О дисковых массивах RAID

(С) Александр Фролов, 2002, http://www.frolov.pp.ru, http://www.DataRecovery.ru

Передовая технология хранения данных с применением массивов дисковых накопителей RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks - массивы недорогих дисков с избыточностью) получила в последнее широкое распространение. Не в последнюю очередь это связано с присущим таким массивам превосходным скоростным характеристикам, а также относительно невысокой стоимостью оборудования.

Тем не менее, установка и конфигурирование таких массивов может оказаться под силу только опытным системным администраторам, хорошо понимающим, что же они делают. Любые эксперименты с массивами RAID без предварительной теоретической подготовке может закончиться плачевно. Значительное количество фатальных случаев потерь данных в массивах RAID, с которым нам приходилось сталкиваться, происходили из-за ошибочных действий системных администраторов, пытающихся "любой ценой" восстановить работоспособность массива RAID.

Как устроены массивы RAID

Массивы RAID создаются на базе двух или большего количества дисковых накопителей, управляемых интеллектуальным менеджером. За счет избыточности при хранении информации на дисках массива, менеджер RAID позволяет добиться устойчивости к отказам дисковых накопителей.

Можно выделить две разновидности массивов RAID - логические и физические. В первом случае роль менеджера RAID, управляющим размещением данных на дисках, выступает программное обеспечение (драйвер операционной системы), а во втором - специальный интеллектуальный дисковый контроллер. Менеджер RAID может реализовать один из нескольких алгоритмов хранения данных, предполагающих увеличение надежности за счет введения избыточности. При этом выход из строя одного диска  не приведет к нарушению общей работоспособности массива.

Еще недавно массивы RAID создавались исключительно на базе дорогостоящих дисковых накопителей с интерфейсом SCSI, что несколько сужало область их применения. Обычно такие массивы использовались только на серверах с повышенными требованиями к надежности и быстродействию. Однако сегодны Вы можете создать массив RAID из недорогих дисков с интерфейсом IDE.

Более того, выпускаются системные платы компьютеров, на которых уже имеется контроллер RAID для дисков IDE. В результате массивы RAID стали использоваться не только на серверах, но и на мощных рабочих станциях.

Категории массивов RAID

Существует несколько категорий массивов RAID, обозначаемых как RAID 0, RAID 1, RAID 0+1, RAID 2, RAID 3, RAID 4 и RAID 5. Все они используют различную технику повышения надежности, причем чаще всего встречаются массивы RAID 0, RAID 1 и RAID 5 .

В массивах RAID любой категории надежность достигается за счет чередования (striping) - разделения данных одного и того же файла сразу на несколько дисков. Помимо повышения надежности, такое разделение приводит к увеличению скорости считывания файла, так как его фрагменты могут считываться одновременно с разных дисков. Дополнительно применяется технология исправления ошибок с помощью кодов коррекции ECC (Error Correction Code).

Хотя многие ОС, например, Microsoft Windows NT/2000/XP может создавать массивы RAID 0, RAID 1 и RAID 5 программным путем, целесообразно применять для этого специальные дисковые контроллеры, называемые RAID-контроллерами. При этом достигается максимальная гибкость и производительность, а также обеспечивается дополнительный контроль целостности данных.

Массив RAID 0 (Stripe set)

В массивах RAID 0 применяется простейшая техника чередования данных, при которой для записи файла последовательно используются дорожки с одинаковыми номерами, но расположенные на разных дисках. В массиве RAID 0 можно объединять два или более диска. В массивах RAID 0 данные записываются без избыточности, поэтому повышения надежности не происходит.

Тем не менее, такие массивы увеличивают скорость доступа к информации за счет того, что операции записи и чтения различных фрагментов файлов выполняются одновременно. Заметим, что одновременное выполнение этих операций обеспечивается дисковым контроллером.

