Уровни и типы RAID: преимущества и недостатки

Что такое RAID?

RAID (избыточный массив независимых дисков) — это конструкция, состоящая из нескольких дисков для хранения данных. Они связаны друг с другом для предотвращения потери данных и/или повышения производительности. Наличие нескольких дисков позволяет использовать различные методы, такие, как чередование дисков, зеркалирование дисков и проверку четности.

В этой статье вы узнаете о типах RAID, их плюсах и минусах, а также вариантах их использования.

Уровни и типы RAID

Уровни RAID сгруппированы в следующие категории:

• Стандартные уровни RAID
• Нестандартные уровни RAID
• Вложенные/гибридные уровни RAID

Кроме того, вы можете выбрать способ реализации RAID в вашей системе. Поэтому вы можете выбирать между аппаратным RAID, программным RAID и встроенным RAID.

В следующем списке описаны стандартные уровни RAID (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6), а также популярные нестандартные и гибридные варианты (RAID 10).

RAID 0: Чередование

Для RAID 0, также известного как чередующийся набор или чередующийся том, требуется как минимум два диска. Диски объединяются в один большой том, где данные хранятся равномерно по количеству дисков в массиве.

Этот процесс называется чередованием диска и включает в себя разделение данных на блоки и их одновременную/последовательную запись на несколько дисков. Настройка чередующихся дисков в виде одного раздела повышает производительность, поскольку несколько дисков одновременно выполняют операции чтения и записи. Именно в силу этих особенностей RAID 0 обычно применяется для повышения скорости и эффективности.

Важно отметить, что если массив состоит из дисков разного размера, каждый из них будет ограничен наименьшим размером диска в настройке. Это означает, что массив из двух дисков, где один 320 ГБ, а другой 120 ГБ, фактически имеет емкость 2 x 120 ГБ (или всего 240 ГБ).

Некоторые реализации позволяют использовать оставшиеся 200 ГБ для различных целей. Кроме того, разработчики могут реализовать несколько контроллеров (или даже по одному на диск) для повышения производительности.

RAID 0 — это наиболее доступный тип резервной дисковой конфигурации, который относительно легко настроить. Тем не менее, для этого типа не характерны избыточность, отказоустойчивость или часть в его составе. Следовательно, проблемы на любом из дисков массива могут привести к полной потере данных. Вот почему его следует использовать только для некритических хранилищ, таких, как временные файлы, резервные копии которых хранятся где-то еще.

Преимущества RAID 0

• Экономичный и простой в реализации.
• Повышенная производительность чтения и записи.
• Отсутствие накладных расходов (общее использование мощности).

Недостатки RAID 0

• Не обеспечивает отказоустойчивость или избыточность.

Когда следует использовать Raid 0

RAID 0 используется, когда производительность является приоритетом, а надежность — нет. Если вы хотите максимально использовать свои диски и не боитесь потери данных, выберите RAID 0.

С другой стороны, такая конфигурация не обязательно должна быть ненадежной. Вы можете настроить чередование дисков в своей системе вместе с другим массивом RAID, который обеспечивает защиту данных и избыточность.

RAID 1: зеркалирование

RAID 1 — это массив, состоящий как минимум из двух дисков, на каждом из которых хранятся одни и те же данные для обеспечения избыточности. Наиболее распространенное использование RAID 1 — это создание зеркальной пары, состоящей из двух дисков, в которой содержимое первого диска зеркально отображается на втором. Вот почему такая конфигурация также называется зеркалированием.

В отличие от RAID 0, где основное внимание уделяется скорости и производительности, основной целью RAID 1 является обеспечение избыточности. Он устраняет возможность потери данных и простоя за счет замены отказавшего диска его репликой.

В такой конфигурации объем массива равен размеру самого маленького диска и работает до тех пор, пока работает один диск. Помимо надежности, зеркалирование повышает производительность чтения, поскольку запрос может быть обработан любым из дисков в массиве. С другой стороны, производительность записи остается такой же, как и с одним диском, и равна самому медленному диску в конфигурации.

