Macierze dyskowe RAID

1. Macierze dyskowe RAID Autorzy: Marek Malczewski Tomek Tomaszewski Politechnika Łódzka 2003

2. SPIS TREŚCI • Wstęp • Charakterystyka RAID: RAID 0 RAID 3 RAID 1 RAID 4 RAID 0+1 RAID 5 RAID 10 RAID 6 RAID 2 RAID 53 • Podsumowanie • Zakończenie HOME <<< >>> END

3. WSTĘP RAID – Redundant Array of Inexpensive (Independent) Disks – Nadmiarowa Macierz Tanich (Niezależnych) Dysków. Pojęcie to po raz pierwszy ujrzalo światło dzienne w 1988 r. w Berkeley Papers – magazynie naukowym wydawanym przez Pattersona, Gibsona & Katza – pracowników Uniwersytetu Kalifornii w Berkeley. Wkrótce zastąpiono słowo Independent słowem Inexpensive. Wyżej wymieniona trójka i inni zdefiniowali oraz skategoryzowali różne modele mapowania oraz ochrony dysków. Do rozróznienia różnych modeli RAID użyto słowa „level” czyli poziom. Może to sugerować iż numer przy poziomie, oznacza wyższość modeli o wyższym numerze nad tymi o numerze niższym. To nieprawda. HOME <<< >>> END

4. RAID 0 blokowa macierz bez sprawdzania błędów • technika rozmieszczania danych na dyskach, skierowana głównie na wzrost prędkości zapisu / odczytu; • dane dzielone na bloki konfigurowalnej wielkości (4 B -128kB), każdy zapisywany sekwencyjnie na innym dysku; • brak kontroli błędów; HOME <<< >>> END

5. RAID 0 blokowa macierz bez sprawdzania błędów • Wady: • nie jest to prawdziwy RAID- brak kontroli błędów; • awaria jednego dysku z macierzy powoduje utratę wszystkich danych; • nie powinno się go stosować w systemach zawierających ważne dane; • Zalety: • bardzo dobre osiągi, przy zastosowaniu wielu dysków, kanałów; • największe prędkości odczytu/zapisu przy użyciu jednego napędu na jeden kontroler; • bardzo prosta technologia; • proste w implementacji; • zerowe „straty” miejsca na dysku (100 GB przestrzeni dyskowej pozwala na zapisanie 100 GB danych) HOME <<< >>> END

6. RAID 1 lustrzane odbicie • dyski łaczone parami- na obu zapisywane identyczne kopie danych; • w razie awarii jednego z dysków, dane przywracane z drugiego napędu; • zapis jest spowolniony, ale przy dobrej konfiguracji (dyski na oddzielnych kontrolerach) prędkość zapisu niewiele niższa od pojedyńczego dysku. Szybki odczyt- dane mogą być czytane na raz z obu dysków; HOME <<< >>> END

7. RAID 1 lustrzane odbicie • Wady: • 50 % straty przestrzeni dyskowej; • najczęściej realizowany programowo obciążając mocno CPU/podzespoły. Implementacja sprzętowa bardzo zalecana; • brak obsługi technologii hot-swap, w przypadku implementacji software’wej; • Zalety: • 100% odzyskiwalność danych- w razie awarii jednego dysku mamy idealną kopię na drugim; • zwiększona prędkość odczytu; • najprostszy w implementacji spośrod wszystkich RAIDów; • odporny na wielokrotne, losowe awarie dyskowe HOME <<< >>> END

8. RAID 0+1 dzielenie + duplikowanie • macierz obsługująca jedynie parzyste ilości dysków; • połaczenie macierzy typu 0 z macierzą typu 1. Dokładnie rzecz biorąc jest to macierz typu 1, której duplikowanymi elementami są macierze typu 0; • zwiększona prędkośc zapisu/odczytu poprzez zastosowanie łączonych dysków; HOME <<< >>> END

