Виды RAID и их характеристики

Обновлено 07.08.2023

Виды RAID и их характеристики

Что такое RAID мы рассмотрели в первой статье. Теперь посмотрим какие есть виды и чем они отличаются.

Калифорнийский университет в Беркли представил следующие уровни спецификации RAID, которые были приняты как стандарт де-факто:

• RAID 0 — дисковый массив повышенной производительности с чередованием, без отказоустойчивости;
• RAID 1 — зеркальный дисковый массив;
• RAID 2 зарезервирован для массивов, которые применяют код Хемминга;
• RAID 3 и 4 — дисковые массивы с чередованием и выделенным диском чётности;
• RAID 5 — дисковый массив с чередованием и «невыделенным диском чётности»;
• RAID 6 — дисковый массив с чередованием, использующий две контрольные суммы, вычисляемые двумя независимыми способами;
• RAID 10 — массив RAID 0, построенный из массивов RAID 1;
• RAID 50 — массив RAID 0, построенный из массивов RAID 5;
• RAID 60 — массив RAID 0, построенный из массивов RAID 6.

Виды RAID и их характеристики

Аппаратный RAID-контроллер может поддерживать несколько разных RAID-массивов одновременно, суммарное количество жёстких дисков которых не превышает количество разъёмов для них. При этом контроллер, встроенный в материнскую плату, в настройках BIOS имеет всего два состояния (включён или отключён), поэтому новый жёсткий диск, подключённый в незадействованный разъём контроллера при активированном режиме RAID, может игнорироваться системой, пока он не будет ассоциирован как ещё один RAID-массив типа JBOD (spanned), состоящий из одного диска.

RAID 0 (striping — «чередование»)

Режим, при использовании которого достигается максимальная производительность. Данные равномерно распределяются по дискам массива, дискиобъединяются в один, который может быть размечен на несколько. Распределенные операции чтения и записи позволяют значительно увеличить скорость работы, поскольку несколько дисков одновременно читают/записывают свою порцию данных. Пользователю доступен весь объем дисков, но это снижает надежность хранения данных, поскольку при отказе одного из дисков массив обычно разрушается и восстановить данные практически невозможно. Область применения - приложения, требующие высоких скоростей обмена с диском, например видеозахват, видеомонтаж. Рекомендуется использовать с высоконадежными дисками.

RAID 0 (striping — «чередование»)

RAID 1 (mirroring — «зеркалирование»)

массив из двух дисков, являющихся полными копиями друг друга. Не следует путать с массивами RAID 1+0, RAID 0+1 и RAID 10, в которых используется более двух дисков и более сложные механизмы зеркалирования.

Обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения при распараллеливании запросов.

Имеет высокую надёжность — работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве. Вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна произведению вероятностей отказа каждого диска, т.е. значительно ниже вероятности выхода из строя отдельного диска. На практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры — вновь восстанавливать избыточность. Для этого с любым уровнем RAID (кроме нулевого) рекомендуют использовать диски горячего резерва.

RAID 1

RAID 1E

Похожий на RAID10 вариант распределения данных по дискам, допускающий использование нечётного числа дисков (минимальное количество - 3)

RAID 2, 3, 4

различные варианты распределенного хранения данных с дисками, выделенными под коды четности и различными размерами блока. В настоящее время практически не используются из-за невысокой производительности и необходимости выделять много дисковой емкости под хранение кодов ЕСС и/или четности.

RAID_3

RAID_4

RAID 5

Основным недостатком уровней RAID от 2-го до 4-го является невозможность производить параллельные операции записи, так как для хранения информации о чётности используется отдельный контрольный диск. RAID 5 не имеет этого недостатка. Блоки данных и контрольные суммы циклически записываются на все диски массива, нет асимметричности конфигурации дисков. Под контрольными суммами подразумевается результат операции XOR (исключающее или). Xor обладает особенностью, которая даёт возможность заменить любой операнд результатом, и, применив алгоритм xor, получить в результате недостающий операнд. Например: a xor b = c (где a, b, c — три диска рейд-массива), в случае если a откажет, мы можем получить его, поставив на его место c и проведя xor между c и b: c xor b = a. Это применимо вне зависимости от количества операндов: a xor b xor c xor d = e. Если отказывает c тогда e встаёт на его место и проведя xor в результате получаем c: a xor b xor e xor d = c. Этот метод по сути обеспечивает отказоустойчивость 5 версии. Для хранения результата xor требуется всего 1 диск, размер которого равен размеру любого другого диска в raid.

Достоинства

RAID5 получил широкое распространение, в первую очередь, благодаря своей экономичности. Объём дискового массива RAID5 рассчитывается по формуле (n-1)*hddsize, где n — число дисков в массиве, а hddsize — размер наименьшего диска. Например, для массива из четырех дисков по 80 гигабайт общий объём будет (4 — 1) * 80 = 240 гигабайт. На запись информации на том RAID 5 тратятся дополнительные ресурсы и падает производительность, так как требуются дополнительные вычисления и операции записи, зато при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких дисков массива могут обрабатываться параллельно.

