RAID — čo to je, úrovne (0/1/5/6) a prehľad výhod

Rozdiel medzi fyzickými a logickými diskami

Pevný disk je súčasťou počítača. Bežné pevné disky používajú na ukladanie informácií magnetizmus. Keď sa používajú pevné disky, sú k dispozícii operačnému systému. V systéme Microsoft Windows dostane každý pevný disk písmeno jednotky (začínajúce sa písmenom C:, A: alebo B: sú vyhradené pre disketové jednotky). Operačné systémy typu Unix a Linux majú jednopísmenový adresárový strom. To znamená, že ľudia, ktorí používajú počítače, niekedy nevedia, kde sú uložené informácie (aby sme boli spravodliví, veľa používateľov systému Windows tiež nevie, kde sú uložené ich údaje).

V počítačoch sa pevné disky (ktoré sú hardvérom a možno sa ich dotknúť) niekedy nazývajú fyzické disky alebo fyzické disky. To, čo operačný systém zobrazuje používateľovi, sa niekedy nazýva logický disk. Fyzický disk možno rozdeliť na rôzne časti, ktoré sa nazývajú diskové oddiely. Zvyčajne každý diskový oddiel obsahuje jeden súborový systém. Operačný systém zobrazí každý oddiel ako logický disk.

Preto sa používateľovi bude zdať nastavenie s mnohými fyzickými diskami aj nastavenie s mnohými logickými diskami rovnaké. Používateľ sa nemôže rozhodnúť, či je "logický disk" rovnaký ako fyzický disk, alebo či je to jednoducho časť disku. Siete SAN (Storage Area Networks) tento pohľad úplne menia. Všetko, čo je v sieti SAN viditeľné, je množstvo logických diskov.

Čítanie a zápis údajov

V počítači sú údaje usporiadané vo forme bitov a bajtov. Vo väčšine systémov tvorí jeden bajt 8 bitov. Počítačová pamäť využíva na ukladanie údajov elektrinu, pevné disky využívajú magnetizmus. Preto sa pri zápise údajov na disk elektrický signál mení na magnetický. Pri čítaní údajov z disku sa konverzia uskutočňuje opačným smerom: Elektrický signál sa vytvorí z polarity magnetického poľa.

Čo je RAID?

Pole RAID spája dva alebo viac pevných diskov tak, že tvoria logický disk. Existujú rôzne dôvody, prečo sa to robí. Najčastejšie sa vyskytujú tieto dôvody:

• Zastavenie straty údajov pri zlyhaní jedného alebo viacerých diskov poľa.
• Získanie rýchlejších dátových prenosov.
• Získanie možnosti meniť disky počas behu systému.
• Spojenie niekoľkých diskov na získanie väčšej úložnej kapacity; niekedy sa namiesto jedného drahšieho disku použije veľa lacných diskov.

RAID sa vykonáva pomocou špeciálneho hardvéru alebo softvéru v počítači. Spojené pevné disky sa potom pre používateľa javia ako jeden pevný disk. Väčšina úrovní RAID zvyšuje redundanciu. To znamená, že ukladajú údaje častejšie alebo ukladajú informácie o tom, ako údaje rekonštruovať. Vďaka tomu môže zlyhať viacero diskov bez toho, aby sa stratili údaje. Pri výmene zlyhaného disku sa údaje, ktoré by mal obsahovať, skopírujú alebo obnovia z ostatných diskov systému. To môže trvať dlho. Čas, ktorý to trvá, závisí od rôznych faktorov, napríklad od veľkosti poľa.

Prečo používať RAID?

Jedným z dôvodov, prečo mnohé spoločnosti používajú RAID, je to, že údaje v poli možno jednoducho použiť. Tí, ktorí tieto údaje používajú, si vôbec nemusia byť vedomí, že používajú RAID. Keď nastane porucha a pole sa obnovuje, prístup k údajom bude pomalší. Prístup k údajom počas tohto obdobia tiež spomalí proces obnovy, ale stále je to oveľa rýchlejšie, ako keby ste s údajmi nemohli pracovať vôbec. V závislosti od úrovne RAID však disky nemusia zlyhať, kým sa nový disk pripravuje na použitie. Zlyhanie disku v tomto čase bude mať za následok stratu všetkých údajov v poli.

