagatakse kettale kirjutatav teave samadesse plokkidesse. Kirjutamisel kirjutatakse üksikud plokid erinevatele ketastele (joonis 1) ja mitu plokki kirjutatakse korraga erinevatele ketastele, mis toob kaasa kirjutamisoperatsioonide jõudluse suurenemise. Samuti loetakse vajalikku teavet eraldi plokkidena korraga mitmelt kettalt (joonis 2), mis aitab samuti kaasa jõudluse kasvule võrdeliselt massiivi ketaste arvuga.

Tuleb märkida, et paralleeljuurdepääsu mudelit rakendatakse ainult tingimusel, et andmete kirjutamise päringu suurus on suurem kui ploki enda suurus. Vastasel juhul on lihtsalt võimatu rakendada mitme ploki paralleelset salvestamist. Kujutage ette olukorda, kus ühe ploki suurus on 8 KB ja andmete kirjutamise päringu suurus on 64 KB. Sel juhul lõigatakse lähteteave kaheksaks 8 KB suuruseks plokiks. Kui on neljast kettast koosnev massiiv, siis saab korraga kirjutada neli plokki ehk 32 KB. Ilmselt on vaadeldavas näites kirjutamis- ja lugemiskiirus neli korda suurem kui ühe ketta kasutamisel. See olukord on aga ideaalne, kuna päringu suurus ei ole alati ploki suuruse ja massiivi ketaste arvu kordne.

Kui kirjutatavate andmete suurus on väiksem kui ploki suurus, siis rakendatakse põhimõtteliselt teistsugust juurdepääsumudelit - sõltumatut juurdepääsu. Lisaks saab seda mudelit rakendada ka siis, kui kirjutatavate andmete suurus on suurem kui ühe ploki suurus. Sõltumatu juurdepääsu korral kirjutatakse kõik konkreetse päringu andmed eraldi kettale, see tähendab, et olukord on identne ühe kettaga töötamisega. Paralleeljuurdepääsu mudeli eeliseks on see, et kui korraga saabub mitu kirjutamis- (lugemis)päringut, täidetakse need kõik iseseisvalt, eraldi ketastel (joonis 3). Selline olukord on tüüpiline näiteks serverites.

Vastavalt erinevatele juurdepääsutüüpidele on olemas ka erinevat tüüpi RAID-massiivid, mida tavaliselt iseloomustavad RAID-tasemed. Lisaks juurdepääsu tüübile erinevad RAID-i tasemed selle poolest, kuidas üleliigset teavet paigutatakse ja moodustatakse. Üleliigset teavet saab paigutada spetsiaalsele kettale või segada kõigi ketaste vahel. Selle teabe genereerimiseks on mitu võimalust. Lihtsaim neist on täielik dubleerimine (100-protsendiline liiasus) või peegeldamine. Lisaks kasutatakse veaparanduskoode ja paarsusarvutust.

RAID tasemed

Praegu on olemas mitu standardiseeritud RAID-i taset: RAID 0-st RAID 5-ni. Lisaks kasutatakse nende tasemete kombinatsioone, aga ka patenteeritud tasemeid (näiteks RAID 6, RAID 7). Kõige tavalisemad on tasemed 0, 1, 3 ja 5.

RAID 0

RAID-i tase 0 rangelt võttes ei ole üleliigne massiiv ega taga seega andmete salvestamise usaldusväärsust. Sellest hoolimata kasutatakse seda taset laialdaselt juhtudel, kui on vaja tagada ketta alamsüsteemi kõrge jõudlus. See tase on eriti populaarne tööjaamades. 0-taseme RAID-massiivi loomisel jagatakse teave plokkideks, mis kirjutatakse eraldi ketastele (joonis 4), st luuakse paralleeljuurdepääsuga süsteem (kui ploki suurus seda muidugi võimaldab). RAID 0 võimaldab mitme draivi samaaegset sisendit/väljundit kasutada kiireimal andmeedastuskiirusel ja kettaruumi kõige tõhusamal kasutamisel, kuna kontrollsummade salvestamiseks pole vaja ruumi. Selle taseme rakendamine on väga lihtne. RAID 0 kasutatakse peamiselt piirkondades, kus on vaja suurte andmemahtude kiiret edastamist.