9. RAID 0+1 dzielenie + duplikowanie • Wady: • awaria pojedyńczego dysku powoduje zmianę macierzy w RAID 0; • bardzo drogie rozwiązanie ; • niemożność dodawania pojedyńczych dysków; • mała skalowalność; • Zalety: • duża prędkośc zapisu/ odczytu; • taka sama odporność na błędy jak macierzy RAID 1; • idealne rozwiązanie dla użytkowników potrzebujących dużej wydajności przy średniej niezawodności; HOME <<< >>> END

10. RAID 10 duplikowanie + dzielenie • minimum 4 dyski; • macierz typu 0, której elementami są macierze typu 1; • bardzo dobre rozwiązanie dla firm, które zdecydowały się na RAID 1 ale potrzebują dodatkowego wzrostu wydajności; HOME <<< >>> END

11. RAID 10 dzielenie + duplikowanie • Wady: • wszystkie dyski muszą pracować równolegle; • bardzo drogie rozwiązanie ; • mała skalowalność; • Zalety: • duża prędkośc zapisu/ odczytu; • taka sama odporność na błędy jak macierzy RAID 1; • pod pewnymi warunkami, macierz typu 10 może przetrwać awarię kilku dysków naraz; HOME <<< >>> END

12. RAID 2 RAID 0 + korekcja ECC • dane zapisywane jak w macierzy RAID typu 0, przy czym po zapisaniu pełnego rzędu bitów do połączonych dysków, następuje wyliczenie oraz zapis na specjalnie do tego przygotowane dyski wartości wyliczonych z kodu Hamminga; • korekcja ECC, oparta na kodzie Hamminga, po wykryciu błędu w zapisanych danych następuje natychmiastowa korekcja; HOME <<< >>> END

13. RAID 2 RAID 0 + korekcja ECC • Wady: • przy małej ilości dysków, bardzo duży stosunek dysków ECC do dysków z danymi- nieopłacalne; • nie istnieje komercyjna implementacja sprzętowa takiego rozwiązania ; • bardzo wysokie koszty wejściowe- opłacalne tylko w przypadku zapotrzebowania na duże szybkości transferów; • Zalety: • korekcja błędów ‘on the fly’; • możliwe bardzo duże transfery; • wraz ze wzrostem ilości wykorzystywanych dysków rośnie stosunek ilości dysków z danymi do ilości dysków z informacją kontrolną • relatywnie prosty kontroler w porównaniu z RAID poziom 3,4,5; HOME <<< >>> END

14. RAID 3 RAID 0 + bit parzystości • wymagane minimum 3 dyski; • analogicznie do macierzy typu 2, dane zapisywane blokami na kilku dyskach połączonych w jeden wirtualny dysk, z każdego zapisywanego bloku wyliczona jest suma kontrolna .Suma ta zapisywana jest na dodatkowy dysk ( w odróżnieniu od RAID 2 jest to jeden dysk, a nie kilka ) • zwiększona prędkośc zapisu/odczytu poprzez zastosowanie łączonych dysków; HOME <<< >>> END

15. RAID 3 RAID 0 + bit parzystości • Wady: • złożona budowa kontrolera; • bardzo trudne i zasobożerne do zrealizowania programowego ; • Zalety: • duża prędkośc zapisu/ odczytu; • awaria dysku nie ma znaczenia dla całego ukladu; • niski stosunek ilości dysków z informacją kotrolną do ilości dysków z danymi- duża opłacalność; HOME <<< >>> END

16. RAID 4 1 dysk z informacją kontrolną • minimum 3 dyski; • rozwiązanie bardzo podobne do macierzy typu 2 i 3, z tą różnicą, że zamiast pojedyńczych bajtów, na dyski zapisywane są całe bloki danych ; • na dodatkowym dysku zapisywana informacja kontrolna w postaci bitów ECC; HOME <<< >>> END

17. RAID 4 1 dysk z informacją kontrolną • Wady: • złożona budowa kontrolera; • najniższe z wszystkich rodzajów RAID’ów szybkości zapisu; • w przypadku awarii jakiegokolwiek dysku, trudne i czasochłonne odzyskiwanie danych; • bardzo trudne do zaimplementowania programowego; • Zalety: • bardzo duża pędkość odczytu; • 1 dysk z informacją kontrolną – niski stosunek do ilósci dysków z danymi – duża opłacalność; HOME <<< >>> END

