RAID (избыточный набор независимых дисков), первоначально известный как избыточный набор недорогих дисков, был впервые предложен профессором Да Паттерсоном из Калифорнийского университета в Беркли в статье «Случай избыточного ряда недорогих дисков» в 1988 году. Время, диски с большой емкостью были дорогими, поэтому основной идеей RAID заключалась в том, чтобы органично сочетать множество малых мощностей и относительно недорогих дисков для получения мощности, производительности и надежности, эквивалентных дорогим дискам с большой способностью при более низких затратах. По мере того, как стоимость и цена дисков продолжали уменьшаться, термин «недорогой» стал бессмысленным, а консультативный совет RAID (RAB) решил заменить «недорогую» на «независимый».
Эта дизайнерская идея RAID была быстро принята отраслью. Технология RAID, как высокопроизводительная и высококачественная технология хранения, широко применялась. RAID в основном использует технологии для передачи данных, зеркалирования и паритета данных для достижения RAID, предлагает несколько заметных преимуществ. Во -первых, это обеспечивает большую емкость. Составляющие несколько дисков, RAID Systems может достигать хранения уровня Pb, поскольку отдельные диски в настоящее время превышают 1 ТБ, хотя доступная мощность меньше, чем общая сумма из -за накладных расходов избыточности, как правило, от 50% до 90%. Во-вторых, высокая производительность достигается с помощью данных, которые распространяют ввод-вывод по дискам, преодолевая узкие места производительности с одним диском. В -третьих, надежность повышается. Вопреки теоретической проблеме с несколькими дисками ненадежности, RAID использует зеркалирование и паритет данных, чтобы обеспечить доступность данных, даже если несколько дисков не стержено. Наконец, управляемость упрощена. В качестве технологии виртуализации RAID появляется в качестве одного логического накопления для хост -систем, что позволяет простой организации данных для пользователей и снижает административные задачи с помощью таких функций, как динамические изменения диска и автоматизированные процессы данных. Высокая производительность, надежность, устойчивость к разлому и масштабируемость. Согласно стратегиям и архитектурам использования или объединения этих трех технологий, RAID можно разделить на разные уровни для удовлетворения потребностей различных приложений для данных. Первоначальные уровни RAID RAID1-RAID5 были определены в статье Da Patterson et al., А RAID0 и RAID6 были расширены с 1988 года. В последние годы поставщики хранилища постоянно вводят уровни RAID, такие как RAID7, RAID10/01, RAID50, RAID53 и RAID100, но единого стандарта нет. В настоящее время отраслевыми стандартами являются RAID0-RAID5, а четыре уровня, кроме RAID2, были установлены в качестве промышленных стандартов. Наиболее часто используемыми уровнями RAID в реальном поле применения являются RAID0, RAID1, RAID3, RAID5, RAID6 и RAID10.
С точки зрения реализации, RAID в основном делится на три типа: программный RAID, аппаратный рейд и гибридный рейд. Для программного RAID все функции выполняются операционной системой и процессором, и не существует независимого чипа управления/обработки управления/обработки RAID и чипа обработки ввода -вывода, поэтому эффективность является самой низкой. Addware Raid оснащен специальным чипом управления/обработки RAID и чипом ввода -вывода, а также буфером массива, и не занимает ресурсы ЦП, но стоимость очень высока. Hybrid Raid имеет чип/обработку управления RAID, но у него нет чипа обработки ввода/вывода, и ему необходимо завершить программы процессора и драйверов, а его производительность и стоимость находятся между программным рейдом и аппаратным рейдом.
Каждый уровень RAID представляет собой метод реализации и технологию, и нет никаких различий между высокими и низкими уровнями. В практических приложениях соответствующий уровень RAID и конкретный метод реализации должны быть выбраны в соответствии с характеристиками приложений пользовательских данных, а доступность, производительность и стоимость должны быть всесторонне.
Основные принципы
RAID, а именно избыточный набор независимых дисков, обычно сокращается как массив дисков. Вкратце, RAID-это подсистема диска, состоящая из нескольких независимых высокопроизводительных дисков, которые обеспечивают более высокую производительность хранения и технологию избыточности данных, чем один диск. RAID-это технология управления несколькими дисками, которая обеспечивает экономически эффективную, высокую надежность данных и высокоэффективное хранилище в среде хоста. Определение RAID SNIA - это дисковый массив, в котором часть физического пространства хранения используется для записи избыточной информации пользовательских данных, хранящихся в оставшемся пространстве. Когда диск или путь доступа сбой, избыточная информация может использоваться для реконструкции пользовательских данных. Хотя дисковое полоса не соответствует определению RAID, он обычно также называется RAID (т. Е. RAID0).