Rôzne spôsoby spájania diskov sa nazývajú úrovne RAID. Väčšie číslo úrovne nemusí byť nevyhnutne lepšie. Rôzne úrovne RAID majú rôzne účely. Niektoré úrovne RAID potrebujú špeciálne disky a špeciálne radiče.

História

V roku 1978 muž menom Norman Ken Ouchi, ktorý pracoval v spoločnosti IBM, predložil návrh, v ktorom opísal plány na to, čo sa neskôr stalo RAID 5. V plánoch sa opisovalo aj niečo podobné ako RAID 1, ako aj ochrana časti RAID 4.

Pracovníci univerzity v Berkeley pomohli naplánovať výskum v roku 1987. Snažili sa umožniť, aby technológia RAID rozpoznala dva pevné disky namiesto jedného. Zistili, že keď má technológia RAID dva pevné disky, má oveľa lepšie úložisko ako pri použití len jedného pevného disku. Oveľa častejšie však dochádzalo k poruchám.

V roku 1988 o rôznych typoch RAID (1 až 5) písali David Patterson, Garth Gibson a Randy Katz vo svojom článku s názvom "A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID)". V tomto článku sa nová technológia ako prvá nazvala RAID a názov sa stal oficiálnym.

RAID využíva niekoľko základných myšlienok, ktoré boli opísané v článku "RAID: High-Performance, Reliable Secondary Storage" od Petra Chena a ďalších, publikovanom v roku 1994.

Ukladanie do vyrovnávacej pamäte

Ukladanie do vyrovnávacej pamäte je technológia, ktorá má svoje využitie aj v systémoch RAID. V systémoch RAID sa používajú rôzne druhy vyrovnávacích pamätí:

• Operačný systém
• Radič RAID
• Podnikové diskové pole

V moderných systémoch sa požiadavka na zápis zobrazí ako vykonaná, keď sa údaje zapíšu do vyrovnávacej pamäte. To neznamená, že údaje boli zapísané na disk. Požiadavky z vyrovnávacej pamäte nemusia byť nevyhnutne spracované v rovnakom poradí, v akom boli zapísané do vyrovnávacej pamäte. To spôsobuje, že v prípade zlyhania systému niekedy niektoré údaje neboli zapísané na príslušný disk. Z tohto dôvodu má mnoho systémov vyrovnávaciu pamäť, ktorá je zálohovaná batériou.

Zrkadlenie: Viac ako jedna kópia údajov

Keď hovoríme o zrkadle, ide o veľmi jednoduchú myšlienku. Namiesto toho, aby boli údaje len na jednom mieste, existuje niekoľko kópií údajov. Tieto kópie sa zvyčajne nachádzajú na rôznych pevných diskoch (alebo diskových oddieloch). Ak existujú dve kópie, jedna z nich môže zlyhať bez toho, aby to malo vplyv na údaje (pretože sú stále na druhej kópii). Zrkadlenie môže tiež poskytnúť podporu pri čítaní údajov. Budú sa vždy preberať z najrýchlejšie reagujúceho disku. Zápis údajov je však pomalší, pretože je potrebné aktualizovať všetky disky.

Pruhovanie: Časť údajov je na inom disku

Pri rozdeľovaní údajov do prúžkov sa údaje rozdelia na rôzne časti. Tieto časti sa potom nachádzajú na rôznych diskoch (alebo diskových oddieloch). To znamená, že zápis údajov je rýchlejší, pretože sa môže vykonávať paralelne. To však neznamená, že nedôjde k chybám, pretože každý blok údajov sa nachádza len na jednom disku.