RAID 1 (peegeldatud ketas)

RAID 1. tase on 100 protsenti üleliigne kettamassiv. See tähendab, et andmed on lihtsalt täielikult dubleeritud (peegeldatud), tänu millele saavutatakse väga kõrge usaldusväärsus (ja ka maksumus). Pange tähele, et 1. kihi rakendamine ei nõua ketaste ja andmete eelnevat plokkideks jaotamist. Kõige lihtsamal juhul sisaldavad kaks ketast sama infot ja on üks loogiline ketas (joon. 5). Kui üks ketas ebaõnnestub, täidab oma funktsioone teine ​​(mis on kasutajale täiesti läbipaistev). Lisaks kahekordistab see tase teabe lugemise kiirust, kuna seda toimingut saab teha üheaegselt kahelt kettalt. Seda teabe salvestamise skeemi kasutatakse peamiselt juhtudel, kui andmeturbe maksumus on palju suurem kui salvestussüsteemi juurutamise kulu.

RAID 2

RAID 2. tase on andmete koondamise skeem, mis kasutab vigade parandamiseks Hammingi koodi (vt allpool). Kirjutatavad andmed ei moodustata plokistruktuuri alusel, nagu RAID 0-s, vaid sõnade alusel ning sõna suurus võrdub massiivi andmete kirjutamiseks vajalike ketaste arvuga. Kui massiivis on näiteks neli ketast andmete kirjutamiseks, siis sõna suurus on neli ketast. Sõna iga bitt kirjutatakse eraldi massiivikettale. Näiteks kui massiivil on andmete kirjutamiseks neli ketast, siis kirjutatakse ketaste massiivi neljast bitist koosnev jada, st sõna nii, et esimene bitt on esimesel kettal, teine ​​bitt teisel jne.

Lisaks arvutatakse iga sõna jaoks veaparanduskood (ECC), mis kirjutatakse spetsiaalsetele ketastele juhtinformatsiooni salvestamiseks (joonis 6). Nende arv on võrdne juhtsõna bittide arvuga ja iga juhtsõna bitt kirjutatakse eraldi kettale. Juhtsõnas olevate bittide arv ja vastavalt ka juhtinformatsiooni salvestamiseks vajalik ketaste arv arvutatakse järgmise valemi alusel: kus K on andmesõna sõna laius.

Loomulikult ümardatakse L, kui arvutatakse näidatud valemi järgi, lähima täisarvuni. Et aga valemitega mitte jamada, võib kasutada teist mnemoreeglit: juhtsõna bitilaiuse määrab sõna suuruse binaarseks esitamiseks vajalik bittide arv. Kui näiteks sõna suurus on neli (binaarses tähistuses 100), siis on selle arvu kahendvormingus kirjutamiseks vaja kolme bitti, mis tähendab, et kontrollsõna suurus on kolm. Seega, kui andmete salvestamiseks on neli ketast, on kontrollandmete salvestamiseks vaja veel kolme ketast. Samamoodi, kui andmete jaoks on seitse ketast (binaarses tähises 111), on juhtsõnade salvestamiseks vaja kolme ketast. Kui andmete jaoks on eraldatud kaheksa ketast (binaarses tähises 1000), siis juhtimisinfo jaoks on vaja nelja ketast.

Juhtsõna genereeriv Hammingi kood põhineb bitipõhisel XOR-operatsioonil (tuntud ka kui disparity). Tuletame meelde, et loogikatehe XOR annab ühe, kui operandid ei ühti (0 ja 1) ja nulli, kui need kattuvad (0 ja 0 või 1 ja 1).

