RAID - nie zabija owadów na śmierć

Czym jest RAID?

Większość osób nazwę RAID kojarzy zapewne z intensywnie reklamowanym środkiem owadobójczym… Tymczasem w świecie komputerów odnosi się ona do jednej z najistotniejszych właściwości serwerów – specjalnego połączenia dysków twardych, dzięki któremu uzyskuje się wiele możliwości, nieosiągalnych w przypadku wykorzystania pojedynczego dysku lub kilku podłączonych niezależnie. 

RAID – (ang. Redundant Array of Independent Disks) to inaczej „nadmiarowa macierz niezależnych dysków”. Wiem, brzmi trochę jak nazwa jednostki zwiadowczej spoza Układu Słonecznego, ale nie bójcie się – gdy dobrniecie do ostatniej kropki tego artykułu, wszystko okaże się jasne jak słońce.

Każdy laptop, komputer, serwer posiada miejsce, gdzie przechowywane są dane – zarówno te dotyczące zainstalowanych programów jak i wszelkiego rodzaju pliki zapisane przez nas – użytkowników. Tym miejscem jest dysk twardy, który charakteryzują takie parametry jak:

• pojemność – mówiąca o tym jak dużo informacji możemy przechować na dysku. Krótka historia przechowywania danych: pamiętacie dyskietki? Ich pojemność wynosiła 1,44 MB – dziś zmieściłyby się na nich może ze 2 dobrej jakości zdjęcia. Pojemność płyty CD to już 700MB – ok. 80 minut muzyki w plikach audio. Na płycie DVD zmieści się nawet 4,5 GB danych  – pełnometrażowy film w dobrej jakości. Nośnik Blu-Ray pomieści do 50 GB. Współczesne dyski twarde najczęściej oferują pojemność od 0,5 do 1 TB (1 TB = 1000 GB = 1000 000 MB).

• szybkość zapisu i szybkość odczytu – czyli jak długo przyjdzie nam czekać na zapisanie lub otwarcie plików, ergo jaka będzie wydajność naszej pracy. 

Zadaniem serwerów jest przechowywanie i udostępnianie danych innym komputerom połączonym w sieć. Dlatego aby zoptymalizować ich działanie, w serwerach stosuje się kilka dysków twardych, które za pomocą specjalnego kontrolera łączy się w macierz RAID.

Innymi słowy RAID to UKŁAD dysków twardych, który łączy je ze sobą w odpowiedniej konfiguracji, zależnej od celu, który chcemy osiągnąć. Dyski w macierzy pracują jednocześnie, to znaczy, że zapisane na nich informacje sczytywane są w tym samym czasie, a nie kolejno – dzięki temu zyskujemy x razy lepszą wydajność. Ponadto pojemność dysków (w większości poziomów RAID – ale o tym za chwilę) jest sumowana – np. w RAID 0 konfigurując dwa dyski 500 GB otrzymujemy łączną pojemność 1 TB. 

Jakie są poziomy RAID?

W zależności od korzyści, na których osiągnięciu najbardziej nam zależy, mamy różne możliwości konfiguracji macierzy, które nazywane są poziomami RAID. Wymienię najpopularniejsze z nich:

Poziom RAID 0

Stosowany jest w przypadku, gdy chcemy osiągnąć maksymalną przestrzeń dyskową (wielokrotność pojemności dysków składowych) oraz optymalną (zwiększoną niemal dwukrotnie) prędkość transferu danych. Jeżeli naszym głównym celem jest znaczne przyspieszenie pracy na komputerach komunikujących się z serwerem (np. przy obrabianiu dużych plików multimedialnych) wybór poziomu RAID 0 z pewnością spełni nasze oczekiwania.

RAID 0 można utworzyć z minimum 2 dysków. Należy pamiętać, że urządzenia składowe macierzy powinny mieć taką samą pojemność i tą samą prędkość odczytu/zapisu. Informacje przekazywane do serwera dzielone są na bloki i zapisywane na dyskach twardych naprzemiennie, ale nie są tworzone tzw. „bloki parzystości”, które stanowią pewnego rodzaju zabezpieczenie przed awarią któregoś z dysków. RAID 0 jest zatem bardzo szybki i pojemny ale w żaden sposób nie chroni nas przed ewentualnymi awariami sprzętu. Awaria pojedynczego dysku wchodzącego w skład RAID0 oznacza bezpowrotną utratę danych.

