Что такое RAID (избыточный массив независимых дисков)?

RAID повышает отказоустойчивость устройств хранения данных. Разработанный для использования в жестких дисках HDD, он и сегодня применяется в серверных средах. Как именно выглядит структура системы RAID и в чем различия между отдельными уровнями?

Термин «RAID» впервые был использован в 1988 году в публикации, написанной компьютерными учеными из Калифорнийского университета в Беркли под названием «A case for redundant arrays of inexpensive disks (RAID)». В своей диссертации авторы обсуждали возможность объединения недорогих жестких дисков ПК в сеть и эксплуатации их как одного большого логического диска в качестве альтернативы дорогим жестким дискам SLED (Single Large Expensive Disks) компьютеров мэйнфреймов. Поскольку это увеличивало риск отказа оборудования, концепция была ориентирована на избыточное хранение данных.

В последующие годы RAID стандартизировался и развивался — его пригодность для серверных приложений все больше выходила на первый план. В результате, речь стала идти не столько об экономии денег, сколько о замене жестких дисков без возникновения ошибок в работе. Все дело в названии: Redundant Array of Independent Disks (избыточный массив независимых дисков). Технология RAID специально адаптирована к свойствам классических жестких дисков HDD. Современные твердотельные накопители технически могут быть объединены, но с потерей производительности и срока службы из-за отсутствия функции TRIM в RAID.

Системы RAID по-прежнему являются важными компонентами в современных серверных средах. Их самая важная роль заключается в избыточности хранимых данных. Не следует путать это с концепцией резервного копирования данных. Как часть структуры сервера, RAID-массивы гарантируют, что выход из строя одного жесткого диска не будет иметь серьезных последствий, поскольку его данные хранятся в другом месте RAID-системы. Другими преимуществами RAID являются увеличение емкости хранения данных и более высокая скорость чтения и записи при доступе к пространству жесткого диска.

То, как взаимодействуют отдельные носители данных в RAID-системе, и какую функцию в конечном итоге должна выполнять сеть в серверной сети, варьируется в широких пределах. Однако существуют различные стандартизированные настройки, которые определяются так называемыми уровнями RAID. Кроме того, различают программные и аппаратные RAID-массивы, в зависимости от того, на какой стороне организовано взаимодействие сети — программной или аппаратной.

Деление на аппаратные и программные RAID-массивы может привести к неверному впечатлению о том, что представляют собой эти два типа жестких дисков. Для работы обоих вариантов требуется программное обеспечение — термины относятся только к типу реализации.

В аппаратном RAID-массиве организация отдельных носителей информации осуществляется специальным высокопроизводительным оборудованием, известным также как RAID-контроллер. Этот контроллер устанавливается либо в компьютер, либо в дисковый массив, в котором также размещаются жесткие диски. Дисковые массивы обычно используются в центрах обработки данных, при этом внешние системы часто называют DAS (Direct Attached Storage), SAN или NAS. Большим преимуществом аппаратной организации RAID-массивов является отличная производительность в виде высокой скорости передачи данных.

В программном RAID-массиве квота хранения данных управляется программным обеспечением, которое работает непосредственно на центральном процессоре хоста, также называемом хост-системой RAID. Обычные операционные системы, такие как Windows (начиная с NT) или дистрибутивы Linux, включают необходимые компоненты. По сравнению с аппаратной альтернативой, программный RAID-массив создается гораздо быстрее и дешевле. Недостатками являются высокий процессор для хоста и отсутствие независимости от платформы. Поскольку доступ к диску нельзя регулировать так же элегантно, как с помощью RAID-контроллера, производительность также, как правило, хуже.

Способ объединения жестких дисков в RAID-массив называется «уровнем». Однако это может вызвать некоторые недоразумения, поскольку наборы жестких дисков не строятся друг на друге в виде уровней. Отдельные уровни не связаны между собой и лишь характеризуют различные структурные подходы и функции RAID. К общим уровням относятся RAID 0, RAID 1, RAID 5 и RAID 6. Возможны также комбинации двух уровней RAID. Например, RAID 10 обозначает систему RAID 0, которая была объединена из нескольких систем RAID 1.

