Общие вопросы организации

Рассмотрим мы это на примере RAID массивов.

В 1987 г. три американских исследователя Паттерсон, Гибсон и Катц из Калифорнийского университета Беркли написали статью "A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Discs (RAID)". В статье описывалось, каким образом можно несколько дешевых жестких дисков объединить в одно логическое устройство таким образом, что в результате объединения повышаются емкость и быстродействие системы, а отказ отдельных дисков не приводит к отказу всей системы. Возможность недорого (inexpensive) построить дисковый массив большой емкости, повышенного быстродействия и, к тому же, отказоустойчивый, с этого времени постоянно беспокоит умы компьютерщиков. Однако широкое распространение такие системы получили только сейчас. Связано это с тем, что в самые первые RAID-ы, чтобы они действительно работали, пришлось устанавливать очень дорогие дисковые устройства от мэйнфреймов. Поэтому и аббревиатуру RAID стали расшифровывать как "Redundant Arrays of Independent Discs" – избыточный массив независимых дисков. Сейчас достаточно хорошие диски имеют разумную стоимость, и RAID становится основным элементом современного сервера любого уровня (а часто и не только сервера). Тем не менее, когда мы говорим о RAID, то о дешевизне лучше сразу забыть. Стоимость полных RAID-систем не снижается так же быстро, как цены на базовые диски, из-за «накладных расходов»: контроллеры, коннекторы, специализированное программное обеспечение и т.п.

Массивы RAID становятся вместительнее, дешевле и приобретают новые возможности. Однако покупателям по-прежнему приходится определять приоритеты и искать компромиссы: между функциональностью и ценой; между производительностью и объемом дисковой памяти.

Возможность одновременной работы с несколькими дисками можно реализовать двумя способами: с использованием параллельного доступа (parallel-access array) и с использованием независимого доступа (independent-access array).

Для организации параллельного доступа рабочее пространство дисков размечается на зоны определенного размера (блоки) для размещения данных и избыточной информации. Информация, подлежащая записи на диски (запрос на обслуживание), разбивается на такие же по величине блоки, и каждый блок записывается на отдельный диск. При поступлении запроса на чтение, необходимая информация собирается из нескольких блоков (рис. 21).

Рис. 21. Массив с параллельным доступом.

Понятно, что в этом случае скорость записи (равно как и скорость чтения) увеличивается пропорционально количеству дисков, объединенных в RAID.

Для организации независимого доступа рабочее пространство дисков также размечается на зоны определенного размера (блоки). Однако, в отличие от предыдущего случая, каждый запрос на запись или чтение обслуживается только одним диском (рис. 22).

Рис. 22. Массив с независимым доступом.

Естественно, в этом случае скорость записи будет не выше, чем при работе с одним диском. Однако массив с независимым доступом в каждый момент времени может обслуживать одновременно несколько запросов, каждый диск обслуживает свой запрос.

Таким образом, оба архитектурных решения способствуют повышению производительности, но механизм повышения производительности у этих решений различен. Соответственно, свойства RAID существенно зависят от того, какой из этих двух механизмов в нем используется. Именно поэтому при сравнении RAID различного уровня в первую очередь необходимо сравнивать размер логических блоков. Точнее говоря, не собственно размер, а соотношение размера блока и величины запроса на обслуживание (объем информации, подлежащей записи или считыванию).

Другим фактором, влияющим на производительность, является способ размещения избыточной информации. Избыточная информация может храниться на специально выделенном для этого диске и может распределяться по всем дискам.

И, наконец, в RAID различного уровня применяются различные способы вычисления избыточной информации. Это также влияет на характеристики RAID (надежность, в первую очередь, производительность и стоимость). Основные способы: полное дублирование информации, применение кодов с коррекцией ошибок (применяется код с коррекцией одиночных ошибок и обнаружением двойных ошибок ECC – код Хемминга) и вычисление четности (Parity).

Для стандартизации продуктов RAID в 1992 году был организован промышленный консорциум – Комиссия советников по RAID (RAID Advisory Board: RAB).

В настоящее время комиссией стандартизировано 8 вариантов (уровней) объединения дисков в массивы: от RAID-0 до RAID-7. Номера уровней определены просто в порядке, в котором были предложены различные варианты и не связаны с характеристиками RAID. Применяются также комбинированные уровни, например, уровень 0+1 означает RAID уровня 0, но в этот RAID объединены не одиночные диски, а несколько RAID уровня 1 (несколько зеркальных дисков).