18. RAID 5 dane + bit parzystości na jednym dysku • poziom 5 pracuje bardzo podobnie do poziomu 4 z tą różnicą, iż bity parzystości nie są zapisywane na specjalnie do tego przeznaczonym dysku, a są rozpraszane po całej strukturze macierzy; • niezawodność – w razie awarii system odbuduje utracone dane, zmniejszając jednak bieżącą wydajność macierzy. Po zamontowaniu nowego dysku, macierz przeniesie na niego odtworzone dane- wydajność systemu wraca do normy. HOME <<< >>> END

19. RAID 5 dane + bit parzystości na jednym dysku • Wady: • bardzo trudne rozwiązanie jeśli chodzi o złożoność kontrolera; • spory wpływ awarii jednego dysku na wydajność całego systemu; • Zalety: • najwyższa prędkośc odczytu; • duża prędkość zapisu; • brak dysków przeznaczonych wyłącznie na informację kontrolną- duża opłacalność; • duża niezawodnośc; HOME <<< >>> END

20. RAID 6 podwójny zapis informacji kontrolnej • jest to rozszerzenie macierzy typu 5; • informacja kontrolna zapisywana na tych samych dyskach co dane, zapis bitów parzystości dwukrotny, niezależnie od siebie; • idealne rozwiązanie do wymagających krytycznej niezawodności systemów; HOME <<< >>> END

21. RAID 6 podwójny zapis informacji kontrolnej • Wady: • bardzo złożona budowa kontrolera; • obliczanie adresów informacji kontrolnej wymaga wysokiej ilości zasobów CPU/kontrolera; • wymaga N+2 dysków do zaimplementowania – podwójny zapis informacji kontrolnej; • dość drogie rozwiązanie; • Zalety: • duża prędkośc odczytu; • bardzo wysoka odporność na awarie- może znieść awarie kilku dysków na raz; • niezawodnoś, może być stosowany nawet w systemach wymagających krytycznej niezawodności; • średnia prędkość zapisu; HOME <<< >>> END

22. RAID 53 weryfikacja danych + szybkość • minimum 5 dysków do implementacji; • naprawdę powinien nazywać się RAID 03- jest to macierz typu 0, której elementami są macierze typu 3; • zwiększona prędkośc zapisu/odczytu poprzez zastosowanie łączonych dysków; HOME <<< >>> END

23. RAID 53 weryfikacja danych + szybkość • Wady: • bardzo droga w implementacji; • wszystkie dyski muszą być zsynchronizowane, co zncznie ogranicza ich wybór (muszą to być podobne modele); • duże straty przestrzeni dyskowej; • mała skalowalność; • Zalety: • duża prędkośc zapisu/ odczytu; • taka sama odporność na błędy jak macierzy RAID 3; • idealne rozwiązanie dla użytkowników potrzebujących dużej wydajności przy średniej niezawodności; HOME <<< >>> END

24. PODSUMOWANIE Technologia RAID stała się potężnym narzędziem przys- pieszania wydajności podsystemu dyskowego i/lub zwiększania bezpieczeństwa danych. Sposób realizacji: sprzętowy oraz programowy. Oczywiście model sprzętowy ze specjalnie zbudowanym w celu łączenia/ przeliczania danych kontrolerem jest znacznie wydajniejszy od modelu czysto programowego. Jest jednak dużo droższy. Nakłady potrzebne na uruchomienie macierzy na serwerze często przewyższają ewentulne koszty utraty danych. Dodatkowym atutem stosowania macierzy jest likwidacja przestojów w działaniu systemu- niektóre poziomy pozwalają na użycie technologii hot-swap celem szybkiej wymiany uszkodzonego napędu, bez zatrzymania pracy serwera. Uzyskane podczas pracy z RAIDem parametry eksploatacyjne i ekonomiczne są lepsze niż w przypadku użycia pojedyńczych dysków o dużych pojemnościach. HOME <<< >>> END

25. KONIEC Dziękujemy za poświęcony czas. HOME <<< >>> END