RAID-массивы, их уровни и RAID-контроллеры

Обеспечить стабильную работу физического сервера и бесперебойность сервисов – задача каждого системного администратора. Одна из сторон этого технологического многоугольника – безопасность данных, которая обычно решается двумя способами: резервным копированием и построением надежной архитектуры. Для того чтобы создать отказоустойчивую серверную систему, используются RAID-массивы. 

Что такое RAID и для чего он нужен

Перевод аббревиатуры RAID – «избыточный массив независимых дисков». Если говорить простым языком, то это дисковый массив, который состоит из нескольких связанных между собой накопителей. RAID-массив распознается системой как единое хранение данных вне зависимости от количества и типов задействованных в нем накопителей. Использование RAID позволяет повысить производительность дисков, либо сохранность данных, либо улучшить оба эти показателя одновременно. RAID массив может быть создан начиная от двух дисков до большого количества накопителей. Отказоустойчивость таких массивов обеспечивается не только сохранением данных при сбое, но и возможностью быстрого восстановления работы системы. Для организации дискового массива понадобится контроллер и немного теории.

Уровни RAID-массивов

Существуют разные классификации уровней RAID, среди которых есть базовые (RAID 0 – 6) и комбинированные. Не будем рассматривать все возможные, а разберем самые востребованные. При создании массивов данных лучше использовать носители с одинаковым объемом и набором характеристик. 

RAID 0

Конфигурация RAID 0 применяется для увеличения скорости чтения и записи данных. Для ее реализации требуется минимум 2 диска, которые объединяются в единый массив. Данные записываются на накопители поочередно и в равномерных пропорциях. Такое распределение задач в итоге дает увеличение скорости записи и общей производительности дисков. Количество используемых накопителей не ограничивается, а пользователю будет доступен весь объем дисков в массиве. 

RAID 0 позволяет объединять диски разных объемов и показателей скорости. Эти характеристики будут суммироваться, однако скорость будет рассчитываться по самому медленному из них. При сбое на одном из дисков пострадает весь RAID, что приведет к утрате всех хранящихся данных без возможности восстановления. Именно поэтому RAID 0 не считается надежной конфигурацией и при его использовании крайне важно регулярно делать резервные копии. 

RAID 1

Конфигурация примеряется для достижения надежности и резервирования данных. Минимальное количество дисков в таком массиве – 2. RAID 1 работает по принципу зеркалирования, когда один из двух дисков является дублирующим. Информация записывается параллельно на оба диска, при этом один накопитель является основным, а второй выполняет роль резервного. RAID 1 не влияет на скорость записи, но увеличивает скорость чтения.

При выходе из строя одного из дисков, данные будут сохранены на другом накопителе. Таким образом, два диска по объему и характеристикам превращаются в один, однако сохранность данных увеличивается вдвое. В RAID 1 можно собрать только четное количество накопителей, чей доступный объем будет составлять половину от общей величины массива, остальная часть будет использоваться под резервные задачи. 

Благодаря своей надежности конфигурация массива RAID 1 нашла широкое применение в серверном оборудовании. Такая система помогает повысить сохранность данных при бесперебойной работе устройства. Даже если на одном из серверных дисков произойдет сбой, данные будут сохранены на резервном накопителе. Создать такой массив можно как с помощью программного, так и в аппаратного RAID.

RAID 5

Конфигурация рассчитана для защиты данных в случае повреждения накопителей. Принцип его работы напоминает RAID 1, однако для его работы потребуется минимум 3 диска. Один из дисков всегда отводится для резервного хранения данных. Информация записывается сразу на несколько накопителей, что увеличивает показатели производительности. Тем не менее скорость чтения и записи также будет зависеть от RAID-контроллера. Для полного восстановления данных, выйти из строя может только 1 диск. Данный массив встречается в серверах и СХД, когда вместе собрано большое количество дисков. 