Oprava chýb a porúch

Je možné vypočítať rôzne druhy kontrolných súčtov. Niektoré metódy výpočtu kontrolných súčtov umožňujú nájsť chybu. To dokáže väčšina úrovní RAID, ktoré využívajú redundanciu. Niektoré metódy sú náročnejšie, ale umožňujú nielen odhaliť chybu, ale ju aj opraviť.

Hot spares: používanie väčšieho počtu diskov, ako je potrebné

Mnohé spôsoby podpory RAID sa nazývajú hot spare. Hot spare je prázdny disk, ktorý sa v bežnej prevádzke nepoužíva. Pri poruche disku sa môžu údaje priamo skopírovať na horúci záložný disk. Týmto spôsobom je potrebné nahradiť zlyhaný disk novým prázdnym diskom, ktorý sa stane hot spare.

Veľkosť prúžkov a veľkosť častí: rozloženie údajov na niekoľko diskov

RAID funguje tak, že sa údaje rozložia na niekoľko diskov. V tejto súvislosti sa často používajú dva pojmy: veľkosť pruhu a veľkosť časti.

Veľkosť časti je najmenší blok údajov, ktorý sa zapíše na jeden disk poľa. Veľkosť prúžku je veľkosť bloku dát, ktorý sa rozloží na všetky disky. Takto sa pri štyroch diskoch a veľkosti prúžku 64 kilobajtov (kB) na každý disk zapíše 16 kB. Veľkosť bloku v tomto príklade je teda 16 kB. Zväčšenie veľkosti pruhu bude znamenať vyššiu rýchlosť prenosu údajov, ale aj väčšie maximálne oneskorenie. V tomto prípade je to čas potrebný na získanie bloku údajov.

Zostavenie disku: JBOD, spájanie alebo rozprestieranie

Mnohé radiče (a tiež softvér) dokážu spojiť disky nasledujúcim spôsobom: Vezmú prvý disk, kým sa neskončí, potom vezmú druhý atď. Týmto spôsobom sa niekoľko menších diskov tvári ako jeden väčší. V skutočnosti to nie je RAID, pretože tu nie je žiadna redundancia. Rozšírenie môže kombinovať aj disky, pri ktorých RAID 0 nemôže robiť nič. Všeobecne sa to nazýva len skupina diskov (JBOD).

Je to niečo ako vzdialený príbuzný RAID, pretože logický disk sa skladá z rôznych fyzických diskov. Konkatenácia sa niekedy používa na premenu niekoľkých malých diskov na jeden väčší užitočný disk. To sa pri RAID 0 nedá urobiť. Napríklad JBOD môže spojiť 3 GB, 15 GB, 5,5 GB a 12 GB disky do logickej jednotky s kapacitou 35,5 GB, ktorá je často užitočnejšia ako samotné disky.

Na obrázku vpravo sú údaje spojené od konca disku 0 (blok A63) po začiatok disku 1 (blok A64); koniec disku 1 (blok A91) po začiatok disku 2 (blok A92). Ak by sa použil RAID 0, potom by sa disk 0 a disk 2 skrátili na 28 blokov, čo je veľkosť najmenšieho disku v poli (disk 1) s celkovou veľkosťou 84 blokov.

Niektoré radiče RAID používajú JBOD, aby hovorili o práci s diskami bez funkcií RAID. Každý disk sa v operačnom systéme zobrazuje samostatne. Tento JBOD nie je to isté ako konkatenácia.

V mnohých systémoch Linux sa používajú pojmy "lineárny režim" alebo "režim pripájania". Implementácia v systéme Mac OS X 10.4 - nazývaná "Súhrnná disková sada" - nenecháva používateľovi žiadne použiteľné údaje na zvyšných diskoch, ak jeden disk v súhrnnej diskovej sade zlyhá, hoci disky inak fungujú tak, ako je opísané vyššie.

Zlučovanie je jedným z použití Správcu logických zväzkov v systéme Linux. Možno ho použiť na vytvorenie virtuálnych jednotiek.