Преимущества RAID 1

• Повышенная производительность чтения.
• Обеспечивает резервирование и отказоустойчивость.
• Простота настройки и простота использования.

Недостатки RAID 1

• Использует только половину емкости хранилища.
• Более высокая дороговизна (повышенная потребность в драйверах).
• Потребность в выключении компьютера для замены неисправного диска.

Когда следует использовать Raid 1

RAID 1 используется для критически важных хранилищ, требующих минимального риска потери данных. Системы бухгалтерского учета часто выбирают RAID 1, поскольку они имеют дело с критически важными данными и требуют высокой надежности.

Он также подходит для небольших серверов с двумя дисками, а также если вы ищете простую конфигурацию, которую можно легко настроить (даже дома).

Raid 2: Чередование на уровне битов с выделенным контролем четности кода Хэмминга

Сегодня RAID 2 редко используется на практике. Он сочетает в себе чередование на уровне битов с проверкой ошибок и исправлением информации. Для этой реализации RAID требуется две группы дисков — одна для записи данных, а другая для записи кодов исправления ошибок. RAID 2 также требует специального контроллера для синхронного вращения всех дисков.

Вместо блоков данных RAID 2 распределяет данные по битам на нескольких дисках. Кроме того, он использует коррекцию ошибок при гудении (ECC) и сохраняет эту информацию на резервном диске.

Массив вычисляет исправление кода ошибки на лету. При записи данных он записывает их на диск данных и записывает код на резервный диск. С другой стороны, при чтении данных с диска он также считывает данные с резервного диска для проверки данных и внесения исправлений, если это необходимо.

Преимущества RAID

• Надежность работы.
• Возможность исправления сохраненной информации.

Недостатки RAID 2

• Дороговизна компонентов.
• Сложно реализовать.
• Требуются целые диски для ECC.

Когда следует использовать Raid 2

На сегодняшний день RAID 2 не является общепринятой практикой, поскольку большинство его функций теперь доступны на современныхжестких дисках. Из-за своей стоимости и требований к реализации этот уровень RAID так и не стал популярным среди разработчиков.

Raid 3: Чередование на уровне битов с выделенной четностью

Как и RAID 2, RAID 3 редко используется на практике. В этой реализации RAID используется чередование на уровне битов и выделенный диск четности. Из-за этого требуется как минимум три накопителя, из которых два используются для хранения полосок данных, а один — для контроля четности.

Для обеспечения синхронного вращения RAID 3 также нуждается в специальном контроллере. Благодаря своей конфигурации и синхронизированному вращению дисков он обеспечивает более высокую производительность при последовательных операциях, чем при случайных операциях чтения/записи.

Преимущества RAID 3

• Хорошая пропускная способность при передаче больших объемов данных.
• Высокая эффективность при последовательных операциях.
• Устойчивость к сбоям диска.

Недостатки RAID 3

• Не подходит для передачи небольших файлов.
• Комплекс для реализации.
• Сложно настроить как программный RAID.

Когда следует использовать Raid 3

RAID 3 сегодня практически не используется. Его функции полезны для ограниченного числа случаев использования, требующих высоких скоростей передачи для длинных последовательных операций чтения и записи (например, для редактирования и производства видео).

Raid 4: Чередование на уровне блоков с выделенной четностью

Стандарт RAID 4 — еще один непопулярный стандартный уровень RAID. Он состоит из чередования данных на уровне блоков по двум или более независимым дискам и выделенному диску четности.

Для реализации требуется как минимум три диска — два для хранения полос данных и один, предназначенный для хранения четности и обеспечения избыточности. Поскольку каждый диск независим и нет синхронизированного вращения, нет необходимости в контроллере.

Конфигурация RAID 4 подвержена узким местам при хранении битов четности для каждого блока данных на одном диске. Такие системные узкие места оказывают большое влияние на производительность системы.

