Робота з апаратурою

Існують різноманітні способи збільшення продуктивності дискової підсистеми. Але вони залежать від конкретних додатків. Більшість існуючих способів володіють суттєвим недоліком: вони значно знижують рівень збереженості даних.

Найкращим рішенням зазначеної проблеми є використання технології дискових RAID-масивів. RAID-масиви дозволяють не переривати обробку запитів до інформації, яка зберігається на дисках, при виході з ладу одного або кількох елементів масива. Існують різноманітні технології, що гарантують надлишковість інших систем сервера. Також можлива ситуація, коли з ладу вийде вся обчислювальна система. Ось тут в нагоді стане кластеризація.

Raid-масиви

Ще в 1987 році було опубліковано наукову роботу, присвячену питанням збільшення продуктивності дискової підсистеми і підвищення надійності збереження даних. Її автори Паттерсон (Patterson), Гібсон (Gibson), Катц (Katz) описали систему побудови RAID або дискового масива з надлишковим збереженням даних (Redundant Arrays of Inexprensive Disks – надійний/надлишковий масив недорогих дисків. Пізніше літера І в абревіатурі RAID стала означати слово Independent – незалежний). Головна ідея полягала в розподіленні інформації по масиву дисків з обчисленням контрольних сум.

Зараз RAID представляє собою технологію, яка використовує для організації захисту даних декілька різних підходів. Метою RAID є забезпечення надійного збереження даних, організація ефективного доступу до них. Головний акцент в цій технології робиться на захисті даних від пошкоджень. Досягнення високого рівня продуктивності можна вважати другорядною задачею.

Стійкість до відмов окремих пристроїв масиву досягається за рахунок розподіленого збереження елементів даних – технології, яка передбачає рознесення елементів даних по різних носіях і збереження контрольної інформації, що дозволяє системі виконувати їх відновлення у випадках відмови окремих пристроїв. Якщо одне з пристроїв відмовляє (а рано чи піздно, це обов’язково відбудеться), контрольна інформація використовується системою для відновлення даних. В цьому випадку ніяких спроб відновити сам відмовивиший носій не робиться; система просто повинна усунути помилки в даних, які стали наслідком відмови цього носія. Заміна відмовившого фізичного пристрою покладається на обслуговуючий персонал.

Дзеркальне копіювання розуміє під собою збереження більше однієї копії одних і тих же даних. В системи з дзеркальним копіюванням включено більше одного фізичного пристроя. Однак загальний об’єм зберігаємих даних не може перевищувати половини загального об’єма дискового простору системи.

Дзеркальне копіювання здійснюється лише під час запису інформації на диск. В цьому випадку інформація записується одразу на два різних дискових пристроя. Якщо щось станеться з одним з них, система переключиться на використання дзеркальної копії даних. Як правило, ця процедура виконується дуже швидко, залишаючи час на заміну чи виправлення першого пристрою без необхідності відключення всієї системи.

Розглянемо основні можливі рівні RAID. Спочатку їх було лише п’ять, але подальший розвиток цієї технології призвів до появи нових (1+0; 3+0...), які, по суті, є розширенням попередніх. Номер рівня не визначає ступінь збереженості даних або збільшення продуктивності, він є індикатором системи збереження даних. Рівень з більшим номером не обов’язково має перевагу перед рівнем, номер якого менший.

RAID 0 – масив дисків без надлишкового збереження даних. Інормація поділяється на блоки, які записуються на окремі диски, що забезпечує збільшення продуктивності. Цей спосіб збереження інформації є ненадійним. За рахунок можливості одночасного введення/виведення з декількох дисків RAID 0 забезпечує максимальну швидкість передачі даних і максимальну ефективність використання дискового простору, оскільки не потребує місця для збереження контрольних сум. Реалізація цього рівня дуже проста. Як правило, застосовується в тих областях, де необхідна швидка передача великого об’єму даних.

RAID 1 передбачає дзеркальне копіювання даних. Як мінімум два носія містять однакову інформацію і є одним логічним диском, забезпечуючи таким чином високий рівень збереженості даних: при порушенні роботи одного диска його функції виконує інший. Даний рівень збільшує швидкість зчитування інформації, оскільки ця операція може виконуватися одночасно з двох дисків. Недоліками RAID 1 є низький коефіцієнт використання дискового простору і зниження швидкості запису. Така схема збереження інформації використовується в основному в тих випадках, коли ”ціна” збереження даних набагато вища за вартість реалізації системи збереження. Оскільки ціни на диски останнім часом постійно знижуються, RAID 1 стає все більш популярним.

В RAID-масивах рівня 2 використовуються алгоритми корекції помилок сумісно з розподіленням зберігаємих даних на декількох фізичних пристроях. Призначені для відновлення контрольні дані також розподіляються під час запису на окремі пристрої. RAID 2 – один з небагатьох рівнів, який дозволяє виявляти подвійні помилки та виправляти одразу одиночні. При відмові якого-небудь пристрою записана на ньому інформація за допомогою контрольних даних може бути відновлена на іншому пристрої. Однак для зберігання контрольних даних потрібно декілька додаткових пристроїв, до того ж використання алгоритмів відновлення знижує загальну продуктивність системи. Ця схема збереження даних практично не застосовується, оскільки погано справляється з великою кількістю запитів і складна в організації.