Уровни с 1-го по 5-й включительно были представлены в упомянутой выше статье Калифорнийского университета Беркли, и эта систематика RAID была принята как стандарт «де факто».

Уровень RAID-0 - дисковый массив без отказоустойчивости (Striped Disk Array without Fault Tolerance).

RAID-0, строго говоря, вообще не является избыточным массивом (RAID); тем не менее, данный термин широко применяется и поэтому разрешен RAB.

Представляет собой дисковый массив, в котором данные разбиваются на блоки, и каждый блок записываются (или же считывается) на отдельный диск. Таким образом, можно осуществлять несколько операций ввода-вывода одновременно.

Рис. 23.

Уровни 6 и 7 по различным причинам применяются очень редко. Например, RAID 7® является зарегистрированной торговой маркой Storage Computer Corporation (SCC), поэтому применяется исключительно в изделиях этой фирмы. Более того, многие производители RAID-контроллеров уровнями 6 и 7 обозначают нестандартизированные или комбинированные уровни. Например, в контроллерах фирмы Mylex под RAID уровня 6 понимается комбинированный уровень 0+1, а под RAID уровня 7 – простое объединение нескольких дисков в один логический.

Классификация уровней RAID, составленная с учетом сделанных выше замечаний, приведена на рис. 24.

Рис. 24. Классификация уровней RAID.

RAID уровня 1 (Mirrored disk) предназначен в основном для обеспечения отказоустойчивости системы. За счет полного дублирования информации обеспечивается очень высокий уровень надежности. Однако и стоимость хранения информации получается немалой.

RAID уровня 2 (Memory-Style ECC) характеризуется очень высокой надежностью. В RAID уровня 2 применяется код с коррекцией одиночных ошибок и обнаружением двойных ошибок ECC. Такой же метод, кстати, применяется и для коррекции ошибок в оперативной памяти серверов. В RAID уровня 2 расслоение данных для записи или чтения осуществляется на уровне битов. Однако, вследствие применения кода с коррекцией ошибок, RAID уровня 2 требует для хранения контрольной информации более одного диска. Большинство контрольных дисков, используемых в RAID уровня 2, нужны для определения положения неисправного разряда. Но в этом сейчас уже нет нужды, так как большинство контроллеров в состоянии самостоятельно определить, когда диск отказал при помощи специальных сигналов, или дополнительного кодирования информации, записанной на диск и используемой для исправления случайных сбоев. В связи с этим RAID уровня 2 не нашел практического применения.

В RAID уровней 3, 4 и 5 применяется простое вычисление четности путем применения к записываемым блокам операции «исключающее или» – XOR (Parity), что позволяет использовать меньшее количество избыточных дисков.

В RAID уровня 3 (Bit-Interleaved Parity) для обеспечения отказоустойчивости вводится один дополнительный диск, на который записывается дополнительная (контрольная) информация. При записи данные разбиваются на блоки, каждый из которых записывается на отдельный диск. Затем вычисляется контрольная сумма, которая записывается на дополнительный диск. При выходе из строя любого диска данные на нем можно восстановить по контрольным данным и данным, оставшимся на исправных дисках. Как и в RAID уровня 2 расслоение данных для записи или чтения осуществляется на уровне битов (вообще говоря, допускается и расслоение на уровне байтов). Таким образом, в RAID уровня 3 реализуется практически в чистом виде архитектура с параллельным доступом.

RAID уровня 4 (Block-Interleaved Parity) отличается от RAID уровня 3 в первую очередь значительно большим размером блока записываемых данных (большим, чем размер записываемых данных). Типичное значение – кратно размеру сектора жесткого диска. Это и есть главное отличие между RAID 3 и 4.

RAID уровня 5 (Block-Interleaved Distributed-Parity) так же, как и RAID уровня 4, отличается от RAID уровня 3 большим размером блока записываемых данных. Кроме того, в отличие от RAID уровня 4, для хранения избыточной информации не выделяется отдельный диск, а контрольная информация записывается на различные диски по очереди. Такое размещение избыточной информации позволяет повысить производительность дискового массива, о чем мы поговорим далее. Однако, подчеркиваю, главное отличие RAID уровней 3 и 5 состоит, вопреки распространенному мнению, не в методе хранения избыточной информации, а в размере логических блоков, записываемых на каждый диск. В отличие от RAID уровня 3, в RAID уровня 5 реализуется архитектура с независимым доступом.

Дата добавления: 2015-04-25