Poziom RAID 1

Jeśli chodzi o przynoszone korzyści jest poniekąd odwrotnością poziomu RAID 0. To macierz, której głównym zadaniem jest zabezpieczenie przechowywanych informacji. Składa się z dwóch dysków twardych, na których zapisywane są jednocześnie te same dane – dlatego często nazywa się go RAIDem lustrzanym. W razie awarii jednego z dysków nie tracimy żadnych informacji, gdyż pozostaje nam drugi dysk, na którym zapisane są te same dane. Mankamentem jest jednak szybkość zapisu (równa prędkości najwolniejszego) dysku oraz pojemność (równa pojemności najmniejszego dysku twardego).

Poziom RAID 5

Jeżeli zależy nam zarówno na szybkości transferu jak i bezpieczeństwie magazynowanych informacji, poziom RAID 5 będzie świetnym wyborem. Oferuje on pojemność równą sumie pojemności dysków składowych minus 1 dysk, zaś prędkość zapisu jest podobna jak w przypadku RAID 0. Do stworzenia takiej macierzy potrzebujemy minimum 3 dysków (pojemność macierzy = 3-1). Dane dzielone są standardowo na bloki i zapisywane na dyskach naprzemiennie, jednak tym razem zapis obejmuje także bloki kontrolne (w poniższym schemacie – Ap, Bp, Cp, Dp), umożliwiające odtworzenie informacji w przypadku awarii jednego z dysków. Dzięki swoim właściwościom, poziom RAID 5 często wykorzystywany jest do magazynowania ważnych baz danych, archiwizacji informacji oraz przechowywania plików różnych aplikacji.

Powyższa grafika przedstawia macierz RAID 5 skonstruowaną z 4 dysków – ma ona zatem pojemność = 4-1 i chroni układ przed awarią jednego z dysków składowych.

Poziom RAID 1+0 (zwany też RAID 10)

RAID10  działa na podobnej zasadzie jak RAID0, jednak każdy z dysków składowych ma swoją kopię. Dzięki temu osiągamy bezpieczeństwo RAID1 i wydajność RAID0. Co prawda tracimy 50% pojemności dysków składowych ale w zamian zyskujemy zabezpieczenie w postaci kopii każdego z dysków. Ponadto implementacja poziomu RAID10 jest o wiele prostsza (działa wydajnie nawet na kontrolerze bez pamięci cache) niż w przypadku poziomów, w których obliczane są „bloki parzystości”, a czas transferu danych zoptymalizowany do wydajności RAID0.

Ten typ macierzy najczęściej stosowany jest dla osiągnięcia wysokiej wydajności w systemach baz danych. Spotyka się go również w serwerach aplikacji oraz magazynach danych maszyn wirtualnych.


Wspomniane wyżej poziomy przedstawiają zaledwie kilka możliwości konstrukcji macierzy RAID.

Dlaczego nie warto przejmować się awariami mając stworzony RAID?

Prawo Murphy’ego głosi: jeśli coś ma się zepsuć, na pewno się zepsuje. Mniej humorystyczna statystyka ujmuje to w ten sposób: im więcej komponentów, tym większe prawdopodobieństwo awarii jednego z nich… 

Dlatego tak ważną korzyścią RAIDu jest odporność na awarie dysków twardych. Co prawda, w przypadku archiwizujących pliki poziomów macierzy (RAID 5, RAID 6) tracimy pojemność części dysków, ale zyskujemy bezpieczeństwo całego układu. Warto więc poświęcić kilka dodatkowych chwil, na dogłębniejsze zapoznanie się z tematem.

Przeanalizujmy to na przykładzie macierzy RAID 6 w skład której wchodzi 5 dysków twardych:

Macierz RAID 6 stosuje się przeważnie w celu:

• przechowywania dużej ilości baz danych

• archiwizacji informacji

• magazynowania danych dla różnych aplikacji

• tworzenia rozwiązań wysokiej dostępności (serwery obsługujące dużą ilość komputerów) 

Pojemność powyższej macierzy jest sumą pojemności 3 dysków twardych – pozostałe miejsce służy jako coś w rodzaju systemu bezpieczeństwa. Jak widzimy, dane dzielone są na bloki i zapisywane w rzędach na wszystkich dyskach macierzy. Baza danych „A” podzielona została na bloki od A1 do A3. Natomiast Ap oraz Aq to tak zwane bloki parzystości – informacje kontrolne umożliwiające odtworzenie danych w przypadku uszkodzenia któregoś z dysków. Zwróćcie uwagę, że bloki parzystości rozpraszane są po całej strukturze macierzy (pliki Xp oraz Xq znajdują się na każdym z 5 dysków) – dzięki temu odzyskanie informacji jest możliwe bez względu na to, który dysk ulegnie awarii. Mało tego – w RAID 6 bloki parzystości są zapisywane dwukrotnie (Ap=Aq) dzięki czemu wyłączenie z macierzy nawet dwóch dysków nie spowoduje utraty zapisanych danych! Oczywiście ilość dysków w macierzy możemy ustalić indywidualnie – może być ich 4, 7, 13… musimy jednak pamiętać, że docelowa pojemność RAIDu będzie zawsze pomniejszona o sumę pojemności dwóch dysków – przeznaczoną na przechowywanie bloków parzystości.