Массив RAID 1 (Mirrored set)

В массивах RAID 1, которые должны содержать не менее двух дисков, применяется дублирование информации на зеркальных дисках. При этом контроллер может распараллеливать операции чтения, что повышает скорость выполнения этой операции.  Увеличение надежности хранения данных достигается за счет двойных затрат дисковой памяти.

Массив RAID 0+1 (Mirrored striped set)

Массивы этого типа используют технику чередования данных, характерную для массивов RAID 0, а также зеркалирование информации на нескльких дисках.

Массив RAID 2 (Striped set with ECC)

Массивы RAID 2 предлагают дополнительное увеличение надежности хранения информации за счет использования техники исправления ошибок с помощью кодов коррекции ECC (Error Correction Code). Часть накопителей дискового массива используется для хранения кодов коррекции. Если в одном из накопителей возникает сбой, информация восстанавливается по кодам коррекции.

Массив RAID 3 (Striped set with dedicated parity)

В этих массивах один из дисков применяется для хранения контрольных сумм. На него записывается сумма данных по модулю 2, вычисленная с применением логической операции XOR. Массивы RAID 3 должны содержать не менее трех дисков.

Массив RAID 4 (Striped set with dedicated parity)

Массив устроен и работает аналогично массиву RAID 3, однако в отличие от него не способен выполнять одновременные операции чтения и записи над несколькими дисками сразу.

Массив RAID 5 (Striped set with rotating parity)

Массивы RAID 5 используются чаще всего. При относительно небольших затратах они обеспечивают высокую надежность хранения данных, а также способны выполнять операции записи и считывания одновременно на разные диски. Это достигается применением техники чередования данных не только для записи файлов, но и для записи контрольных сумм.

Массив RAID 5 должен содержать не менее трех дисков, причем выход из строя одного диска не сказывается на общей работоспособности системы. Однако одновременная поломка двух или более дисков приводит к необратимым разрушениям данных.

Конфигурирование массивов RAID

Прежде чем использовать аппаратный дисковый массив RAID, необходимо установить драйвер RAID-контроллера и выполнить конфигурирование RAID-массива. Программа конфигурирования RAID-массива обычно находится в BIOS контроллера и запускается нажатием определенной комбинации клавиш при начальной инициализации системы.

В процессе конфигурирования требуется выбрать категорию создаваемого массива и распределить для него физические накопители дисков. Конфигурационные параметры сохраняются в перепрограммируемой FLASH-памяти контроллера. Процедура конфигрирования различна для контроллеров разных типов и моделей, поэтому без документации тут не обойтись.

Когда массив RAID сконфигурирован, операционная система сможет работать с ним как с физическим диском. С помощью стандартных средств Вы сможете создать на этом массиве разделы и логические диски, а затем отформатировать их.

Восстановление информации на массивах RAID

При отказе одного из дисковых накопителей массива RAID необходимо выполнить штатную процедуру восстановления, описанную в руководстве на контроллер. Как правило, после замены накопителя необходимо выполнить синхронизацию массива, в ходе которой на новый диск записывается необходимая инфомрация.

Однако часто из строя выходит не дисковый накопитель, а контроллер массива RAID. В частности, иногда пропадает информация о текущей конфигурации дисковых массивов, хранящаяся в памяти контроллера. В этом случае нужно попытаться вновь "собрать" дисковый массив при помощи программы конфигурирования. В ряде случаев таким образом удается восстановить доступ к данным, хранящимся в массиве.

Но будьте осторожны - если сделать ошибку при изменении конфигурации контроллера RAID, можно потерять данные навсегда. Внимательно читайте руководство на контроллер. Убедитесь, что Вы полностью понимаете смысл действий, выполняемых при конфигурировании.

Если же восстановить конфигурацию контроллера RAID не удалось, то в большинстве случаев данные массива RAID 5 будут потеряны навсегда. Что же касается заркальных массивов RAID 1, то при сохранении основных служебных структур файловой системы есть шансы восстановить данные, даже если операционная система не может смонтировать диск.