Материал: Уч_пос_АрхКомп_2017

Все эти улучшения увеличивают плотность записи данных в полтора раза. Жесткие производственные требования и незначительно большая поверхность записи стали препятствием при разработке DVD, ограничивающим емкость размещаемых на диске данных до 4.7Gb. Для записи видео и звука на DVD применяется компрессии данных, носящая название MPEG-2 и MPEG-4. Это увеличивает временную емкость записываемых данных.

5. Принципы организации raid массивов

Назначение.

В переводе с английского “RAID” (Redundant Array of Independent Disks) означает “избыточный массив независимых дисков”. Впервые термин RAID появился в 1987 году, когда исследователям из Калифорнийского Университета в Беркли удалось создать массив из нескольких жестких дисков.

Предназначение RAID - создание на базе нескольких жестких дисков сравнительно небольшой емкости одного логического диска c:

• большой емкостью;

• увеличенной скоростью доступа;

• увеличенной надежностью хранения;

• возможностью восстановления данных в случае отказа части оборудования.

Именно эти обстоятельства сделали RAID-массивы столь востребованными бизнесом и военными. Впрочем, за объем, скорость и надежность пришлось платить повышением стоимости и сложности систем хранения данных. Со временем оборудование для построения RAID массивов стало более доступным, особенно с появлением дешевых решений для IDE/ATA и SATA дисков.

Впрочем, найти оптимальное решение одновременно по надежности, скорости, емкости и цене дисковой памяти не просто. Надо быть готовым к тому, что придется купить не один, а несколько жестких дисков, и емкость как минимум одного из них не будет использоваться. Кроме того, потребуется специальный корпус с отдельным или двумя блоками питания, платой контроллера и соответствующее программное обеспечение.

1. Основные принципы построения raid массивов

В основе теории RAID лежат пять основных принципов:

• массив (Array);

• зеркалирование (Mirroring) или дублирование;

• чередование полос (Striping);

• контроль четности (Parity).

Массивом называют несколько накопителей, которые централизованно настраиваются, форматируются и управляются. Логический массив – это уже более высокий уровень представления, на котором не учитываются физические характеристики системы. Соответственно, логические диски могут по количеству не совпадать с физическими. Но лучше все-таки соблюдать соответствие: физический диск – логический диск. Наконец, для операционной системы вообще весь массив является одним большим логическим диском.

Зеркалирование – технология, позволяющая повысить надежность системы. В RAID массиве с зеркалированием все данные одновременно пишутся не на один, а на два жестких диска. То есть создается «зеркало» данных. При выходе из строя одного из дисков вся информация остается сохраненной на втором.

За такую стопроцентную защиту приходится дорого платить: считайте, что один винчестер у вас работает просто так, не увеличивая доступную емкость ни на Мегабайт. При этом нет никакого выигрыша в производительности. Столь дорогое решение используется только во внешних RAID-массивах, предназначенных для ответственных приложений.

Чередование полос – отличная возможность повысить быстродействие системы. Очевидно, если чтение и запись вести параллельно на нескольких жестких дисках, можно получить выигрыш в скорости. Как это делается? Записываемый файл разбивается на части определенного размера (полосы - strip) и одновременно размещается на всех имеющихся накопителях в последовательном порядке. В таком фрагментированном виде файл и хранится. Считывание и запись соседних полос выполняется параллельно с разных дисков.

Размер «кусочка» может быть минимальным – 1 байт, но чаще используют более крупное дробление – по 512 байт (размер сектора).

Контроль четности является альтернативным решением, соединяющим в себе достоинства зеркалирования (высокая надежность) и чередования (высокая скорость работы).

Используется тот же принцип, что и в контроле четности оперативной памяти. Если имеется i блоков данных и на их основе вычисляется еще один дополнительный экстраблок, из получившихся (i+1) блоков всегда можно восстановить информацию даже при повреждении одного из них. Соответственно, для создания нормального RAID-массива в этом случае требуется (i+1) жесткий диск.

Распределение блоков по дискам точно такое же, как при чередовании. Экстраблок может записываться на отдельный накопитель, либо раскидываться по дискам.

Что же хранится в экстраблоке? Каждый бит экстраблока равен результату выполнения логической операции XOR над соответствующими битами всех i блоков. Многие помнят со школы, что XOR – удивительный оператор, при его повторном наложении мы можем получить первоначальный результат. То есть (A XOR B) XOR B = A. Это правило распространяется на любое количество операндов.

Плюсы четности очевидны. За счет использования чередования повышается скорость работы. Повышение надежности за счет зеркалирования здесь делается так, что при этом «нерабочий» объем массива заметно уменьшается, он одинаков при любом количестве дисков и составляет емкость одного диска, то есть при 5 дисках в массиве пропадает всего 20% емкости.

