Лекция 5: Конфигурирование и планирование подсистемы ввода-вывода
RAID 5
RAID 5 являются отказоустойчивым уровнем RAID, в котором для защиты данных применяется контроль по четности. Каждый слой данных (stripe) RAID создает информацию для контроля по четности, хранимую на одном из дисков в составе слоя. В сочетании с другими дисками в составе слоя RAID, информация для контроля по четности может быть использована для воссоздания данных с любого из дисков слоя. Поэтому массивы RAID 5 устойчивы к отказу одного из дисковых накопителей, входящего в состав массива. Информация для контроля по четности распределяется поочередно по всем дискам массива RAID (рис. 5.11).
Достоинством RAID 5 является то, что дисковая память, доступная при применении этого уровня RAID, составляет (n-1)*(объем одного диска) где n равно количеству дисков в массиве. Так, массив RAID 5, составленный из 10 дисков, будет иметь объем, как у 9 дисков, что делает его экономичным и в то же время отказоустойчивым решением.
К сожалению, массивы RAID 5 имеют недостатки, связанные с производительностью. Обработка информации для контроля по четности приводит к дополнительной нагрузке на компьютер. При записи данных в массив RAID 5 требуется чтение как слоя данных с целевого диска, так и слоя с информацией для контроля по четности, затем потребуется перерасчет информации контроля по четности, а затем должна быть произведена запись обоих слоев данных. Таким образом, как видите, запись в массив RAID 5 производит фактически четыре физических операции ввода-вывода.
Контроль по четности в массивах RAID 5
В массивах RAID 5 для данных каждого из слоев на каждом из дисковых накопителей создается бит контроля по четности. Бит контроля по четности является дополнительным элементом данных, благодаря которому, имея биты из набора данных, по которому он был создан, можно узнать другие биты из набора данных. Бит контроля по четности создается так: все остальные биты суммируются, а затем определяется, какое значение он должен иметь, чтобы получилось четное (или нечетное число). Бит контроля по четности, в сочетании с остальными битами, может применяться, чтобы восстановить значение потерянного бита.
Давайте разберем работу контроля по четности на примере. В нашем примере мы будем считать, что система RAID 5 содержит пять дисковых накопителей.
Каждый дисковый накопитель, по существу, составлен из некоторого количества битов, от начала до конца слоя диска. Бит четности создается в зависимости от значений битов с каждого из дисковых накопителей.
В нашем примере будем считать, что контроль по четности должен обеспечить четность суммы битов, т.е. сумма всех битов должна давать результат 0 (имеется в виду сложение по модулю 2, т.е. результат сложения битов должен быть четным. – Прим. пер.). Если первый бит первого диска равен 0, первый бит второго диска равен 1, первый бит третьего диска равен 1, первый бит четвертого диска равен 1, то бит контроля по четности для этих битов должен быть равен 1, чтобы дополнить эти биты до четного числа (см. табл. 5.2).
| диск 1: бит 1 | диск 2: бит 1 | диск 3: бит 1 | диск 4: бит 1 | диск 5: бит контроля по четности | Сумма битов |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 4(четная) |
Контроль по четности следует понимать как действия, применяемые к отдельным битам. Хотя слой диска содержит много битов, контроль по четности для отдельных битов позволит восстановить все данные. Биты контроля по четности, перечисленные в табл. 5.2, создаются на самом деле по отдельным битам, составляющим слои данных. Несмотря на то, что дисковые накопители разбиваются на куски данных (слои), с возможными размерами по 64 Кб и более, но контроль по четности, как мы вам показали, может быть произведен на уровне отдельных битов. На самом деле контроль по четности вычисляется при помощи алгоритмов более сложных, чем тот, который мы сейчас описали.
Давайте теперь предположим, что диск 3 сломался. В этом случае бит контроля по четности вместе с битами других дисков может быть использован для восстановления отсутствующего бита диска 3, потому что их сумма должна дополнять неизвестный бит диска 3 до четного числа.
Создание данных для контроля по четности
Как мы уже объяснили в данном разделе, данные контроля по четности, применяемые в массивах RAID 5, составляются из битов, дополняющих до четного числа сумму одинаково отстоящих от начала битов всех дисковых накопителей. Но вам, конечно,понятно, что было бы непрактичным, чтобы контроллер массива считывал бы все данные со всех дисковых накопителей при каждой операции ввода-вывода. Это было бы неэффективно и медленно.
При создании массива RAID 5 происходит первоначальное обнуление данных и создание битов контроля по четности. В результате создается набор дисковых накопителей без данных, но с полным набором битов контроля по четности.