Преимущества RAID 4

• Операции быстрого чтения.
• Низкие накладные расходы на хранение.
• Одновременные запросы ввода-вывода.

Недостатки RAID 4

• Узкие места, сильно влияющие на общую производительность.
• Медленные операции записи.
• Потеря избыточности в случае выхода из строя.

Когда следует использовать Raid 4

Учитывая конфигурацию, RAID 4 лучше всего работает в случаях, требующих последовательного чтения и записи больших файлов. Тем не менее, как и в случае с RAID 3, в большинстве решений вместо RAID 4 используется RAID 5.

Raid 5: Чередование с четностью

RAID 5 считается самой безопасной и наиболее распространенной реализацией RAID. Он сочетает в себе чередование и контроль четности для обеспечения быстрой и надежной настройки. Такая конфигурация дает пользователю удобство использования хранилища, как в случае с RAID 1, и эффективность производительности, как у RAID 0.

Этот уровень RAID состоит как минимум из трех жестких дисков (максимум 16). Данные разбиваются на полосы данных и распределяются по разным дискам в массиве. Это обеспечивает высокую производительность благодаря быстрым транзакциям чтения данных, которые могут выполняться одновременно разными дисками в массиве.

Биты четности равномерно распределяются по всем дискам после сохранения каждой последовательности данных. Эта функция гарантирует, что у вас все еще будет доступ к данным из битов четности в случае отказа диска. Таким образом, RAID 5 обеспечивает избыточность за счет битов четности вместо зеркалирования.

Преимущества RAID 5

• Высокая производительность и емкость.
• Быстрая и надежная скорость чтения.
• Допуск отказа одного диска.

Недостатки RAID 5

• Более длительное время восстановления.
• Использует половину емкости хранилища (из-за четности).
• В случае выхода из строя более одного диска, данные теряются.
• Более высокая сложность реализации.

Когда следует использовать Raid 5

RAID 5 часто используется для файловых серверов и серверов приложений из-за его высокой эффективности и оптимизированного хранилища. Кроме того, это лучшее экономичное решение, если приоритетом является непрерывный доступ к данным и/или вам требуется установить операционную систему на массив.

Raid 6: Чередование с двойной четностью

RAID 6 — это массив, аналогичный RAID 5, с добавлением функции двойной четности. По этой причине его также называют RAID с двойной четностью.

Для этой конструкции требуется как минимум четыре диска. Настройка похожа на RAID 5, но включает два дополнительных блока контроля четности, распределенных по всему диску. Поэтому он использует чередование на уровне блоков для распределения данных по массиву и сохраняет два блока четности для каждого блока данных.

Чередование на уровне блоков с двумя блоками четности допускает два сбоя диска, прежде чем будут потеряны какие-либо данные. Это означает, что в случае выхода из строя двух дисков RAID все еще может восстановить необходимые данные.

Его производительность зависит от того, как реализован массив, а также от общего количества дисков. Операции записи выполняются медленнее по сравнению с другими конфигурациями из-за функции двойной четности.

Преимущества RAID 6

• Высокая отказоустойчивость и отказоустойчивость привода.
• Эффективность хранения (при использовании более четырех дисков).
• Операции быстрого чтения.

Недостатки RAID 6

• Время восстановления может занять до 24 часов.
• Низкая скорость записи.
• Высокая сложность реализации.
• Более высокая дороговизна привода.

Когда следует использовать Raid 6

RAID 6 — это хорошее решение для критически важных приложений, где недопустима потеря данных. Поэтому его часто используют для управления данными в оборонном секторе, здравоохранении и банковском деле.

Raid 10: Зеркалирование с чередованием

RAID 10 является частью группы, называемой вложенной или гибридной RAID, что означает, что она представляет собой комбинацию двух разных уровней RAID. В случае RAID 10 массив сочетает зеркалирование уровня 1 и чередование уровня 0. Этот массив RAID также известен как RAID 1+0.

