5.4.3. Накопители на дисковых массивах (raid)

Дисковые массивы – это решение проблемы увеличения емкости устройств хранения информации. Название RAID (Redundant Arrays of inexpensive Disks) переводится как ”резервирующие массивы недорогих дисков”.

Идея RAID проста: несколько дисков под общим управлением могут не только увеличить суммарный объем накопителя, но и повысить надежность хранения информации при возросшей скорости передачи данных. Такие устройства целесообразно использовать для хранения огромных массивов данных, электронных библиотек и т.д. при совместной работе с мощным сервером (или несколькими серверами).

Массив дисков, будучи подключенным к ЭВМ, распознается системой как один диск большой емкости. Отказоустойчивость дискового массива может быть увеличена за счет избыточности хранимой информации. Емкость современных RAID – систем превышает 1 Т байт, а количество накопителей в стойке (кассете) порядка 16. Кассеты могут объединяться в шкафы, образуя внешние системы хранения данных.

RAID – массив строится на основе распределения данных между дисками. Пространство каждого диска разбивается на сегменты, размер которых может достигать десятки мегабайт. Дисковое пространство RAID – массива представляет собой объединение сегментов всех дисков массива.

Архитектура построения и распределения дисковой памяти в устройствах RAID имеет несколько классов (уровней). Можно выделить 9 уровней RAID – массивов, которые различаются по скорости, надежности и стоимости решения: массивы классов 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6,7, 1- 0, 5-3, а также их комбинации. Наибольшее распространение получили 0, 1, 2, 5. В меньшей степени используются 3, 6, 7 уровни.

В системе RAID нулевого уровня, называемого также ”уровнем чередования данных” (data striping), информация каждого файла располагается на нескольких дисках. Этим достигается высокая скорость чтения/записи, но при этом вероятность отказов велика. Иногда этот уровень называют ”дисковым массивом без дополнительной отказоустойчивости”. Структура такого RAID – массива приведена на рис.5.48.

Рис. 5.48. Структура RAID – массива нулевого уровня.

Дисковые массивы первого уровня – ”зеркального дублирования дисков” (disk mirroring) имеют полный дубликат каждого диска, обеспечивая высокую надежность хранения информации и высокое быстродействие, однако, стоимость такого решения возрастает. Отметим, что для обеспечения работы в этом классе контроллер ввода- вывода (на системной плате или автономный), должен поддерживать одновременное выполнение двух разных операций чтения и одной дуплексной операции записи для пары зеркально дублированных дисков. На рис. 5.49. приведена структура дискового массива RAID первого уровня.

рис.5.49. Структура дискового RAID - массива первого уровня.

Достоинства использования массивов RAID 1 в следующем:

- Скорость записи на зеркальные диски идентична скорости записи на один диск.

- Скорость чтения данных в два раза выше, чем у одного диска.

- Высокая скорость восстановления данных вследствие избыточности информации. Восстановление происходит путем копирования данных с одного диска на другой.

К недостаткам следует отнести низкий коэффициент использования дискового пространства (0,5).

Дисковые массивы нулевого и первого уровней целесообразно использовать в системах, обрабатывающих большие массивы данных и критичных к скорости чтения/записи. Дисковые массивы второго уровня RAID 2 основаны на использовании алгоритма Хэмминга для проверки/восстановления данных. При этом, поток данных разбивается на слова и затем на биты. Биты последовательно записываются на диски. Для каждого слова данных по алгоритму Хэмминга вычисляется значение корректирующего кода ECC (Error Checking/Correcting Code). Код Хэмминга является корректирующим кодом, исправляющим одну ошибку в каждом кодовом слове. Он относится к числу совершенных кодов, поскольку обеспечивает исправление ошибки при минимальной избыточности. Информационная посылка (n) для любого кода состоит из двух полей: поля информационной комбинации (к) и поля проверочных бит ®. Для кода Хэмминга описательное выражение имеет вид

(2 –1, 2 – r –1), где r – число проверочных символов (r = n – к). Например, для информационной комбинации 11 символов требуется 4 проверочных символа (r = 4).

Вычисленные по алгоритму Хэмминга контрольные суммы записываются на отдельный диск и используются для проверки данных при считывании.

Достоинствами технологии RAID 2 являются :

- Оперативное исправление ошибок.

- Высокая скорость передачи данных, увеличивающаяся сростом числа дисков в массиве.

- Возрастание коэффициента использования дискового пространства по мере увеличения числа дисков.

- Относительно простое конструктивное решение.

Информацию о других уровнях можно найти в [15 ].