Надежность дисковой системы NT

Часть 5. Программный RAID

Журналирование NTFS, как уже указывалось ранее, ни в коей мере не гарантирует от сбоев с потерей пользовательской информации. Между тем, NT предлагает несколько вариантов создания систем, где, в разумных условиях, гарантируется абсолютно всё. Можно также использовать большее число дисков для обеспечения не повышенной надежности, а, наоборот, повышенной скорости - или того и другого одновременно. О таких конфигурациях и пойдет речь в этой части статьи.

RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) - избыточный массив недорогих дисков. Технология, заключающаяся в одновременном использовании нескольких дисковых устройств для обеспечения характеристик надежности или скорости, отсутствующих у накопителей в отдельности.

Windows NT поддерживает на программном уровне три уровня RAID (так называются стратегии работы дисковых массивов), краткие характеристики которых сведены в следующую таблицу.

	Быстродействие, по сравнению с обычными дисками	Надежность	Общее дисковое пространство
RAID 0 Параллельные диски Существенное повышение производительности за счет дублирования дисков.	Теоретически, в условиях некоторых (например, линейных) операций скорость чтения/записи, повышается во столько раз, сколько дисков задействовано в системе. Реально увеличение быстродействия меньше - процентов 50%-90% от этого числа, что всё равно очень существенно.	Понижается - фатальный сбой одного из дисков вызовет потерю данных.	Равно сумме объемов составляющих массив дисков
RAID 1 Зеркальные диски Повышение надежности за счет дублирования информации.	Скорость чтения теоретически повышается в число раз, соответствующее числу дисков. Реализованный в NT алгоритм не оптимален и приводит к гораздо более скромному увеличению быстродействия. Скорость записи снижается, особенно в случае не до конца многозадачных дисковых контроллеров.	Потеря данных возможна лишь в случае отказа сразу всех дисков или повреждения одного и того же участка информации на всех дисках.	Остается неизменным (увеличение доступного дискового пространства за счет добавочных дисков не происходит).
RAID 5 Параллельные диски с четностью Комбинация RAID 1 и RAID 0 - более эффективное использование дополнительных дисков.	Скорость чтения повышается аналогичным RAID 0 образом, но число дисков, влияющих на быстродействие, следует уменьшить на один. Т.е. три диска RAID 5 обладают примерно такой же скоростью чтения, как и два диска RAID 0. Скорость записи больше, чем у каждого диска в отдельности, но в целом невысока.	Потеря данных возможна при выходе из строя двух дисков набора. Выход из строя одного из дисков существенно снижает скорость работы всего массива и является, по сути, аварийной ситуацией, хоть и без потери данных.	Увеличивается. Потеря от суммарного дискового объема составляет объем одного диска. Например, пять дисков по 10 Гб дают RAID 5 объемом 40 Гб.

Остановимся подробнее на каждом из типов RAID-а.

RAID 0 (параллельные диски)

Данная стратегия направлена исключительно на повышение производительности. Несколько дисков хранят части дисковой структуры, которые собираются в один том лишь при наличии всех дисков массива.

Простейшая реализация RAID 0 из двух, например, дисков - указание на то, что каждый первый сектор тома (или любой другой объем информации) расположен на физическом диске A, а каждый второй - на диске B. Такая жесткая стратегия дает возможность избежать каких-либо дополнительных структур для хранения информации о том, где находятся какие данные. Скорость чтения, как и записи равны и зависят от числа дисков:

• Быстродействие операции по работе со случайно расположенными данными подчиняются следующей схеме: всё зависит от вероятности того, что диск, на который мы хотим записать очередную порцию информации, свободен и готов мгновенно выполнить наш запрос. Например, RAID 0 из двух дисков: при осуществлении операции одним из дисков и поступлении дополнительной команды на работу с дисковой системой вероятность того, что для выполнения команды нам придется тревожить свободный в данный момент диск составляет 50% - это соответствует общему увеличению производительности случайных операций в полтора раза. Если же используется, к примеру, массив из десяти дисков, то вероятность какой-либо операции попасть на уже занятый накопитель составляет всего 10% - то есть производительность повышается в девять раз. Любителям строгой теории вероятности хочу заметить, что при таких подсчетах не учитываются некоторые факторы реальной работы систем, но цифры, тем не менее, имеют именно такой порядок.
• Последовательные операции - чтение или запись последовательных участков - проходят практически всегда в n раз быстрее, чем на отдельном физическом диске, где n - число дисков в наборе. Это происходит потому, что вероятность в следующей операции попасть на свободный диск составляет 100% - ведь операции осуществляются последовательными блоками, которые равномерно раскидываются по дискам.

В качестве некоторого вывода - RAID 0 в любом случае существенно повышает быстродействие линейных операций, а с увеличением количества дисков, входящих в набор, существенно повышается скорость работы и со случайными данными. Для эффективной работы с дисковой системой в режиме RAID 0 просто необходим многозадачный режим работы контроллера, а желательно даже разных контроллеров, обеспечивающих доступ к разным дискам. Обязательным условием такой работы на интерфейсах IDE являются Bus-Mastering драйвера. Windows 2000 имеет встроенные драйвера, автоматически включающие этот режим для всех распространенных IDE контроллеров, для NT4 же могут понадобится дополнительные драйвера или изменения ключей реестра.

Надежность RAID 0 низка - отказ каждого диска является фатальным сбоем, точно так же, как и отказ накопителя в случае работы с обычными разделами.

Вероятность сбоя системы в целом только повышается - чем больше дисков вы используете, тем выше вероятность отказа хоть одного из них и, соответственно, потери какой-то части данных тома.