Klonovanie jednotky

Väčšina moderných pevných diskov má štandard nazývaný technológia Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T). SMART umožňuje monitorovať určité veci na jednotke pevného disku. Niektoré radiče umožňujú vymeniť jeden pevný disk ešte pred jeho zlyhaním, napríklad preto, že S.M.A.R.T alebo iný test disku hlási príliš veľa opraviteľných chýb. Na tento účel radič skopíruje všetky údaje na záložný disk. Potom môže byť disk nahradený iným (ktorý sa jednoducho stane novým hot spare).

Rôzne nastavenia

Nastavenie diskov a spôsob použitia vyššie uvedených techník ovplyvňuje výkon a spoľahlivosť systému. Ak sa používa viac diskov, je väčšia pravdepodobnosť, že jeden z diskov zlyhá. Z tohto dôvodu je potrebné vytvoriť mechanizmy, ktoré budú schopné nájsť a opraviť chyby. Tým sa celý systém stáva spoľahlivejším, pretože je schopný prežiť a opraviť poruchu.

Bežne používané úrovne RAID

RAID 0 "striping"

RAID 0 v skutočnosti nie je RAID, pretože nie je redundantný. Pri RAID 0 sa disky jednoducho spoja do jedného veľkého disku. Tento postup sa nazýva "striping". Keď jeden disk zlyhá, zlyhá celé pole. Preto sa RAID 0 zriedka používa na dôležité údaje, ale čítanie a zápis údajov z disku môže byť pri stripingu rýchlejšie, pretože každý disk číta časť súboru súčasne.

Pri RAID 0 sú diskové bloky, ktoré nasledujú za sebou, zvyčajne umiestnené na rôznych diskoch. Z tohto dôvodu by mali mať všetky disky používané v RAID 0 rovnakú veľkosť.

RAID 0 sa často používa pre Swapspace v operačných systémoch Linux alebo Unix-like.

RAID 1 "zrkadlenie"

Pri RAID 1 sa spoja dva disky. Na oboch sú uložené rovnaké údaje, jeden "zrkadlí" druhý. Ide o jednoduchú a rýchlu konfiguráciu, či už realizovanú hardvérovým radičom alebo softvérovo.

RAID 5 "Striping s distribuovanou paritou"

Úroveň RAID 5 sa pravdepodobne používa najčastejšie. Na vytvorenie poľa RAID 5 sú potrebné aspoň tri pevné disky. Každý blok údajov bude uložený na troch rôznych miestach. Na dvoch z týchto miest sa uloží blok v pôvodnom stave, na treťom sa uloží kontrolný súčet. Tento kontrolný súčet je špeciálnym prípadom Reed-Solomonovho kódu, ktorý používa iba bitové sčítanie. Zvyčajne sa počíta metódou XOR. Keďže táto metóda je symetrická, jeden stratený dátový blok možno obnoviť z druhého dátového bloku a kontrolného súčtu. Pre každý blok bude na inom disku uložený paritný blok, ktorý obsahuje kontrolný súčet. Toto sa robí na zvýšenie redundancie. Zlyhať môže ktorýkoľvek disk. Celkovo bude kontrolné súčty držať jeden disk, takže celková využiteľná kapacita bude zodpovedať kapacite všetkých diskov okrem jedného. Veľkosť výsledného logického disku bude veľkosť všetkých diskov spolu, okrem jedného disku, ktorý obsahuje paritné informácie.

Samozrejme, že je to pomalšie ako úroveň RAID 1, pretože pri každom zápise je potrebné prečítať všetky disky, aby sa vypočítali a aktualizovali informácie o parite. Výkonnosť čítania v RAID 5 je pri rovnakom počte diskov takmer rovnaká ako v RAID 0. Okrem paritných blokov sa rozloženie údajov na diskoch riadi rovnakým modelom ako pri RAID 0. Dôvodom, prečo je RAID 5 o niečo pomalší, je, že disky musia preskočiť paritné bloky.