Hammingi algoritmi abil saadud juhtsõna ise on bitipõhise XOR-operatsiooni tulemuse ümberpööramine sõna nende teabebittide arvudele, mille väärtused on võrdsed 1-ga. Näitlikustamiseks võtke arvesse algset sõna 1101. Esimeses (001), kolmandas (011) ja neljandas (100) Selle sõna numbrid on üks. Seetõttu on nende bitinumbrite jaoks vaja sooritada bitipõhine XOR-operatsioon:

Juhtsõna ise (Hammingi kood) saadakse tulemuse bitipõhise inversiooni teel, see tähendab, et see on võrdne 001-ga.

Andmete lugemisel arvutatakse Hammingi kood uuesti ja võrreldakse algkoodiga. Bitipõhist XOR-operatsiooni kasutatakse kahe koodi võrdlemiseks. Kui võrdlustulemus kõigis numbrites on võrdne nulliga, on näit õige, vastasel juhul on selle väärtus põhikoodi ekslikult saadud numbri number. Olgu näiteks algsõnaks 1100000. Kuna ühikud on kuuendal (110) ja seitsmendal (111) positsioonil, siis on kontrollsõnaks:

Kui lugemise ajal fikseeritakse sõna 1100100, siis on selle juhtsõnaks 101. Võrreldes algset juhtsõna vastuvõetud (bitipõhine XOR-operatsioon), saame:

ehk siis viga kolmandal positsioonil lugemisel.

Seega, teades, milline bitt on vigane, on seda lihtne käigu pealt parandada.

RAID 2 on üks väheseid tasemeid, mis võimaldab mitte ainult üksikuid vigu käigu pealt parandada, vaid tuvastada ka topeltvigu. Samas on see paranduskoodidega kõigist tasemetest kõige üleliigsem. Seda salvestusskeemi kasutatakse harva, kuna see ei käsitle suuri päringuid, seda on keeruline korraldada ja sellel on RAID 3 ees vähe eeliseid.

RAID 3

RAID 3. tase on tõrketaluv paralleelne I/O massiiv, millel on üks lisadraiv, mis kirjutab paarsusteavet (joonis 7). Kirjutamisel jagatakse andmevoog baitide tasemel plokkideks (kuigi see on võimalik ka bititasandil) ja kirjutatakse samaaegselt kõigile massiivi ketastele, välja arvatud salvestamiseks eraldatud juhtteave. Kontrolliteabe (mida nimetatakse ka kontrollsummaks) arvutamiseks kasutatakse kirjutatavatel andmeplokkidel XOR-operatsiooni. Kui mõni ketas ebaõnnestub, saab sellel olevad andmed taastada kontrollandmetest ja tervetele ketastele jäänud andmetest.

Vaatleme näitena neljabitiseid plokke. Oletame, et andmete salvestamiseks on neli ketast ja kontrollsummade kirjutamiseks üks ketas. Kui on olemas bittide jada 1101 0011 1100 1011, mis on jagatud neljast bitist koosnevateks plokkideks, siis kontrollsumma arvutamiseks peate tegema toimingu:

Seega on kettale 5 kirjutatud kontrollsumma 1001.

Kui üks ketastest, näiteks kolmas, ebaõnnestub, on plokk 1100 loetamatu. Selle väärtust saab aga kontrollsummast ja ülejäänud plokkide väärtustest hõlpsasti taastada, kasutades sama XOR-toimingut:

Plokk 3 = Plokk 1 Plokk 2 Plokk 4

Kontrolli summa.

Meie näites saame:

Plokk 3 = 1101001110111001 = 1100.

RAID 3. tasemel on palju vähem liiasust kui RAID 2-l. Tänu andmete plokkideks jagamisele on RAID 3 suure jõudlusega. Teabe lugemisel ei pääseta kettale juurde kontrollsummadega (tõrke puudumisel), mis juhtub iga kord, kui tehakse kirjutamisoperatsioon. Kuna iga I/O toiminguga pääseb ligi peaaegu igale massiivi kettale, ei ole võimalik mitut päringut korraga töödelda. See tase sobib suurte failide ja madala juurdepääsusagedusega rakendustele. Lisaks on RAID 3 eeliste hulgas kerge jõudluse langus rikke korral ja teabe kiire taastamine.