RAID 6

Версия 6 напоминает схему RAID 5, но в более надежной реализации. Так как система может пережить выход из строя сразу двух накопителей. Для конфигурации потребуется минимум 4 диска и производительный RAID-контроллер. Скорость чтения не изменится, но операции записи будет медленнее предыдущей версии рейда. Восстановление данных возможно с двух поврежденных дисков.

RAID 10 / 1+0

Конфигурация комбинирует в себе обе технологии массивов RAID 1 + 0. Минимальное количество дисков для построения такой системы – 4, где диски делятся по парам в зеркальном режиме работы RAID 1, а далее эти группы объединяются в технологию RAID 0.  То есть данные параллельно записываются на два диска с дублированием на их резервные накопители. За счет распределения задач и клонирования данных, увеличивается как общая производительность, так и надежность хранения информации. 

При использовании 4 дисков в массиве RAID 10 скорость чтения и записи увеличится в 2 раза, но их объем будет равен половине общей величины накопителей. В случае выхода из строя одного диска из каждой пары, то данные не потеряются. При выходе двух дисков из одной пары, данные будут утеряны.

RAID 01 / 0+1

Схема работы отличается от комбинации массива 10 своей последовательностью. В данном случае используемся минимум 4 диска, которые также делятся на пары. Эти две группы накопителей работают по схеме RAID 0, объединенные в модель RAID 1. Такой массив может быть построен на программном контроллере. 

Основное преимущество данной модели RAID – скорость работы. Полное восстановление данных доступно при выходе из строя дисков из одной группы. Тем не менее конфигурация 0+1 считается менее надежной, чем 1+0.

RAID 50 / 5+0

Конфигурация комбинирует в себе модели RAID 5 и 0, представляя улучшенную версию массива по скорости и безопасности. Минимальное количество дисков – 6, где две группы из трех накопителей образуют модель RAID 5, объединенные в схему RAID 0. Основное преимущество RAID 50 – высокая скорость записи и восстановления данных. При использовании большего количества дисков, производительность системы будет увеличиваться. Восстановление данных доступно при выходе из строя одного диска из каждой группы массива.

RAID 60 / 6+0

Комбинация 6 и 0 уровней RAID. Для создания массива потребуется минимум 8 дисков, которые будут разделены на две группы по четыре накопителя (модель RAID 6), объединенные в RAID 0. Такой массив обладает высокой скоростью чтения и передачи данных. Операции записи будут медленнее, чем у RAID 0 и 10. Конфигурация считается надежной, так как позволяет сохранить данные при одновременном выходе двух дисков из каждой группы. 

Какой уровень RAID выбрать

Выбор напрямую зависит от первоначальной цели рейда: увеличение скорости дисковой системы, повышение сохранности данных, либо комбинация этих задач. Для каждого из этих намерений есть наиболее подходящий тип массива. При выборе любой из представленных схем, создание резервных копий данных на внешние носители обязательна.

Для увеличения скорости системы хранения используется схема RAID 0, при которой параметры накопителей суммируются. Например, есть скорость операций одного диска достигает 500 МБ/с, то два накопителя в массиве могут выдавать скорость в 1000 МБ/с. Чем больше накопителей, тем быстрее массив. Надо также понимать, что общая скорость операций дисков не может превышать пропускные возможности порта или контроллера. В зависимости от типа дисков: SAS, SATA или SSD, а также их исходных параметров, результат может различаться. При большом количестве накопителей можно рассмотреть структуру RAID 50.

При построении отказоустойчивой системы с быстрым восстановлением данных, но без значительных улучшений по скорости, подойдут уровни RAID 1 или 6. Где схема 1 будет означать полную репликацию данных на дублирующий носитель из расчета один к одному. Это изначально более затратный вариант, так как предполагает двойную стоимость дискового пространства, но один из самых надежных. Уровень рейда 6 подойдет для применения большего количества дисков в массиве. Он более экономичен, но медленнее RAID 1. Этот вариант часто встречается в серверах и в корпоративных устройствах СХД.