Недостатки

Производительность RAID 5 заметно ниже, в особенности на операциях типа Random Write (записи в произвольном порядке), при которых производительность падает на 10-25% от производительности RAID 0 (или RAID 10), так как требует большего количества операций с дисками (каждая операция записи, за исключением так называемых full-stripe write-ов, сервера заменяется на контроллере RAID на четыре — две операции чтения и две операции записи). Недостатки RAID 5 проявляются при выходе из строя одного из дисков — весь том переходит в критический режим (degrade), все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко падает производительность. При этом уровень надежности снижается до надежности RAID-0 с соответствующим количеством дисков (то есть в n раз ниже надежности одиночного диска). Если до полного восстановления массива произойдет выход из строя, или возникнет невосстановимая ошибка чтения хотя бы на еще одном диске, то массив разрушается, и данные на нем восстановлению обычными методами не подлежат. Следует также принять во внимание, что процесс RAID Reconstruction (восстановления данных RAID за счет избыточности) после выхода из строя диска вызывает интенсивную нагрузку чтения с дисков на протяжении многих часов непрерывно, что может спровоцировать выход какого-либо из оставшихся дисков из строя в этот наименее защищенный период работы RAID, а также выявить ранее не обнаруженные сбои чтения в массивах cold data (данных, к которым не обращаются при обычной работе массива, архивные и малоактивные данные), что повышает риск сбоя при восстановлении данных.

Минимальное количество используемых дисков равно трём.

RAID 5

RAID 5EE

массив, аналогичный RAID5, однако кроме распределенного хранения кодов четности используется распределение резервных областей - фактически задействуется жесткий диск, который можно добавить в массив RAID5 в качестве запасного (такие массивы называют 5+ или 5+spare). В RAID 5 массиве резервный диск простаивает до тех пор, пока не выйдет из строя один из основных жестких дисков, в то время как в RAID 5EE массиве этот диск используется совместно с остальными HDD все время, что положительно сказывается на производительность массива. К примеру, массив RAID5EE из 5 HDD сможет выполнить на 25% больше операций ввода/вывода за секунду, чем RAID5 массив из 4 основных и одного резервного HDD. Минимальное количество дисков для такого массива - 4.

RAID 5EE

RAID 6

RAID 6

RAID 0+1

Под RAID 0+1 может подразумеваться в основном два варианта:

• два RAID 0 объединяются в RAID 1;
• в массив объединяются три и более диска, и каждый блок данных записывается на два диска данного массива; таким образом, при таком подходе, как и в «чистом» RAID 1, полезный объём массива составляет половину от суммарного объёма всех дисков (если это диски одинаковой ёмкости).

RAID 10 (1+0)

RAID 10 — зеркалированный массив, данные в котором записываются последовательно на несколько дисков, как вRAID 0. Эта архитектура представляет собой массив типа RAID 0, сегментами которого вместо отдельных дисков являются массивы RAID 1. Соответственно, массив этого уровня должен содержать как минимум 4 диска (и всегда чётное количество). RAID 10 объединяет в себе высокую отказоустойчивость и производительность.

Утверждение, что RAID 10 является самым надёжным вариантом для хранения данных вполне обосновано тем, что массив будет выведен из строя после выхода из строя всех накопителей в одном и том же массиве. При одном вышедшем из строя накопителе, шанс выхода из строя второго в одном и том же массиве равен 1/3*100=33%. RAID 0+1 выйдет из строя при двух накопителях, вышедших из строя в разных массивах. Шанс выхода из строя накопителя в соседнем массиве равен 2/3*100=66%, однако так как накопитель в массиве с уже вышедшим из строя накопителем уже не используется, то шанс того, что следующий накопитель выведет из строя массив целиком равен 2/2*100=100%

RAID 1 (Mirror)

RAID 5EE

массив, аналогичный RAID5, однако кроме распределенного хранения кодов четности используется распределение резервных областей - фактически задействуется жесткий диск, который можно добавить в массив RAID5 в качестве запасного (такие массивы называют 5+ или 5+spare). В RAID 5 массиве резервный диск простаивает до тех пор, пока не выйдет из строя один из основных жестких дисков, в то время как в RAID 5EE массиве этот диск используется совместно с остальными HDD все время, что положительно сказывается на производительность массива. К примеру, массив RAID5EE из 5 HDD сможет выполнить на 25% больше операций ввода/вывода за секунду, чем RAID5 массив из 4 основных и одного резервного HDD. Минимальное количество дисков для такого массива - 4.

RAID 5EE

RAID 50

объединение двух(или более, но это крайне редко применяется) массивов RAID5 в страйп, т.е. комбинация RAID5 и RAID0, частично исправляющая главный недостаток RAID5 - низкую скорость записи данных за счёт параллельного использования нескольких таких массивов. Общая ёмкость массива уменьшается на ёмкость двух дисков, но, в отличие от RAID6, без потери данных такой массив переносит отказ лишь одного диска, а минимально необходимое число дисков для создания массива RAID50 равно 6. Наряду с RAID10, это наиболее рекомендуемый уровень RAID для использования в приложениях, где требуется высокая производительность в сочетании приемлемой надёжностью.

