Рівні RAID: класифікація, опис і характеристика

RAID - це спосіб об'єднання декількох незалежних і відносно невеликих дисків в єдину пам'ять великого розміру. Диски, включені в масив, є членами масиву. Диски можуть бути об'єднані в масив різними способами, які називаються рівнями RAID. Такий спосіб використовується для підвищення надійності або збільшення швидкості обміну даними. Абревіатура RAID вперше з'явилася в 1988 році в університеті Берклі, у статті, написаній Паттерсоном, Гібсоном і Кацем. Ряд статей, написаних цими трьома авторами і іншими, визначив і класифікував кілька моделей захисту даних та підвищення продуктивності для дискових масивів.

RAID 0

Технологія RAID 0 застосовується для збільшення продуктивності дискової системи. При її використанні дані рівномірно невеликими шматочками записуються на кожен жорсткий диск, який бере участь у створенні масиву. При цьому швидкість доступу до даних збільшується пропорційно кількості носіїв інформації, які беруть участь у створенні масиву, за рахунок поширення навантаження вводу-виводу на кілька каналів. При цьому ємність системи дорівнює сумі ємностей дисків. Також подібна технологія відрізняється простотою реалізації та проектування.


Недоліком такого способу організації є низька надійність зберігання даних, при поломці одного диска вся інформація буде втрачена. Тому RAID 0 не рекомендується використовувати в системах, призначених для зберігання важливої інформації. Ця технологія може бути використана на комп'ютерах, призначених для редагування фотографій і відеофайлів, для підготовки матеріалів на друк та інших, виконують завдання, що вимагають високої пропускної здатності дискової системи.

RAID 1

Масив RAID 1 ще називають дзеркальним з-за того, що дані зберігаються одночасно на двох або більше дисках. Він завоював популярність завдяки своїй простоті і високому рівню надійності. Така організація зберігання даних забезпечує збільшення продуктивності і підвищення надійності. Однак при такому способі однакова інформація зберігається на двох дисках, що підвищує вартість зберігання.


RAID 1 рекомендується використовувати на ПК, що використовуються для розрахунку заробітної плати, бухгалтерського обліку, роботи з фінансовими програмами та інших завдань, що вимагають високої надійності.

RAID 2

Організація зберігання даних в масиві RAID 2 заснована на використання коду Хеммінга. У такому випадку використовуються окремі диски для зберігання даних і для корекції помилок. Розрахувати, скільки дисків потрібен для організації масиву, можна за такими формулами: якщо k — число вінчестерів, які використовуються для корекції помилок, то дані буде зберігатись на 2k—k—1 дисків. Всього буде потрібно 2k—1 вінчестерів. Таким способом можна порахувати, що для того, щоб інформацію було вигідніше зберігати на RAID 2 порівняно з масивом RAID 1 потрібно не менше семи вінчестерів (4 з інформацією та 3 для корекції помилок). Незважаючи на те що ця схема організації зберігання даних забезпечує високу надійність і продуктивність, вона практично не застосовується із-за того, що вимагає великої кількості пристроїв зберігання інформації.

RAID 3

При такому способі зберігання один вінчестер потрібен для блоків парності, а на інших знаходяться дані, розбиті на блоки. При такій організації дискового масиву в разі поломки з ладу одного вінчестера інформацію можна відновити по допоміжним даними, сберегающимся на інших вінчестерах. Технологія RAID 3 гарантує високу швидкість передачі і відносну дешевизну. Перевагою такого способу зберігання даних можна назвати високу продуктивність при читанні і запису, відмовостійкість і невисоку вартість. Однак з-за частого доступу створюється висока навантаження на диск, зберігає блоки парності, тому його надійність нижче, ніж у дисків зберігають дані. Також до недоліків можна віднести велику споживання обчислювальних ресурсів при програмної організації масиву, і складність контролера при апаратній. RAID 3 застосовують для редагування зображення, потокового мовлення, редагування відео і інших додатків, що вимагають високої пропускної здатності.

RAID 4

В масивах RAID 4 інформація розбивається не на байти, а на блоки, завдяки чому швидкість роботи з невеликими файлами досить висока. Надійність зберігання даних забезпечується, як і для RAID 3 за рахунок диску, зберігає біти парності. Для організації RAID 4 масивів потрібно мінімум три жорстких диска. До переваг даного методу відноситься хороша швидкість читання і передачі інформації, невисока вартість із-за того, що потрібно всього один диск для бітів парності.
До недоліків цього способу зберігання даних відноситься складність контролера і часті відмови жорсткого диска, що зберігає блоки парності.