RAID 5 so zlyhaným diskom bude naďalej fungovať. Je v zhoršenom režime. Degradovaný RAID 5 môže byť veľmi pomalý. Z tohto dôvodu sa často pridáva ďalší disk. Tento disk sa nazýva hot spare disk. Ak disk zlyhá, údaje sa môžu priamo obnoviť na dodatočný disk. RAID 5 sa dá pomerne jednoducho vytvoriť aj softvérovo.

Hlavne kvôli problémom s výkonom neúspešných polí RAID 5 vytvorili niektorí databázoví experti skupinu s názvom BAARF - Battle Against Any Raid Five.

Ak systém zlyhá počas aktívneho zápisu, môže sa stať, že parita prúžku nebude konzistentná s údajmi. Ak sa to neopraví pred zlyhaním disku alebo bloku, môže dôjsť k strate údajov. Nesprávna parita sa použije na rekonštrukciu chýbajúceho bloku v danom prúžku. Tento problém sa niekedy označuje ako "diera pre zápis". Na zníženie pravdepodobnosti výskytu tohto javu sa bežne používajú vyrovnávacie pamäte s batériou a podobné techniky.

Obrázky

Menej používané úrovne RAID

RAID 2

Používal sa pri veľmi veľkých počítačoch. Na použitie RAID Level 2 sú potrebné špeciálne drahé disky a špeciálny radič. Dáta sa distribuujú na bitovej úrovni (všetky ostatné úrovne používajú akcie na úrovni bajtov). Vykonávajú sa špeciálne výpočty. Údaje sa rozdelia na statické sekvencie bitov. Dáva sa dohromady 8 dátových bitov a 2 paritné bity. Potom sa vypočíta Hammingov kód. Fragmenty Hammingovho kódu sa potom rozdelia na rôzne disky.

RAID 2 je jediná úroveň RAID, ktorá dokáže opraviť chyby, ostatné úrovne RAID ich dokážu iba odhaliť. Keď zistia, že potrebná informácia nemá zmysel, jednoducho ju prestavia. To sa vykonáva pomocou výpočtov, pričom sa využívajú informácie na ostatných diskoch. Ak tieto informácie chýbajú alebo sú nesprávne, nemôžu veľa urobiť. Keďže RAID 2 používa Hammingove kódy, dokáže zistiť, ktorá časť informácie je chybná, a opraviť len túto časť.

RAID 2 potrebuje na fungovanie aspoň 10 diskov. Z dôvodu zložitosti a potreby veľmi drahého a špeciálneho hardvéru sa RAID 2 už veľmi nepoužíva.

RAID 3 "Striping s vyhradenou paritou"

Úroveň RAID 3 je podobná ako úroveň RAID 0. Pridáva sa ďalší disk na ukladanie paritných informácií. To sa vykonáva bitovým sčítaním hodnoty bloku na ostatných diskoch. Paritné informácie sú uložené na samostatnom (vyhradenom) disku. To nie je dobré, pretože ak sa paritný disk pokazí, paritné informácie sa stratia.

Úroveň RAID 3 sa zvyčajne vykonáva s najmenej 3 diskami. Nastavenie s dvoma diskami je identické s RAID Level 0.

RAID 4 "Striping s vyhradenou paritou"

Je to veľmi podobné RAID 3, až na to, že paritné informácie sa vypočítavajú z väčších blokov, a nie z jednotlivých bajtov. Je to ako RAID 5. Pre pole RAID 4 sú potrebné aspoň tri disky.