Niezależnie od wybranego poziomu RAID, dobrym rozwiązaniem jest również zastosowanie dysku hot spare – jest to dysk działający w trybie stand-by - uruchamiany dopiero w przypadku wystąpienia awarii. Aby nie tracić wydajności i bezpieczeństwa układu, dysk hot spare przejmuje funkcje uszkodzonego elementu, a równowaga w macierzy zostaje szybko przywrócona. 

Na co należy uważać?

Utworzenie RAIDu nie jest możliwe bez udziału specjalnego kontrolera sterującego odczytem i zapisem danych w macierzy.

Kontrolery RAID mogą być częścią systemu operacyjnego serwera (kontrolery programowe) lub osobnym urządzeniem podłączanym bezpośrednio do dysków (kontrolery sprzętowe). Można powiedzieć, że kontroler jest wąskim gardłem macierzy – dlatego jej wydajność w równej mierze zależy od klas dysków składowych, jak i typu oraz jakości kontrolera RAID.

Przed wyborem kontrolera powinniśmy się zastanowić, który typ RAIDu chcemy stworzyć, jakiego systemu operacyjnego używamy, jak bardzo zależy nam na bezpieczeństwie danych i oczywiście jaki budżet chcemy na niego przeznaczyć.

Naszym Klientom zalecamy kontrolery sprzętowe z własną pamięcią cache (pamięcią podręczną), zasilaniem bateryjnym i możliwością podłączenia wielu kanałów (SATA, SAS, SSD).

 Własna pamięć podręczna kontrolera zwiększa wydajność serwera, gdyż obliczanie sum kontrolnych (bloków parzystości) odbywa się wewnątrz niego, a co za tym idzie, nie obciąża to głównego procesora. Użytkownicy korzystający z serwera z takim kontrolerem RAID mają szybszy dostęp do odczytywanych danych i krócej czekają na ich zapisanie.

Zasilanie bateryjne jest kolejną tarczą antyawaryjną. W przypadku nagłego braku zasilania informacje, które jeszcze nie zdążyły zostać zapisane i czasowo przebywały w pamięci podręcznej (cache) ulegają zniszczeniu. Chyba, że nasz kontroler RAID ma podtrzymanie bateryjne (niektóre kontrolery na bateriach mogą funkcjonować nawet 48 h) – wtedy dane przetrzymywane w cache mają szansę szczęśliwie doczekać przywrócenia stałego zasilania, a efekty pracy użytkowników pozostaną nienaruszone.

Ponadto w przypadku kontrolera sprzętowego, macierz RAID konfigurowana jest jeszcze przed uruchomieniem systemu operacyjnego. Wynikają z tego dwie istotne rzeczy:

1. system operacyjny „widzi” i traktuje RAID jak każdy inny dysk twardy, dlatego możliwe jest stosowanie macierzy z mało popularnymi systemami operacyjnymi;

2. start systemu możliwy jest bezpośrednio z macierzy dyskowej

Podsumowanie

RAID nie zabija owadów. Macierz RAID to takie połączenie kilku dysków twardych za pośrednictwem specjalnego kontrolera, które zwiększa wydajność i bezpieczeństwo układu w stosunku do pojedynczego dysku. Głównymi zaletami rozwiązań typu RAID są:

• szybszy transfer danych,

• odporność układu na awarie,

• zwiększenie przestrzeni dyskowej (pojemności). 

Pytania dotyczące macierzy RAID, które powinieneś zadać przed zakupem serwera:

• Czy serwer posiada programowy czy sprzętowy kontroler RAID?

• Jakie poziomy macierzy RAID (RAID 0, 1, 6, 10, 1+0…) obsługuje kontroler?

• W przypadku kontrolera sprzętowego:
  
  - Jaka jest pojemność wbudowanej pamięci cache?
  
  - Czy kontroler posiada zasilanie bateryjne, a jeśli tak, to jaki jest maksymalny czas pracy na baterii?
  
  - Z jakiego złącza korzysta kontroler – dedykowanego, czy zajmuje jeden z portów PCI Express?

• W których systemach operacyjnych działa kontroler (chodzi o wsparcie – programowy działa tylko pod Windows, sprzętowy oficjalnie Windows/Linux/Vmware)?