Первоначальное намерение RAID состояло в том, чтобы обеспечить высококачественные функции хранения и избыточную безопасность данных для крупных серверов. Во всей системе RAID рассматривается как пространство для хранения, состоящее из двух или более дисков, а производительность ввода/вывода системы хранения улучшается путем одновременного считывания и написания данных на нескольких дисках. Большинство уровней RAID имеют полную проверку данных и меры по коррекции, и даже методы зеркалирования, которые значительно повышают надежность системы, и именно откуда исходит «избыток».
Здесь нам нужно упомянуть JBOD (просто куча дисков). Первоначально JBOD использовался для представления коллекции дисков без контрольного программного обеспечения для обеспечения скоординированного управления, который является основным фактором, отличающим RAID от JBOD. В настоящее время JBOD часто относится к дисковому корпусу, независимо от того, предоставляет ли он функциональность RAID или нет.
Две ключевые цели RAID - повысить надежность данных и производительность ввода -вывода. В массиве дисков данные разбросаны между несколькими дисками, но для компьютерной системы это выглядит как один диск. Избыточность достигается путем написания одних и тех же данных на несколько дисков (обычно отражая) или написание рассчитанных данных паритета в массив, поэтому потеря данных не будет вызвана при сбое одного диска. Некоторые уровни RAID позволяют в то же время провалиться больше дисков, таких как RAID6, где два диска могут быть повреждены одновременно.
При таком механизме избыточности неудачный диск может быть заменен новым диском, а RAID автоматически реконструирует потерянные данные в соответствии с данными и паритетом на оставшихся дисках, чтобы обеспечить согласованность и целостность данных. Данные разбросаны и хранятся на нескольких различных дисках в RAID, а одновременное чтение и написание данных намного лучше, чем у одного диска, поэтому можно получить более высокую агрегированную полосу ввода/вывода. Конечно, дисковый массив уменьшит общее доступное пространство для хранения всех дисков, жертвуя пространством в обмен на более высокую надежность и производительность. Например, использование пространства для хранения RAID1 составляет всего 50%, а RAID5 потеряет емкость для хранения одного диска, а использование пространства составляет (N-1)/N.
Массив дисков может обеспечить непрерывную работу системы без перерыва, когда будут повреждены некоторые диски (одиночные или множественные, в зависимости от реализации). В процессе реконструкции данных о неудачном диске на новый диск система может продолжать работать нормально, но производительность будет снижена в определенной степени. Некоторые дисковые массивы должны быть отключены при добавлении или удалении дисков, в то время как некоторые поддерживают горячее обмена, что позволяет заменить дисковые диски без выключения. Этот высококачественный дисковый массив в основном используется в системах приложений с высокими требованиями для надежности, и система не может быть выключена, или время выключения должно быть как можно более коротким.
Вообще говоря, RAID не может заменить резервную копию данных. Он бессильен для потери данных, вызванных сбоями без диска, такими как вирусы, уничтожение человека, случайная делеция и т. Д. В настоящее время потеря данных относится к операционной системе, файловой системе, менеджеру по объему или приложению. Для самой системы RAID данные не повреждены, и никаких потерь не произошло. Следовательно, резервное копирование данных, аварийное восстановление и другие меры по защите данных очень необходимы, что дополняет RAID и защищает безопасность данных на разных уровнях для предотвращения потери данных.
В RAID есть три ключевые концепции и технологии: зеркалирование, передача данных и паритет данных. Зеркальное копирование данных на несколько дисков. С одной стороны, это может повысить надежность, а с другой стороны, он может прочитать данные из двух или более копий одновременно для повышения производительности чтения. Очевидно, что производительность записи зеркалирования немного ниже, и требуется больше времени, чтобы гарантировать, что данные правильно написаны на несколько дисков. Полосы данных сохраняют срезы данных на разных дисках, а несколько срезов данных вместе образуют полную копию данных, которая отличается от нескольких копий зеркалирования и обычно используется для соображений производительности. Полосы данных имеют более высокую гранулярность параллелизма.
