4.4. Структура распределения данных в дисковом массиве raid-3
Массивы уровня RAID-3 в настоящее время применяются не очень часто, так как в них под избыточную информацию отводится целый диск, который в режиме чтения информации фактически простаивает. В массиве RAID-3 может быть задействовано минимум 3 дисковода - 2 информационных и 1 - с XOR-блоками.
Существуют еще и массивы RAID уровня 4, отличающиеся от RAID-3 в основном только значительно большим размером блока записываемых данных, чаще всего - кратным размеру сектора жесткого диска.
Еще меньше, чем массивы RAID-3, распространены массивы RAID-2, которые отличаются типом избыточного кодирования информации (используется код Хемминга) и, соответственно, большим количеством дисков для хранения этого кода (минимум два), которые нужны для определения положения неисправного разряда. Но сейчас, когда большинство RAID-контроллеров в состоянии самостоятельно определить место и время произошедшего сбоя, очень дорогие системы RAID уровня 2 не имеют никаких преимуществ по сравнению с другими типами массивов и, как следствие, никаких перспектив практического применения.
RAID-5. Массив типа RAID-5 иногда называется "массив с вращающейся четностью". В таком массиве, как и в RAID-4, используются блоки записываемых данных большого размера. Кроме того, в отличие от RAID-3, для хранения избыточной информации не выделяется отдельный диск, а блоки с контрольной информацией записываются на различные диски по очереди, что позволяет, за счет параллельной работы всех дисков массива, повысить производительность дискового массива в режиме чтения данных. Как и в случае RAID-3, для построения массива RAID-5 необходимо использовать минимум 3 диска.
4.5. Структура распределения данных в дисковом массиве raid-5
Кроме вышеперечисленных уровней, практически все RAID-контроллеры могут работать в так называемом режиме JBOD - Just a Bunch Of Drives (массив независимых дисков). В этом режиме один или несколько дисков, подключенные к RAID контроллеру, не объединяются в RAID-массив, а функционируют независимо друг от друга, то есть RAID-контроллер выполняет функции обычного контроллера соответствующего дискового интерфейса.
4.4.2. О производительность RAID-массивов различных уровней
При работе с файлами большого размера достаточно высокую производительность обеспечивают RAID-массивы уровня 3. При записи (для системы из 3-х дисков) такой файл разбивается на отдельные блоки, половина из которых записывается на один диск, а половина - на другой. Одновременно на третий диск записывается контрольная информация. Операция вычисления четности - это очень быстрая операция и легко реализуется аппаратно, поэтому дополнительными временными задержками, связанными с нею, можно пренебречь. В итоге большой файл будет записан в два раза быстрее, чем если бы запись осуществлялась на одиночный диск. Однако во время этой процедуры невозможно обрабатывать другие файлы, запрос на обслуживание которых может поступить в любой момент времени. Таким образом, при интенсивном потоке запросов время ожидания может быть весьма значительным. Это не позволяет рекомендовать RAID уровня 3 в серверах, особенно обслуживающих базы данных. А вот для высокопроизводительных рабочих станций для обработки видео или графики массивы уровня RAID-3 будут в самый раз.
С большим количеством небольших файлов, размер которых меньше, чем размер логического блока, и которые при формировании блоков не разбиваются на части, наиболее оптимально работают массивы RAID уровня 4 или 5. Такие файлы целиком размещаются на каком-либо одном диске, поэтому и скорость записи такая же, как и при записи на одиночный диск. Однако контрольная информация, связанная с модифицируемым блоком, соответствует всему блоку, а не только той части, которая модифицируется. Поэтому после записи каждого блока информации необходимо считать модифицируемый блок и его контрольную сумму, затем вычислить новое значение контрольной суммы и только после этого записать модифицированный блок и новое значение контрольной суммы. Вместо операции записи в RAID-5 и 4 фактически осуществляется операция "чтение - модификация - запись". Таким образом, в RAID уровня 4 и 5 скорость записи практически вдвое ниже, чем при использовании одиночного диска. Это - самая большая проблема в RAID уровня 5, однако при чтении RAID уровня 4 или 5 может одновременно обслужить несколько запросов, благодаря чему производительность RAID уровня 5 может оставаться высокой даже при весьма интенсивном потоке запросов на обслуживание. В RAID-5 одновременно также может обслуживаться и несколько запросов на запись. Именно для этого контрольная информация размещается не на одном диске, а чередуется на всех. Поэтому в целом время ожидания обслуживания при интенсивном потоке малых запросов в RAID уровня 5 может оказаться даже лучше, чем, например, в RAID-3, что делает применение таких массивов наиболее целесообразным в серверах.