RAID 6

Úroveň RAID 6 nebola pôvodnou úrovňou RAID. Pridáva do poľa RAID 5 ďalší paritný blok. Potrebuje minimálne štyri disky (dva disky pre kapacitu, dva disky pre redundanciu). RAID 5 možno považovať za špeciálny prípad Reed-Solomonovho kódu. RAID 5 je však špeciálny prípad, potrebuje iba sčítanie v Galoisovom poli GF(2). To sa dá ľahko vykonať pomocou XOR. RAID 6 tieto výpočty rozširuje. Už to nie je špeciálny prípad a je potrebné vykonať všetky výpočty. Pri RAID 6 sa používa dodatočný kontrolný súčet (tzv. polynóm), zvyčajne z GF (²⁸). Pri tomto prístupe je možné chrániť pred ľubovoľným počtom zlyhaných diskov. RAID 6 je určený pre prípad použitia dvoch kontrolných súčtov na ochranu proti strate dvoch diskov.

Podobne ako pri RAID 5 sú parita a dáta na rôznych diskoch pre každý blok. Dva paritné bloky sú tiež umiestnené na rôznych diskoch.

Existujú rôzne spôsoby, ako vytvoriť RAID 6. Líšia sa vo výkone zápisu a v tom, koľko výpočtov je potrebných. Možnosť rýchlejšieho zápisu zvyčajne znamená, že je potrebných viac výpočtov.

RAID 6 je pomalší ako RAID 5, ale umožňuje pokračovať v práci v RAID aj v prípade zlyhania dvoch diskov. RAID 6 sa stáva populárnym, pretože umožňuje obnoviť pole po zlyhaní jedného disku, aj keď má jeden zo zostávajúcich diskov jeden alebo viac chybných sektorov.

Obrázky

Neštandardné úrovne RAID

Dvojitá parita / diagonálna parita

RAID 6 používa dva paritné bloky. Tie sa počítajú špeciálnym spôsobom cez polynóm. RAID s dvojitou paritou (nazývaný aj RAID s diagonálnou paritou) používa pre každý z týchto paritných blokov iný polynóm. Nedávno priemyselné združenie, ktoré definovalo RAID, uviedlo, že RAID s dvojitou paritou je iná forma RAID 6.

RAID-DP

RAID-DP je ďalší spôsob dvojitej parity.

RAID 1.5

RAID 1.5 (nezamieňať s RAID 15, ktorý je odlišný) je proprietárna implementácia RAID. Podobne ako RAID 1 využíva len dva disky, ale vykonáva prekrývanie aj zrkadlenie (podobne ako RAID 10). Väčšina vecí sa vykonáva hardvérovo.

RAID 5E, RAID 5EE a RAID 6E

RAID 5E, RAID 5EE a RAID 6E (s pridaným E ako Enhanced) sa vo všeobecnosti vzťahujú na rôzne typy RAID 5 alebo RAID 6 s hot spare. Pri týchto implementáciách nie je jednotka hot spare fyzickou jednotkou. Skôr existuje vo forme voľného miesta na diskoch. To zvyšuje výkon, ale znamená to, že hot spare sa nedá zdieľať medzi rôznymi poľami. Túto schému zaviedla spoločnosť IBM ServeRAID okolo roku 2001.

RAID 7

Ide o proprietárnu implementáciu. Pridáva vyrovnávaciu pamäť do poľa RAID 3 alebo RAID 4.

Intel Matrix RAID

Niektoré základné dosky Intel majú čip RAID s touto funkciou. Využíva dva alebo tri disky a potom ich rovnomerne rozdelí a vytvorí kombináciu úrovní RAID 0, RAID 1, RAID 5 alebo RAID 1+0.

Ovládač Linux MD RAID

Toto je názov ovládača, ktorý umožňuje vytvárať softvérový RAID v systéme Linux. Okrem bežných úrovní RAID 0-6 má aj implementáciu RAID 10. Od jadra 2.6.9 je RAID 10 jednoúrovňový. Implementácia má niektoré neštandardné vlastnosti.