RAID 10 использует логическое зеркалирование для записи одних и тех же данных на два или более дисков для обеспечения избыточности. Если один диск выходит из строя, на другом диске сохраняется зеркальное отображение данных. Кроме того, массив использует чередование на уровне блоков для распределения блоков данных по разным дискам. Это повышает производительность и скорость чтения и записи, поскольку доступ к данным осуществляется одновременно с нескольких дисков.

Для реализации такой конфигурации массиву требуется как минимум четыре диска, а также дисковый контроллер.

Преимущества RAID 10

• Высокая производительность.
• Высокая отказоустойчивость.
• Быстрые операции чтения и записи.
• Быстрое время восстановления.

Недостатки RAID 10

• Ограниченная масштабируемость.
• Высокая дороговизна (по сравнению с другими уровнями RAID).
• Использование половины емкости дискового пространства.
• Повышенная сложность настройки.

Когда следует использовать Raid 10

RAID 10 часто используется в случаях, когда требуется хранение больших объемов данных, быстрое чтение и запись, а также высокая отказоустойчивость. Соответственно, этот уровень RAID часто реализуется для серверов электронной почты, веб-хостинга, а также баз данных.

Нестандартный RAID

Упомянутые выше уровни RAID считаются стандартными или часто используемыми реализациями RAID. Однако существует множество способов создания избыточных массивов независимых дисков.

Соответственно, многие проекты и компании с открытым исходным кодом создали свои собственные конфигурации, соответствующие их потребностям. В результате существует множество нестандартных реализаций RAID, таких как:

• RAID-DP
• Lin­ux MD RAID 10
• RAID‑Z
• Увеличитель диска
• Декластерный RAID

Вложенный (гибридный) RAID

Вы можете комбинировать два или более стандартных уровня RAID, чтобы обеспечить лучшую производительность и избыточность. Такие комбинации называются вложенными (или гибридными) уровнями RAID.

Реализации Hybrid RAID названы в честь уровней RAID, которые они включают. В большинстве случаев они включают два числа, где их порядок представляет собой схему наслоения.

Популярные уровни гибридного RAID включают:

• RAID 01 (чередование и зеркалирование; также известное как «зеркало чередования»)
• RAID 03 (чередование на уровне байтов и выделенная четность)
• RAID 10 (зеркалирование дисков и прямое чередование на уровне блоков)
• RAID 50 (распределенная четность и прямое чередование на уровне блоков)
• RAID 60 (двойная четность и прямое чередование на уровне блоков)
• RAID 100 (слой RAID 10)

Типы реализации RAID

Существует три способа использования RAID, различающихся местом обработки.

Аппаратный RAID

При установке аппаратной настройки вы вставляете карту RAID-контроллера в быстрый слот PCI-Express на материнской плате и подключаете ее к дискам. Также доступны корпуса для внешних дисков RAID со встроенной платой контроллера.

Программный RAID

Для установки программного обеспечения вы подключаете диски напрямую к компьютеру без использования RAID-контроллера. В этом случае вы управляете дисками с помощью служебного программного обеспечения в операционной системе.

Встроенный RAID / RAID на основе прошивки или драйвера

RAID на основе встроенного ПО (также известный как RAID на основе драйверов) — это системы RAID, которые часто хранятся непосредственно на материнской плате. Все его операции выполняются центральным процессором компьютера, а не выделенным процессором.

Примечание. Если вы настраиваете аппаратный RAID, вам следует рассмотреть возможность установки Mega­CLI для управления и связи с контроллерами RAID.

Вывод

Внедрение RAID — это полезный и практичный способ повысить производительность сервера и гарантировать, что данные не будут потеряны. Решение о том, какая из конструкций лучше всего подходит для вашего бизнеса, во многом зависит от ваших приоритетов. Изучите все варианты и получите все преимущества этого мощного инструмента и техники.