RAID-0+1 обеспечивает минимальное время обслуживания при гораздо более интенсивном потоке запросов, чем все остальные уровни RAID, но вот стоимость такой системы. Для реализации такого массива требуется не менее 4 дисков, тогда как для аналогичных по емкости массивов RAID-3 или 5 - минимум на один меньше.
Наряду с аппаратной реализацией RAID-систем, существует и возможность их организации программными методами, в частности, реализуемыми в серверных вариантах ОС семейства Windows. В этом случае программно реализуются простые уровни RAID-0 и 1, а также и более сложный - RAID-5. Эффективность работы RAID-систем, реализованных программно, заведомо ниже, чем аппаратных, ведь при программной реализации RAID вся нагрузка по размещению информации на дисководах и вычислению контрольных кодов ложится на центральный процессор, поэтому эта разница может достигать величины 10-20 %, но, при ограниченных материальных средствах, программные RAID системы вполне могут иметь право на существование.
Аппаратные RAID контроллеры обычно реализуют полный спектр стандартных уровней, могут создавать нестандартные массивы, часто обозначаемые как RAID-6 или RAID-7, имеют большое количество дополнительных возможностей, таких как, например, горячее резервирование дисков с возможностью автоматической замены вышедшего из строя диска на резервный, автоматический выбор уровня RAID с возможностью автоконфигурирования. Недостатком аппаратной реализации RAID является относительно высокая стоимость RAID-контроллеров.
Ранее технология RAID ориентировалась на использование в качестве носителей информации высокопроизводительных SCSI-дисков. Однако сейчас появились недорогие решения, основанные на использовании устройств стандарта IDE, которые, незначительно уступая в производительности, существенно дешевле своих SCSI-аналогов. Но у интерфейса IDE, наряду с таким неоспоримым достоинством, как простота установки и настройки, есть один недостаток, более значительный, чем относительно невысокое быстродействие - синхронность выполнения операций, то есть он не может выдавать одновременные команды обращения к нескольким устройствам сразу, не дожидаясь получения ответа на предыдущий запрос. Правда, использующаяся в современных IDE HDD технология Ultra ATA хоть в какой-то степени приближает возможности IDE-интерфейса к SCSI, позволяя организовать псевдоасинхронный доступ к дискам. Но наиболее распространенные сегодня недорогие IDE-RAID-контроллеры, чаще всего интегрированные в системные платы, обладают ограниченным набором функциональных возможностей. Обычно они умеют реализовывать только ограниченный набор уровней RAID - RAID-0, RAID-1 и их комбинации. Рассчитанные, в первую очередь, на домашнего пользователя, редко имеющего в своем распоряжении больше 2 жестких дисков, такие контроллеры вполне соответствуют предъявляемым к ним требованиям. Тем более что в подавляющем большинстве случаев интегрированные RAID-контроллеры используются исключительно в режиме JBOD, играя роль дополнительных IDE контроллеров для жестких дисков. RAID-контроллеры, поддерживающие массивы более высоких уровней 3 и 5, уже попадают совсем в другую ценовую категорию и представляют интерес для владельцев серверов, имеющих более высокие требования к скорости работы и надёжности хранения информации. Вопрос цены оборудования в таких случаях отходит на второй план, так как стоимость хранящейся на сервере информации на несколько порядков превышает затраты на используемое "железо".