К комбинированной версии массива, где достигается и отказоустойчивость и рост производительности, относятся RAID 10 и 60. Схема массива 1+0 считается и самой надежной и достаточно производительной, но имеет огромный недостаток – стоимость. Полезная емкость такого рейда составляет 50% – это половина объема всех используемых дисков. RAID 60 в свою очередь не сильно уступает по надежности, но и требует большего количества дисков для организации массива. 

Как создать RAID-массив

Для создания дискового массива нужен RAID-контроллер, который будет обеспечивать его функциональность. Контроллер может быть нескольких видов: программный (софтовый), интегрированный в материнскую плату, либо аппаратный. Поддерживаемый тип дисков, их возможное количество в массиве, а также уровень RAID будет зависеть от конфигурации контроллера.

RAID-контроллеры

Для создания дискового массива нужен контроллер. Он может быть нескольких видов: программный, интегрированный в материнскую плату, аппаратный.

Программный RAID

Cофтовый вариант рейда самый бюджетный и простой в использовании. Создайся за счет утилит в операционной системе и полностью от нее зависит. Это накладывает некоторые ограничения в виде сложностей со сменой версии ОС, уязвимость к вирусам и любым сбоям со стороны операционной системы. Работает полностью на ресурсах серверного процессора, который и выполняет функцию контроллера. Это образует дополнительную нагрузку на сервер и его производительность. Программный RAID считается достаточно медленным и ненадежным решением. Кроме того, этот тип поддерживает не все уровни RAID массивов и не все типы дисков. Лучшими схемами для программного рейда считаются 0, 1, 10. 

Аппаратный RAID

Модульный RAID-контроллер может быть как внутренним, так и внешним. Это отдельное устройство в виде платы расширения для слотов PCIe. Аппаратный RAID-контроллер обладает собственным процессором и кэш-памятью, небольшим блоком питания (опционально), что создает дополнительный уровень защиты и увеличивает производительность операций записи. Аппаратный рейд запускается через BIOS и никак не связан с ОС, а его работа не зависит от нагрузки на сервер и его процессор. Модульный рейд позволяет создать любые уровни массивов. Данный вариант считается самым надежным, производительным, но и наиболее затратным.

Интегрированный RAID

Эта версия ближе к программному RAID за исключением, что дополнительно используется встроенный в материнскую плату микрочип. Этот чип берет на себя определенную часть задач контроллера, но остальная нагрузка все-таки ложится на центральный процессор. Данные контроллеры могут иметь встроенную кэш-память в зависимости от спецификации системной платы. При выборе материнской серверной платы обращайте внимание на эти характеристики. Интегрированный рейд быстрее программного, но не сильно превосходит его по надежности. Более того, его также называют «Fake-RAID» из-за его «неполноценности».

Самый надежный контроллер – аппаратный. Он автономен, производителен, не влияет на работу центрального процессора, поддерживает любые уровни RAID массивов. Этот вариант идеально подходит для северов с требовательными приложениями, критическими данными или большим количеством накопителей. Аппаратный RAID обладает большими возможностями и потенциалом, чем его аналоги.

Какой RAID-контроллер выбрать

Эффективность массива данных будет зависеть напрямую от того, как он создан. Самым надежным способом считается аппаратный RAID. Именно такой вариант в большинстве случаев встречается на серверном оборудовании и СХД-устройствах. Самый большой и, пожалуй, единственный недостаток аппаратного RAID-контроллера заключается в его стоимости. Даже простая модель обойдется недешево. Но с другой стороны, стоимость потерянных данных может обойтись в разы дороже. Для организации объемных и надежных массивов, потребуются производительные контроллеры.  

При выборе RAID-контроллера в каждом отдельном случае нужно исходить из задач, которые стоят перед сервером. Количество поддерживаемых дисков, их тип, требуемое количество портов, – все это надо учитывать и проверять по характеристикам перед покупкой устройства.