RAID 5

При використанні технології RAID 5 дані контрольні суми зберігаються на всіх дисках, що входять в масив. Завдяки цьому при такій організації пам'яті стає можливим проводити паралельні операції як для читання, так і для запису інформації. В якості контрольних бітів використовується результат виконання операції «виключає АБО». Найменшу кількість вінчестерів необхідних для організації масиву, як і в RAID 3 і в RAID 4 3. Порахувати максимальний обсяг збережених в масиві даних можна за формулою: (k — 1) * sizeHDD, де k — кількість вінчестерів, а sizeHDD - ємність одного HDD (якщо в масиві беруть участь різні вінчестери, то береться найменший). Технологія зберігання RAID 5 відрізняється дуже високою продуктивністю, доброю надійністю і низькою вартістю. При поломці одного з вінчестерів, що входять в масив RAID 5 рівня, надійність зберігання інформації різко падає. Для відновлення даних потрібно велике число циклів читання і записи, що іноді може призвести до поломки інших дисків, що входять в масив. Також в процесі відновлення можуть з'явитися раніше невідомі помилки (трапляються в інформації, до якої рідко звертаються), що робить неможливим відновлення. Ще один недолік - це складна конструкція контролера.

RAID 5 - це самий універсальний спосіб зберігання даних. Використовується така організація даних в інтернет (www, e-mail), та інших файлових серверах.

RAID 6

RAID 6 — це розширення рівня RAID 5 яке забезпечує додаткову відмовостійкість. Для її організації потрібно як мінімум п'ять дисків, три для даних і два для інформації, потрібної для відновлення. Як і в RAID 5 дані і контрольні біти зберігаються поперемінно на всіх дисках. При використанні такої технології дані залишаться цілими навіть при поломці будь-яких двох дисків. Однак з-за високих навантажень на контролер продуктивність такої системи буде нижчою приблизно на 10-15 %. RAID 6 — ідеальне рішення для критично важливих додатків.

RAID 7

RAID 7 не можна назвати самостійним рівнем RAID, права на нього належать маркою фірми Storage Computer Corporation. При цьому способі один жорсткий диск потрібен для відновлення інформації (бітів парності), а на інших записана інформація. При запису інформації на диск використовується технологія кешування, для чого використовується ОЗП комп'ютера. Для надійної роботи масиву RAID 7 потрібен джерело безперебійного живлення, тому що при виникненні проблем з подачею електроенергії дані можуть бути зіпсовані. До архітектурним особливостям RAID 7 відноситься: вбудований керований оперативної системою канал зв'язку, внутрішня високошвидкісна шина передачі даних кеша (X-bus), генерація бітів парності, інтегрована в кеш. Завдяки цьому загальна швидкість запису на 25-90 % вище, ніж у одного вінчестера, і в 15-6 разів, ніж в інших рівнів RAID. При збільшенні числа жорстких дисків, які беруть участь у масиві, збільшується продуктивність запису і зменшується час доступу до даних.
Однак слід враховувати, що RAID 7 - це фірмове рішення одного постачальника. Також для запобігання втрати даних необхідно підключати комп'ютер через ДБЖ (джерело безперебійного живлення).

RAID 0+1 (RAID 01)

Технологія RAID 0+1 є комбінацією масивів RAID 0 і RAID 1. Для його реалізації потрібно не менше чотирьох вінчестерів, на двох буде зберігатись інформація, а на двох інших їх дзеркальна копія. При цьому забезпечується непогана швидкість доступу до даних, порівнянна з RAID 0 і відмовостійкість, як при використанні технології RAID 1. Однак загальна ємність вінчестерів повинна бути в два рази більше обсягу збережених даних. Комп'ютери з такою організацією зберігання даних зазвичай використовуються в файлових серверах і для обробки зображення.

RAID 1+0 (RAID 10)

Масив, зроблений за технологією RAID 1+0 організований як дзеркальний. Інформація в ньому розбита на невеликі шматочки і розташовується на кількох жорстких дисках. Така схема організації даних, по суті, є технологією RAID 0 сегменти якого являють собою масиви RAID 1. Для організації масиву RAID рівня 10 потрібно як мінімум чотири жорстких диска. Масив RAID 1+0 відрізняється високою швидкістю роботи і дуже хорошою надійністю зберігання даних. При певних обставинах масив RAID 1+0 може підтримувати працездатність, навіть якщо кілька жорстких дисків одночасних вийдуть з ладу. Недоліком такого способу зберігання даних є висока вартість і низька масштабованість. Масив RAID 1+0 найчастіше використовують в серверах баз даних, для яких важлива висока продуктивність і відмовостійкість.