RAID 1 (зеркальные диски)

Самый простой способ обеспечения безопасности данных - создать копию двух дисков. Запись осуществляется на оба диска сразу, что приводит к замедлению этого процесса, тогда как чтение - с того диска, который в данный момент свободен - если, конечно, система способна эффективно осуществить такое чтение (необходимо наличие Bus-Mastering). Реализованный в NT алгоритм, к сожалению, не совсем оптимален и приводит к гораздо более скромному увеличению быстродействия чтения.

Некоторая сложность работы RAID 1 в программном режиме заключается в том, что часто система не может быть до конца уверена в идентичности данных двух дисков. Операция сверки двух физических дисков после серьезного сбоя может затянутся на часы и быть очень некстати, поэтому использовать программный RAID 1 следует очень осмотрительно. Если вы решаетесь на увеличение дисковых массивов в несколько раз только ради надежности, возможно, вам стоит приобрести аппаратный RAID контроллер, который, к тому же, обеспечит замену вышедших из строя дисков прямо на ходу и будет следить за синхронностью данных сам.

В любом случае, даже полный отказ одного из дисков не приводит к потере данных, так как диски полностью зеркальны.

RAID 5 (параллельные диски с четностью)

Данная стратегия представляется в настоящее время наиболее удачной и эффективной схемой работы RAID, состоящих из трех и более дисков. Информация дополняется так называемыми данными четности (parity), которые размещаются на другом физическом диске, нежели реальные данные, контролируемые этой информацией.

Концепцию четности можно понять, например, так: допустим, у нас есть пять бит - например, набор {0, 1, 1, 0, 1}. Мы формируем еще бит - бит четности, шестой, по такому правилу - если число единиц в предыдущих пяти битах четно, он будет равен 1, если нет - 0. В нашем случае число единиц равняется трем, т.е. нечетному числу - наш набор дополнился числом 0 и превратился в {0, 1, 1, 0, 1, <0>}.

Допустим, набору данных причинен урон - {0, X, 1, 0, 1, <0>}. С помощью правила, гласящего нам, что число единиц должно быть нечетно (последний бит), мы можем догадаться, что на месте X стояла единичка. Наш получившийся набор из шести бит (5 бит данных и 1 бит четности) избыточен и может грамотно скорректировать потерю любого из своих шести бит.

Операции четности могут осуществляться не только с битами, но и с любыми объемами данных, что применяется в простейших алгоритмах восстановления данных.

Возвращаемся к устройству RAID 5:



На рисунке изображен массив из пяти дисков. Видно, что каждый диск хранит четыре (условные) части реальных данных и один блок данных четности. Блок четности - скажем, 0 parity - способен восстановить потерю одного из фрагментов - любого, но одного - среди A0, B0, C0 и D0. Все вместе они, в свою очередь, способны восстановить блок 0 parity. Из изображенной структуры RAID видно, что данные, необходимые для полного восстановления всего столбика - то есть информации любого диска в случае сбоя - находятся на других дисках. В этом и заключается восстановление - при записи данных на любой из дисков обновляется также блок четности другого диска, соответствующего текущему блоку (например, при записи в A2 обновляется еще и блок 2 parity). Чтение данных с исправного диска происходит без использования блоков четности, т.е. почти в том же режиме, в каком работает RAID 0. Быстродействие RAID 5 в том виде, в каком это реализовано в NT, даже немного выше, чем у RAID 0.

Единственная накладка - в случае сбоя производительность массива снижается в огромное количество раз, так как при невозможности напрямую считать, например, D4, нужно будет восстанавливать данные этого блока с использованием всех других дисков одновременно - в нашем случае это будут блоки 4 parity, B4, C4 и E4.

Как видно, выход из строя одного из дисков RAID 5 является хоть и не фатальной, но резко аварийной ситуацией - хотя бы из соображений быстродействия чтения с массива. Нетрудно догадаться также, откуда исходит требования как минимум трех дисков - в случае двух накопителей RAID 5 просто вырождается в RAID 1, так как единственный способ создать информацию четности списка из одного элемента - это тем или иным образом дублировать этот элемент.

Допущения, обеспечивающие надежность

Как, опять? Да, опять - RAID также не является панацеей от абсолютно всех бед аппаратуры. Я должен сказать очень неожиданную для некоторых людей вещь: на ненадежном (некорректном) компьютере RAID грохнуть почти так же легко, как и однодисковую систему. RAID совершенно не спасет в следующих случаях:

• Корректная запись некорректных данных, а также запись данных мимо ожидаемой области. К этому приводят, как и ранее, сбойная память, процессор, шлейф, контроллер, питание привода.
• Если диск не способен сообщить об ошибке чтения.

RAID предназначен для минимизации ущерба всего в одном случае - при физическом отказе жесткого диска или, возможно, контроллера (в случае многоконтроллерного RAID). Отказы памяти, операционной системы, да и вообще всего остального RAID-ом не предусмотрены - точно так же, как и стратегией работы одиночной NTFS.

И, напоследок, аксиома работы вышеописанных уровней RAID-а - любой сбой одного из дисков системы считается аварией, которую необходимо как можно быстрее ликвидировать. Особенно это относится к RAID 0 и RAID 5, штатная работа которых в условиях аварии одного из дисков практически невозможна.

Более подробно с системой программных RAID Windows NT можно ознакомится в справке к программе (или модулю - в Windows 2000) Disk Administrator, где, собственно, и создаются эти типы дисков. Обращаю ваше внимание, что способности рабочих станций в создании и использовании RAID-ов сильно ограничены - рабочая станция NT4, к примеру, поддерживает только RAID 0 (параллельные диски), тогда как все описанные варианты работают лишь на серверных вариантах операционных систем.

---

<<< Назад | | Вперед >>>
Страницы: 0 1 2 |Все сразу|