RAID 50

RAID 60

объединение двух массивов RAID6 в страйп. Скорость записи повышается примерно в два раза, относительно скорости записи в RAID6. Минимальное количество дисков для создания такого массива - 8. Информация не теряется при отказе двух дисков из каждого RAID 6 массива

RAID 60

RAID 00

RAID 00 встречается весьма редко, я с ним познакомился на контроллерах LSI. Группа дисков RAID 00 - это составная группа дисков, которая создает чередующийся набор из серии
дисковых массивов RAID 0. RAID 00 не обеспечивает избыточности данных, но наряду с RAID 0, предлагает лучшую производительность любого уровня RAID. RAID 00 разбивает данные на меньшие сегменты, а затем чередует сегменты данных на каждом диске в сторадж группе. Размер каждого сегмента данных определяется размером полосы.  RAID 00 предлагает высокая пропускная способность. Уровень RAID 00 не является отказоустойчивым. Если диск в группе дисков RAID 0 выходит из строя, весь
виртуальный диск (все диски, связанные с виртуальным диском) выйдет из строя. Разбивая большой файл на более мелкие сегменты, контроллер RAID может использовать оба SAS
контроллера для чтения или записи файла быстрее. RAID 00 не предполагает четности расчеты усложняют операции записи. Это делает RAID 00 идеальным для
приложения, которые требуют высокой пропускной способности, но не требуют отказоустойчивости. Может состоять от 2 до 256 дисков.

RAID ADAPT

ADAPT (распределенный RAID) - это технология, которая позволяет распределить данные и операции по нескольким независимым устройствам хранения данных для повышения производительности и надежности системы. это уровень защиты данных на основе RAID, который обеспечивает максимальную гибкость, обеспечивает встроенную резервную емкость и позволяет очень быстро перестраиваться, создавать большие пулы хранения и упрощенное расширение. Все диски в группе дисков ADAPT должны быть одного типа (например, корпоративный SAS) и относиться к одному уровню, но могут иметь разную емкость. ADAPT отображается как уровень RAID в интерфейсах управления.

Традиционные RAID-системы имеют свои ограничения, такие как ограниченная пропускная способность и емкость хранения, а также сложность масштабирования, ADAPT является новым подходом к RAID-технологии, который решает эти проблемы. Он основан на идее распределения данных и операций по нескольким устройствам хранения данных, включая как традиционные жесткие диски, так и более современные твердотельные накопители (SSD).

Основной принцип ADAPT заключается в том, что каждое устройство хранения данных имеет свою собственную систему управления, которая способна обрабатывать операции чтения и записи независимо от других устройств. Это позволяет параллельно выполнять несколько операций и значительно повышает производительность системы.

Кроме того, ADAPT предоставляет возможность горизонтального масштабирования. Это означает, что при необходимости можно добавить новые устройства хранения данных в систему, чтобы увеличить емкость хранения или распределить нагрузку на большее количество дисков. Это делает ADAPT гибкой и масштабируемой технологией, которая может быть адаптирована к различным потребностям и требованиям.

Одним из ключевых преимуществ ADAPT является повышенная отказоустойчивость. Поскольку данные и операции распределены по нескольким устройствам, сбой одного из них не приводит к полной потере данных или остановке работы системы. Вместо этого система может продолжать работу, используя оставшиеся устройства. Это обеспечивает непрерывную доступность данных и минимизирует риск потери информации.

Группы дисков ADAPT используют все доступное пространство для обеспечения отказоустойчивости, а данные равномерно распределяются по всем дискам. Когда добавляются новые данные, добавляются новые диски или система распознает, что данные не распределены по дискам сбалансированным образом, она перемещает данные для поддержания баланса в группе дисков.

Резервирование свободной емкости для групп дисков ADAPT выполняется автоматически, поскольку дисковое пространство, выделенное для резервирования, распределяется по всем дискам в системе. В случае сбоя диска данные будут перемещены на несколько дисков в группе дисков, что позволит быстро восстановить систему и свести к минимуму нарушение операций ввода-вывода.

По умолчанию система автоматически установит целевую резервную емкость, которая представляет собой сумму двух самых больших дисков в группе дисков, что достаточно для полного восстановления отказоустойчивости после потери любых двух дисков в группе дисков. Фактическое значение свободной емкости может меняться в зависимости от текущей доступной свободной емкости в группе дисков. Резервная емкость определяется системой при добавлении дисков в группу дисков или при создании, расширении или перебалансировке групп дисков

Что быстрее RAID 0 или RAID 00?

Я провел свое тестирование описанное в статье про оптимизацию скорости твердотельных дисков на LSI контроллерах и получил вот такие вот цифры на массивах из 6-ти SSD