RAID 1E

RAID 1E - це покращений масив RAID 1. Він побудований як дзеркальний масив, але здатний працювати з непарною кількістю жорстких дисків. Є два способи організації масиву RAID 1E: Near (його ще називають striped). При такому способі зберігання даних спочатку порція даних записується на жорсткі диски 1 і 2. Ще одна порція - на 3 і 4 вінчестери. У випадку, якщо фізичні жорсткі диски закінчилися, наприклад, в системі їх лише три, то запис починається з першого. Тобто у випадку трьох вінчестерів перша порція даних на диски записується 1 і 2 друга-на 3 та 1 і так далі. При використанні способу interleaved запис інформації відбувається за секторами. При цьому в перший сектор записується інформація, а по другий її повна копія. У момент переходу від одного сектора до наступного номер пристрою зберігання даних збільшується на одиницю, тобто відбувається перехід до наступного пристрою зберігання. Дані зберігаються в такому порядку: на першому диску в першому секторі записана перша порція даних, а на другому диску у другому секторі їх повна копія. Наступна порція даних записується на перший сектор другого диска і другий сектор третього вінчестера. Для організації масиву RAID 1E потрібно як мінімум три пристрої зберігання даних. Перевагами такого способу є висока продуктивність, невеликий час доступу і можливість використання дзеркального зберігання інформації на непарній кількості пристроїв. До недоліків можна віднести високі витрати на зберігання даних (як і в RAID 1 для зберігання даних використовується тільки половина сумарної ємності всіх жорстких дисків), допускається відмова одного з пристроїв зберігання інформації, тому при використанні парного кількості вінчестерів рекомендується використовувати RAID 10.

Реалізація

RAID можна створити двома різними способами: З використанням драйверів операційної системи, такий спосіб називається програмний RAID. З використанням спеціального обладнання, такий спосіб називається апаратний RAID.

Програмна реалізація

Програмна підтримка рівнів RAID є одним із самих недорогих способів створення RAID масиву. В даний час практично будь-яка операційна система має вбудовану можливість створення RAID, хоча і не для всіх рівнів RAID. Домашні релізи Windows дозволяють створювати тільки RAID 0 тоді як в RAID 1 і RAID 5 можуть бути створені лише з використанням серврных випусків Windows. Масив RAID, створений за допомогою Windows, нерозривно пов'язаний з операційною системою, тому його розділи не можуть використовуватися для організації подвійний завантаження. Операційні системи на базі linux з ядром 2528 і більш пізні підтримують масиви RAID 0 RAID 1 RAID 4 RAID 5 RAID 6 RAID 10. Завантаження підтримується при будь-якому способі організації зберігання інформації. Операційна система FreeBSD, починаючи з версії 7.2 дозволяє організувати RAID масив початкового рівня 015 6. При програмної організації RAID використовується процесор комп'ютера, що знижує продуктивність всієї системи. У разі масивів RAID 0 і 1 завантаження процесора незначна, але для RAID на основі парності (наприклад, RAID 2 RAID 3 RAID 4 RAID 5 RAID6) завантаження процесора може варіюватися від 1 до 5 відсотків в залежності від потужності ЦП і кількості вінчестерів. Окрім цього існують певні обмеження на використання програмного RAID масиву для організації завантаження системи. Тільки RAID 1 може містити завантажувальний розділ. Завантаження системи неможлива при використанні програмного RAID 5 і RAID 0.

Апаратна реалізація

Апаратний RAID створюється з використанням спеціального обладнання. Такий спосіб зберігання даних володіє цілим рядом переваг в порівнянні з апаратною реалізацією: не використовує процесор комп'ютера; дозволяє користувачеві створювати завантажувальні розділи при будь-якому рівні RAID; підтримує «гарячу» заміну.

Особливості

Кожен з дискових масивів рівнів RAID має свої індивідуальні характеристики: Відмовостійкість, яка є здатністю забезпечити збереження інформації, при виході з ладу одного або декількох вінчестерів. Продуктивність, яка показує збільшення швидкості читання і запису всього масиву порівняно з одним диском. Ємність масиву, показує обсяг даних, які можуть бути записані на RAID. Ємність залежить від рівня RAID і не завжди відповідає сумі об'ємів інформації, що зберігається на вінчестерах, що входять в масив.

Коротка характеристика

Щоб правильно вибрати, який масив потрібен саме вам, нижче наведена коротка характеристика кожного рівня: Масив RAID 0: забезпечує хорошу швидкість роботи з даними, але низьку відмовостійкість. Потрібно мінімум два диска. Масив RAID 1: володіє високою надійністю зберігання інформації при невисокій швидкості роботи. Найменшу кількість вінчестерів два. RAID 2: відрізняється хорошою швидкістю і надійністю збереження інформації, але рідко використовується, так як для її організації потрібно багато вінчестерів. RAID 3: має гарну швидкістю доступу і середню надійність. Вартість зберігання інформації порівняно невисока. RAID 4: має хорошу швидкість роботи, відмовостійкість і невисоку вартість зберігання даних. Недолік — складність апаратного контролера. RAID 5: забезпечує високу швидкість і непогану відмовостійкість. Вважається найбільш універсальним способом організації збереження інформації. RAID 6: гарантує високу відмовостійкість. RAID 7: технічне рішення від американської компанії SCC. Для надійної роботи потрібно використовувати ДБЖ. RAID 01 і RAID 10 є комбінацією RAID 0 і RAID 1. RAID 1Е: є вдосконаленим RAID 1. Це єдиний дзеркальний масив, який здатний працювати з непарною кількістю вінчестерів. В залежності від того, що потрібно (висока продуктивність, надійність або дешевизна), можна вибрати спосіб зберігання даних, який підійде саме вам.