RAID 4

RAID 4. tase on tõrketaluv sõltumatute ketaste massiiv, millel on üks kontrollsumma ketas (joonis 8). RAID 4 sarnaneb paljuski RAID 3-ga, kuid erineb viimasest eelkõige kirjutatavate andmete oluliselt suurema plokimahu poolest (suurem kui kirjutatavate andmete suurus). See on peamine erinevus RAID 3 ja RAID 4 vahel. Pärast plokkide rühma kirjutamist arvutatakse kontrollsumma (nagu RAID 3 puhul), mis kirjutatakse spetsiaalsele kettale. RAID 3-st suurema ploki suuruse tõttu saab korraga läbi viia mitu lugemist (sõltumatu juurdepääsuskeem).

RAID 4 parandab väikeste failide edastamise jõudlust (paralleelistades lugemistoimingu). Kuid kuna kirjutamine peab arvutama eraldatud ketta kontrollsumma, on toimingute samaaegne täitmine siin võimatu (sisend- ja väljundtoimingute asümmeetria). Vaadeldav kiht ei anna kiiruseeelist suurte andmemahtude edastamisel. See salvestusskeem on mõeldud rakenduste jaoks, kus andmed on algselt jagatud väikesteks plokkideks, seega pole vaja neid täiendavalt tükeldada. RAID 4 on hea lahendus enamasti loetavatele ja harva kirjutatavatele failiserveritele. Sellel salvestusskeemil on madal hind, kuid selle rakendamine on üsna keeruline, nagu ka andmete taastamine ebaõnnestumise korral.

RAID 5

RAID 5. tase on tõrketaluv sõltumatute ketaste massiiv, millel on hajutatud kontrollsumma salvestus (joonis 9). Andmeplokid ja kontrollsummad, mida arvutatakse täpselt samamoodi nagu RAID 3-s, kirjutatakse tsükliliselt kõikidele massiivi ketastele, see tähendab, et kontrollsumma teabe salvestamiseks pole spetsiaalset ketast.

RAID 5 puhul on kõik massiivi kettad ühesuurused, kuid kirjutamiseks saadaoleva ketta alamsüsteemi kogumaht väheneb täpselt ühe ketta võrra. Näiteks kui viis ketast on 10 GB, on massiivi tegelik suurus 40 GB, kuna paarsusteabe jaoks on eraldatud 10 GB.

RAID 5-l, nagu ka RAID 4-l, on sõltumatu juurdepääsuarhitektuur, st erinevalt RAID 3-st on sellel teabe salvestamiseks suured loogilised plokid. Seetõttu, nagu RAID 4 puhul, pakub selline massiiv peamise eelise mitme päringu samaaegsel töötlemisel.

Peamine erinevus RAID 5 ja RAID 4 vahel seisneb kontrollsummade paigutamises.

Eraldi (füüsilise) ketta olemasolu, mis salvestab teavet kontrollsummade kohta, viib siin, nagu ka kolmel eelmisel tasemel, asjaolu, et lugemistoimingud, mis ei vaja sellele kettale juurdepääsu, tehakse suure kiirusega. Kuid iga kirjutamisoperatsioon muudab juhtkettal olevat teavet, mistõttu RAID 2, RAID 3 ja RAID 4 ei võimalda paralleelkirjutamist. RAID 5 ületab selle puuduse, kuna kontrollsummad kirjutatakse kõigile massiivi ketastele, mis võimaldab korraga mitut lugemist või kirjutamist.

Praktiline rakendamine

RAID-massiivide praktiliseks rakendamiseks on vaja kahte komponenti: tegelik kõvaketaste massiiv ja RAID-kontroller. Kontroller täidab serveriga (tööjaamaga) suhtlemise, kirjutamisel üleliigse teabe genereerimise ja lugemisel kontrollimise, teabe ketaste vahel jaotamise funktsioone vastavalt tööalgoritmile.