Строго говоря, группы жестких дисков с маркировкой RAID 0 вообще не считаются RAID-системами, так как в них не используется избыточность для хранения данных. Единственная цель RAID 0 — ускорить доступ к данным путем объединения двух или более жестких дисков в один логический диск. Для этого данные равномерно распределяются по отдельным носителям в виде последовательных блоков, которые называются полосами. Именно поэтому RAID 0 также известен как «чередование». Хотя сеть обеспечивает большую емкость хранения и более высокую пропускную способность, она снижает безопасность: если жесткий диск выходит из строя, все данные теряются. Подробнее о чередовании вы можете узнать в нашем подробном руководстве по RAID 0.

Уровень RAID 1 также известен как «зеркалирование». Здесь все жесткие диски всегда имеют одинаковый статус данных, что обеспечивает отличную избыточность и сохранность данных в случае выхода из строя носителя. Таким образом, емкость RAID-массива всегда равна емкости самого маленького установленного жесткого диска. Скорость записи в RAID 1 такая же высокая, как и у одного диска. При подключении компонентов к собственным каналам, например SATA, скорость чтения может быть удвоена. Узнайте больше о «зеркалировании» как методе хранения данных в нашей статье о RAID 1.

RAID 5 описывает сеть из трех или более жестких дисков, число которых обычно неравномерно — три, пять, семь и т.д. Концепция хранения данных использует чередование RAID 0 и распределяет данные блоками по различным носителям. Вместе с блоками данных по встроенным жестким дискам равномерно распределяется информация о четности, которая может быть использована для восстановления утраченных данных в случае выхода носителя из строя. Таким образом, RAID 5 обеспечивает более высокую скорость чтения, а также большую безопасность по сравнению с одним диском. Из-за постоянной необходимости пересчитывать блоки четности скорость записи сравнительно низкая. Подробнее об этой концепции читайте в нашей отдельной статье о RAID 5.

Уровень RAID 6 следует подходу, аналогичному RAID 5: данные распределяются равномерно и блоками по интегрированным компонентам системы хранения, а информация о четности обеспечивает более высокую безопасность. Однако данные для восстановления генерируются в двух экземплярах, что означает, что данный тип RAID может справиться с одновременным выходом из строя до двух жестких дисков (при установке минимум четырех). Таким образом, сеть обеспечивает высокий уровень безопасности данных и хороший доступ для чтения. Поскольку вычисление блоков четности занимает еще больше времени, чем в случае RAID 5, скорость записи ниже. В нашем руководстве по RAID 6 мы обсуждаем достоинства и недостатки чередования с двойным распределением информации о четности.

RAID 10 или RAID 1+0 сочетает в себе возможности RAID уровня 0 и RAID уровня 1: повышенную скорость передачи данных и повышенную безопасность данных. Для этого несколько систем RAID 1 объединяются в массив RAID 0 — требуется не менее четырех жестких дисков. О том, когда такое сочетание является хорошей идеей и каковы его недостатки, читайте в нашей статье о RAID 10.

При настройке и эксплуатации системы RAID необходимо учитывать несколько моментов. Во-первых, необходимо решить, какой тип сети вы хотите создать. Например, если вам нужно только увеличить пропускную способность, вы можете использовать систему уровня 0 или выбрать SSD. Если вы хотите повысить безопасность данных, можно выбрать зеркалирование (например, уровень 1) или хранение с информацией о четности (например, уровень 5).

При выборе жестких дисков предпочтительнее выбирать идентичные модели. Во многих RAID-массивах максимальный объем хранения зависит от самого маленького диска, поэтому при смешивании жестких дисков разных размеров потенциал хранения может быть потерян. Что еще более важно, полагайтесь на такое оборудование, как NAS, которое рассчитано на выносливость и долгий срок службы. Размер носителя данных также играет важную роль при последующей замене неисправного оборудования или при увеличении RAID-массива: новые или добавленные компоненты должны быть размером не меньше самого маленького существующего или неисправного носителя данных.

Важное напоминание при использовании RAID-систем: хотя взаимодействие жестких дисков повышает безопасность хранимых данных за счет избыточности, оно не может заменить хорошее решение для резервного копирования.