RAID-масив рівня 3 є іншим варіантом сумісного використання алгоритма відновлення і метода розподіленого збереження даних. RAID 3 є відмовостійким масивом з паралельним введенням/виведенням і диском контролю парності. Потік даних розбивається на блоки на рівні байт (хоча можливо і на рівні біт) і записується одночасно на всі диски масива, крім диска, призначеного для зберігання контрольних сум, які обчислюються під час запису даних. Пошкодження будь-якого з дисків масива не призведе до втрати інформації, яку можна відновити обчисленням операції “виключаюче АБО (XOR)“, застосованої до інформації на залишившихся дисках. При зчитуванні інформації не відбувається звертання до диска з контрольними сумами (у випадку відсутності збою), що відбувається кожен раз під час операції запису. Оскільки при кожній операції введення/виведення виконується звертання практично до всіх дисків масива, одночасна обробка декількох запитів неможлива. Цей рівень підходить для додатків з файлами великого об’єму і малої частоти звертань (в основному це сфера мультимедіа).

RAID-масиви рівня 4 аналогічні масивам рівня 3, але в них використовуються блоки чи сегменти більшого розміру, кожний з яких записується на окремий диск. Для контрольної суми також виділений окремий диск. Загальний пристрій, на який записуються фрагменти даних, має велику ємність і, в загальному випадку, підвищену продуктивність за рахунок використання більш сучасних технологій. Дана схема збереження даних має невисоку вартість, але її реалізація достатньо складна, як і відновлення даних при збої. Саме через останнє RAID-масиви четвертого рівня не набули широкого розповсюдження.

Найпоширенішими є RAID-масиви рівня 5. В них розподілене збереження даних суміщується з використанням алгоритмів відновлення даних, причому контрольна інформація зберігається на тих самих пристроях, що і основна. У випадку, якщо порушиться робота одного з дисків масиву, то на залишившихся пристроях буде міститися достатньо інформації для відновлення втрачених даних і продовження роботи системи. Контрольна інформація кожного з пристроїв завжди зберігається на іншому пристрої набора. Це гарантує, що якщо вийдe з ладу будь-який з пристроїв групи, то його контрольна інформація залишиться неушкодженою. У випадку RAID 5 всі диски масиву мають однаковий розмір, але один з них невидимий для операційної системи. Наприклад, якщо 3 диска мають розмір 1 Гб, то фактично розмір масива складає 2 Гб, 1 Гб відводиться на контрольну інформацію.

Масиви рівня 5 мають достатньо високу швидкість запису/зчитування і малу надлишковість, тобто вони є економічними. Слід зауважити, що реалізація рівня RAID 5 складна, як і відновлення даних. Однак це найкращий варіант для WEB-серверів і серверів баз даних.

Рівень RAID 6 має дуже високу відмовостійкість, велику швидкість зчитування (дані зберігаються блоками, немає виділених дисків для збереження контрольних сум), але через великий об’єм контрольної інформації – низьку швидкість запису. Він дуже складний в реалізації, характеризується низьким коефіцієнтом використання дискового простору. На сьогоднішній день RAID 6 не реалізований жодною фірмою, яка виробляє RAID-системи. Всі моделі RAID 6, які зустрічаються на ринку,- невеликі модифікації RAID 5.

RAID-масиви всіх рівнів мають загальну характеристику: операційна система сервера, до якого вони підключені, працює з ними, як з єдиним логічним диском. Це означає, що можна об’єднати різні RAID-рівні для створення масива масивів, де фізичні диски замінені RAID-масивами другого рівня, які необов’язково повинні мати ту ж саму схему збереження даних, що й масиви першого рівня. Об’єднання масивів дозволяє створювати системи збереження великої ємності. Комбінування RAID-рівнів дозволяє використовувати їх переваги і згладжує недоліки. Зазвичай поєднання виконано таким чином, що сервер працює з високопродуктивним RAID-масивом, а низькопродуктивні використовуються для забезпечення збереженості даних.

RAID 1+0 – комбінація рівнів 1 і 0. Кожен фізичний диск рівня RAID 0 замінюється масивом RAID 1. Це забезпечує високу швидкість передачі даних і високий рівень їх збереження, але значно обмежує масштабування, і коефіцієнт використання дискового пристрою получається достатньо низьким.

RAID 3+0 – масив нульового рівня, роль дисків якого грають масиви RAID 3, суміщує в собі продуктивність RAID 0 і відмовостійкість RAID 3. Ця схема має обмежене масштабування.

RAID 5+0 – масив нульового рівня, роль дисків якого грають масиви RAID 5. Він поєднує в собі відмовостійкість і високу продуктивність для додатків з великою інтенсивністю запитів і високу швидкість передачі даних. RAID 5+0 володіє високою продуктивністю і вартістю. Ця схема має також обмежене масштабування. Можливий ще варіант RAID 5+3, коли фізичні диски масива RAID 5 замінюються масивами RAID 3.

Там, де потрібна висока надійність збереження інформації великої ємності і необхідна висока швидкість передачі даних, застосовуються RAID-масиви. Ціни на них постійно знижуються, і розповсюдження RAID-масивів розширюється. Сьогодні вже важко уявити сервер середнього рівня без підключення до нього RAID-масива. Все більше бізнесменів з найрізноманітніших сфер діяльності та ІТ-спеціалістів приходять до розуміння того, що збереження ділової інформації чи забезпечення безперервності роботи завжди окупається.