С этого момента, всякий раз при записи данных на дисковый накопитель, должно производиться чтение данных с диска данных и с диска контроля по четности. Новые данные должны сравниваться со старыми данными, и если какой-либо бит данных поменялся, то данные контроля по четности для этого бита тоже должны быть изменены. Эта проверка производится при помощи логической операции "исключающее ИЛИ" ( XOR, exclusive OR ).Поэтому требуется чтение данных только с диска данных и диска контроля по четности, а не со всех дисков массива. Как только описанная операция вычисления изменений данных контроля по четности будет завершена, запись должна быть произведена на оба диска, т.к. операция с данными контроля по четности затрагивает весь слой данных. Таким образом, для выполнения каждой записи в том RAID 5 производятся четыре физических операции ввода-вывода: два чтения (одно – чтение с диска данных, другое – чтение с диска контроля по четности) и две записи (сами данные и данные контроля по четности). Но в массивах RAID 5 данные контроля по четности равномерно распределены по всем дисковым накопителям, поэтому и нагрузка на накопители будет распределена равномерно.
Рекомендации по применению RAID 5
Так как запись в массив RAID 5 требует дополнительных операций ввода-вывода, то этот уровень RAID можно рекомендовать для дисковых томов, используемых преимущественно для чтения. Поскольку данные контроля по четности равномерно распределены по многим дискам массива, то для операций чтения используются все диски. С учетом этих особенностей можно дать следующие рекомендации:
- Применяйте RAID 5 для томов, предназначенных только для чтения. Любой том дисков, операции записи на котором превышают 10% от объема ввода-вывода, не следует реализовывать как RAID 5.
- Применяйте кэширование записи для томов RAID 5. Так как запись для RAID 5 не завершена до тех пор, пока не будут выполнены два чтения и две записи, то при использовании кэша записи время отклика для записи может быть сокращено. (Используя кэш записи, обязательно применяйте батарею для бесперебойного электропитания.) Но надо отметить, что если поток записываемых данных превысит производительность записи дисков, то кэширование записи вам не поможет. В любом случае, вы не должны превышать пропускную способность дисков.
Как видите, RAID 5 является экономичным решением, но вы расплачиваетесь за это производительностью. А насколько велика может быть эта цена, вы узнаете из дальнейшего материала данной лекции.
RAID 10
RAID 10 является комбинацией RAID 0 и RAID 1. В RAID 10 применяется зеркальное дублирование слоев данных дисков. Для каждого диска создается дубль, но каждый диск содержит только часть всех данных (рис. 5.12). Этот уровень RAID обеспечивает отказоустойчивость, как у RAID 1, а удобства и производительность, как у RAID 0.
Как и у RAID 1, каждая операция записи RAID 10 потребует двух физических операций ввода-вывода – по одной операции записи на каждый диск зеркальной пары. Поэтому, при подсчете количества операций ввода-вывода в расчете на один диск, нужно умножать количество записей на 2. Как и для массивов RAID 1, для RAID 10 операции записи не считаются завершенными, пока не будут выполнены обе записи, это может увеличить длительность задержки записи. Но так же, как и для RAID 1, большинство контроллеров поддерживает параллельный поиск для RAID 10.
RAID 10 обеспечивает высокую степень отказоустойчивости. На самом деле, массив может остаться работоспособным даже при отказе более чем одного диска. Конечно, отказ дисков, входящих в зеркальную пару, приведет к потере данных. Если диски, входящие в разные зеркальные пары смонтированы по разным стойкам для оборудования, то отказ даже всей стойки не приведет к потере данных.
Рекомендации по применению RAID 10
RAID 10 обеспечивает высокую производительность и высокую степень отказоустойчивости. Уровень RAID 10 следует применять, когда нужна работа с большими томами, для которых операции записи составляют более 10% от общего объема операций ввода-вывода. Можно дать следующие рекомендации по применению RAID 10:
- Применяйте RAID 10 всякий раз, когда операции записи составляют более 10% от общего объема операций ввода-вывода для массива RAID.
- Применяйте RAID 10, когда производительность является критически важной. Так как в RAID 10 применяется расслоение данных, то вы будете иметь превосходную производительность.
- Для томов RAID 10 следует применять кэширование записи. Так как запись для RAID 10 не завершена до тех пор, пока не будут выполнены обе операции записи, то благодаря применению кэша время записи может быть сокращено. Кэширование записи безопасно только когда вы применяете батарею для бесперебойного электропитания для защиты кэша.
Уровень RAID 10 является наилучшим отказоустойчивым решением, он обеспечивает хорошую защиту данных и высокую производительность, однако затраты на него тоже большие. Вам придется приобрести диски в двойном количестве, по сравнению с RAID 0. Если же ваш том служит главным образом для чтения данных, то можно применять RAID 5.