При доступе к данным можно прочитать и записывать данные на разные диски одновременно, получая таким образом очень значительное улучшение производительности ввода/вывода. Data Parity использует избыточные данные для обнаружения и ремонта ошибок данных. Избыточные данные обычно рассчитываются по алгоритмам, таким как код хамминга и операция XOR. Использование функции паритета может значительно повысить надежность, устойчивость и устойчивость к разлому массива дисков. Тем не менее, паритет данных необходимо для чтения данных из нескольких мест и выполнять расчеты и сравнения, что повлияет на производительность системы. Различные уровни RAID принимают одну или несколько из трех вышеупомянутых технологий для получения различной надежности данных, доступности и производительности ввода -вывода. Что касается того, какой RAID (даже новые уровни или типы) для проектирования или какой режим RAID для принятия, необходимо сделать разумный выбор в соответствии с глубоким пониманием системных требований и всесторонне оценить надежность, производительность и затраты на Сделайте компромиссный выбор.
Преимущества рейда
- Большая вместимость: это очевидное преимущество RAID. Он расширяет емкость диска, а система RAID, состоящая из нескольких дисков, имеет огромное место для хранения. Теперь емкость одного диска может достигать более 1 ТБ, поэтому емкость хранения RAID может достигать уровня PB, и большинство требований к хранению можно удовлетворить. Вообще говоря, доступная емкость RAID меньше, чем общая мощность всех дисков -членов. Различные уровни алгоритмов RAID требуют определенных накладных расходов, а конкретные накладные расходы связаны с принятым алгоритмом. Если алгоритм RAID и емкость известны, можно рассчитать доступную емкость RAID. Обычно использование емкости RAID составляет от 50% до 90%.
- Высокая производительность: высокая производительность RAID выигрывает от технологии разделения данных. Производительность ввода/вывода одного диска ограничена компьютерными технологиями, такими как интерфейс и пропускная способность, и часто является узким местом производительности системы. Благодаря передачам данных RAID распространяет ввод данных/вывод данных по каждому диску, получая таким образом агрегированную производительность ввода -вывода, которая в несколько раз выше, чем у одного диска.
- Надежность: доступность и надежность являются еще одной важной особенностью RAID. Теоретически, надежность системы RAID, состоящей из нескольких дисков, должна быть хуже, чем у одного диска. Здесь есть неявное предположение: сбой одного диска приведет к недоступному рейду. RAID использует технологии избыточности данных, такие как зеркалирование и паритет данных, чтобы нарушить это предположение. Зеркалирование - это самая примитивная технология избыточности, которая полностью копирует данные о определенной группе дисковых дисков в другую группу дисков, чтобы гарантировать, что всегда есть копия данных. По сравнению с 50% избыточными накладными расходом зеркалирования, паритет данных намного меньше, и он использует избыточную информацию о паритете для проверки и исправления данных. Технология избыточности RAID значительно улучшает доступность и надежность данных и гарантирует, что, когда несколько дисков не будут устранены, данные не будут потеряны и непрерывная работа системы не будет затронута.
- Управляемость: Фактически, RAID-это технология виртуализации, которая виртуализирует несколько физических дисковых дисков в логический диск с большой способностью. Для внешней системы хост RAID-это один, быстрый и надежный дисковый диск большой емкости. Таким образом, пользователи могут организовать и хранить данные системы приложений на этом виртуальном диске. С точки зрения пользовательского приложения, она может сделать систему хранения простыми и простыми в использовании и управлении. Поскольку RAID выполнил широкий объем управления хранением внутренне, администратору необходимо управлять только одним виртуальным диском, который может сэкономить много работ по управлению. RAID может динамически добавлять или удалять дисковые приводы и автоматически выполнять проверку данных и реконструкцию данных, что может значительно упростить работу по управлению.
Таким образом, RAID выделяется своей большой емкостью, высокой производительностью, повышенной надежностью и упрощенной управляемости. Эти преимущества делают его незаменимым решением для хранения в широком спектре приложений, удовлетворяя растущие потребности в данных современных вычислительных средами при обеспечении бесшовной работы и целостности данных.
Shenzhen Innovative Cloud Computer Co., Ltd.