Но у четности есть весомый минус. Для формирования экстраблоков требуются вычисления! Их надо делать на лету, причем с миллионами бит! Если это дело поручить центральному процессору, мы получим очень медленную систему. Необходимо использовать довольно дорогие платы с RAID-контроллерами, которые «берут все вычисления на себя». В случае выхода из строя одного из дисков, процесс восстановления будет не столь быстрым, как при зеркалировании.

2. Одиночные уровни raid

Исследователи из Беркли в 1988 году придумали такую классификацию, не учитывая, что обычно уровни четко связаны с иерархией. В RAID уровнях нет преемственности. RAID 4 не есть улучшенная модификация RAID 3, так же как RAID 5 не лучше RAID 1. Просто они разные. Следует отметить, что есть простые (single) и составные (multiple) RAID массивы. Составные являются сочетанием двух простых. Сначала рассмотрим простые 7 уровней.

RAID 0

Структура RAID 0

Простейший массив, использующий чередование полос без четности. Вся входящая информация разбивается на блоки фиксированной длины (например, 16 кбайт) и раскидывается на все имеющиеся диски.

При наличии двух-четырех дисков RAID 0 дает ощутимый выигрыш в скорости передачи данных, но совершенно не обеспечивает надежность. Для его построения подойдет любой дешевый и даже программный RAID-контроллер. Подходит для тех, кому нужно выжать максимум производительности от файловой системы при минимальных затратах.

RAID 1

Структура RAID 1

Этот уровень является обычным зеркалированием. На два жестких диска пишутся две одинаковые копии данных. При этом можно использовать дешевый RAID контроллер или даже его программную реализацию. RAID 1 позволяет надежно защитить данные и обеспечить работу системы даже при поломке одного из дисков. Вот почему он получил широкое распространение среди пользователей, желающих защитить от потери личные данные. Выигрыша в скорости при использовании RAID1 нет.

RAID 2

Структура RAID 2

Второй уровень RAID умер, так и не родившись. Исследователи из Беркли предложили использовать одновременно две технологии – побитовое чередование и код Хэмминга для восстановления ошибок. В теории это должен быть неплохой по надежности и рабочей емкости массив, построенный из 14 или 39 дисков (!). При этом часть дисков (10 или 32) используется для хранения данных с чередованием, остальные – для хранения вычисленных контрольных сумм. Реализация таких систем требовала специальных дорогостоящих контроллеров, которые так и не прижились на рынке. В итоге RAID 2 сейчас не используется.

RAID 3

Структура RAID 3

Третий уровень использует чередование полос и выделенный диск для контроля четности. Блоки данных обычно имеют длину меньше 1024 байт. Информация распределяется на несколько дисков, а вычисленные значение контроля по четности сохраняются на отдельном диске.

Все скоростные преимущества чередования сводятся на нет необходимостью записывать контрольную сумму на выделенный диск, а больше всех страдает скорость случайной записи. К достоинствам следует отнести возможность работы массива при отказе одного из дисков.

RAID 4

Структура RAID 4

Отличается от RAID 3 только размером блока данных при чередовании (значительно больше – не менее 2-х физических блоков диска). Это несколько улучшает работу массива при случайном чтении, но запись все равно довольно медленная. Диск с контрольными суммами является ярко выраженным «узким местом» в системе.

RAID 4 является компромиссным вариантом между RAID 3 и RAID 5, не нашел своего места на рынке и редко используется. Это держит цены на соответствующие контроллеры на высоком уровне.

RAID 5

Структура RAID 5

Наиболее распространенный в системах хранения данных – пятый уровень. Он характеризуется применением чередования полос и контроля четности. В отличие от RAID 3, контрольные суммы не хранятся на одном диске, а распределяются по всем, что позволяет значительно поднять скорость записи. Главный принцип распределения экстраблоков - они не должны располагаться на том же диске, который учитывался привычислении паритета.

Надежность и скорость работы такой системы оказываются очень высокими. При восстановлении информации всю работу на себя берет RAID контроллер, так что операция проходит довольно быстро.

RAID 6

Для некоторых особо критичных приложений требуется повышенная надежность. Например, чтобы при выходе из строя даже двух дисков массив сохранил данные и остался работоспособным. Это обеспечивается на уровне RAID 6. При этом используются все те же технологии чередования полос и контроля четности, но в отличие от RAID 5 контрольная сумма вычисляется два раза и копируется на два разных диска. В итоге данные окажутся потерянными только в случае выхода из строя сразу двух жестких дисков. По сравнению с RAID 5 это более дорогое и медленное решение: увеличивается время на вычисление запись паритетной информации требуется дополнительное дисковое пространство. На практике RAID 6 почти не используется, так как выход из строя сразу двух дисков – слишком редкий случай, а повысить надежность можно другими способами.