Struktuurselt on kontrollerid nii välised kui ka sisemised. Samuti on emaplaadile integreeritud RAID-kontrollerid. Lisaks erinevad kontrollerid toetatud kettaliidese poolest. Seega on SCSI RAID-kontrollerid mõeldud kasutamiseks serverites, samas kui IDE RAID-kontrollerid sobivad nii algtaseme serveritesse kui ka tööjaamadesse.

RAID-kontrollerite eripäraks on kõvaketaste ühendamiseks toetatud kanalite arv. Kuigi sama kontrolleri kanaliga saab ühendada mitu SCSI-draivi, piirab RAID-massiivi kogu ribalaiust ühe kanali ribalaius, mis vastab SCSI-liidese ribalaiusele. Seega võib mitme kanali kasutamine oluliselt parandada ketta alamsüsteemi jõudlust.

IDE RAID-kontrollerite kasutamisel muutub mitme kanaliga probleem veelgi teravamaks, kuna kaks sama kanaliga ühendatud kõvaketast (rohkem draive liides ise ei toeta) ei saa paralleelset tööd pakkuda - IDE-liides võimaldab juurdepääsu ainult ühele sõita korraga. Seetõttu peavad IDE RAID-kontrollerid olema vähemalt kahe kanaliga. Samuti on olemas nelja- ja isegi kaheksa kanaliga kontrollerid.

Teine erinevus IDE RAID ja SCSI RAID kontrollerite vahel on nende toetatavate tasemete arv. SCSI RAID-kontrollerid toetavad kõiki peamisi tasemeid ja tavaliselt veel mitut kombineeritud ja patenteeritud taset. IDE RAID-kontrollerite toetatud tasemete komplekt on palju tagasihoidlikum. Tavaliselt on need null ja esimene tase. Lisaks on kontrollerid, mis toetavad viiendat taset ning esimese ja nulli kombinatsiooni: 0 + 1. Selline lähenemine on üsna loomulik, kuna IDE RAID-kontrollerid on mõeldud eelkõige tööjaamade jaoks, seega keskendutakse põhitähelepanu andmeohutuse (tase 1) või jõudluse parandamisele paralleelse I/O abil (tase 0). Sel juhul pole sõltumatute ketaste skeemi vaja, kuna kirjutamis- / lugemispäringute voog tööjaamades on palju väiksem kui näiteks serverites.

RAID-massiivi põhiülesanne ei ole mitte ketta alamsüsteemi mahu suurendamine (nagu selle disainist näha saab sama mahutavuse vähema raha eest), vaid andmesalvestuse töökindluse tagamine ja jõudluse suurendamine. Lisaks on serverite jaoks nõue katkematuks tööks isegi ühe draivi rikke korral. Töö järjepidevuse tagab kuumvahetus, st ebaõnnestunud SCSI-draivi eemaldamine ja uue installimine ilma toite välja lülitamata. Kuna ketta alamsüsteem jätkab toimimist (välja arvatud tasemel 0) ühe ebaõnnestunud draivi korral, tagab kiirvahetus kasutajatele läbipaistva taastamise. Kuid edastuskiirus ja juurdepääsukiirus ühe tühikäigukettaga vähenevad märgatavalt, kuna kontroller peab taastama andmed üleliigsest teabest. Tõsi, sellel reeglil on erand - 2, 3, 4 taseme RAID-süsteemid hakkavad kiiremini tööle, kui üleliigse teabega draiv ebaõnnestub! See on loomulik, kuna sel juhul muutub tase "lennult" nulliks, millel on suurepärased kiirusomadused.

Siiani on see artikkel käsitlenud riistvaralahendusi. Kuid on ka tarkvara, mida pakub näiteks Microsoft Windows 2000 Serverile. Kuid sel juhul neutraliseerib osa esialgsest säästust täielikult keskprotsessori lisakoormus, mis lisaks põhitööle on sunnitud andmeid ketaste vahel jaotama ja kontrollsummasid arvutama. Sellist lahendust saab pidada vastuvõetavaks ainult arvutusvõimsuse olulise üleliigsuse ja serveri madala koormuse korral.

Sergei Pakhomov