RAID Z

Spoločnosť Sun implementovala súborový systém s názvom ZFS. Tento súborový systém je optimalizovaný na spracovanie veľkého množstva údajov. Jeho súčasťou je správca logických zväzkov. Obsahuje aj funkciu RAID-Z. Vyhýba sa problému nazývanému RAID 5 write hole (diera na zápis), pretože má politiku copy-on-write (kopírovanie pri zápise): Neprepisuje údaje priamo, ale zapisuje nové údaje na nové miesto na disku. Keď bol zápis úspešný, staré údaje sa vymažú. Vyhýba sa tak potrebe operácií čítanie-zmena-zápis pre malé zápisy, pretože zapisuje len celé pásy. Malé bloky sú zrkadlené namiesto chránených paritou, čo je možné, pretože súborový systém pozná spôsob organizácie úložiska. Môže preto v prípade potreby prideliť dodatočné miesto. Existuje aj RAID-Z2, ktorý využíva dve formy parity na dosiahnutie podobných výsledkov ako RAID 6: schopnosť prežiť až dve zlyhania disku bez straty údajov.

Obrázky

Pomocou RAID možno rôzne disky spojiť do logického disku.Používateľ uvidí len logický disk. Každá z uvedených úrovní RAID má svoje dobré a zlé stránky. RAID však môže fungovať aj s logickými diskami. Takto možno použiť jednu z vyššie uvedených úrovní RAID so súborom logických diskov. Mnohí ľudia to zaznamenávajú tak, že čísla píšu spolu. Niekedy medzi ne napíšu "+" alebo "&". Bežné kombinácie (s použitím dvoch úrovní) sú tieto:

• RAID 0+1: Dve alebo viac polí RAID 0 sú spojené do poľa RAID 1; Toto sa nazýva zrkadlenie pruhov
• RAID 1+0: Rovnako ako RAID 0+1, ale úrovne RAID sú obrátené; Stripe of Mirrors. Vďaka tomu je zlyhanie disku zriedkavejšie ako pri vyššie uvedenom RAID 0+1.
• RAID 5+0: Prepojenie niekoľkých diskov RAID 5 s RAID 0. Jeden disk každého poľa RAID 5 môže zlyhať, ale tento RAID 5 je jediným bodom zlyhania; ak zlyhá iný disk tohto poľa, všetky údaje poľa sa stratia.
• RAID 5+1: V situáciách, keď je RAID zložený zo šiestich diskov, môžu zlyhať ktorékoľvek tri disky (bez straty údajov).
• RAID 6+0: Prepojenie niekoľkých polí RAID 6 cez pole RAID 0; dva disky každého poľa RAID 6 môžu zlyhať bez straty údajov.

So šiestimi diskami s kapacitou 300 GB každý, čo predstavuje celkovú kapacitu 1,8 TB, je možné vytvoriť RAID 5 s 1,5 TB využiteľného priestoru. V tomto poli môže jeden disk zlyhať bez straty údajov. Pri RAID 50 sa priestor zmenší na 1,2 TB, ale jeden disk každého RAID 5 môže zlyhať a navyše sa citeľne zvýši výkon. Pole RAID 51 znižuje využiteľnú veľkosť na 900 GB, ale umožňuje zlyhanie ľubovoľných troch diskov.

Existujú rôzne spôsoby, ako vytvoriť RAID. Môže sa to urobiť buď softvérovo, alebo hardvérovo.

Softvérový RAID

RAID možno vytvoriť softvérovo dvoma rôznymi spôsobmi. V prípade softvérového RAID sú disky pripojené ako bežné pevné disky. O fungovanie RAID sa stará počítač. To znamená, že pri každom prístupe musí procesor vykonať aj výpočty pre RAID. Výpočty pre RAID 0 alebo RAID 1 sú jednoduché. Výpočty pre RAID 5, RAID 6 alebo jednu z kombinovaných úrovní RAID však môžu byť veľmi náročné. V prípade softvérového RAID môže byť automatické spustenie systému z poľa, ktoré zlyhalo, náročné. Napokon, spôsob, akým sa RAID vykonáva v softvéri, závisí od použitého operačného systému; vo všeobecnosti nie je možné znovu zostaviť pole softvérového RAID s iným operačným systémom. Operačné systémy zvyčajne používajú na vytvorenie polí RAID skôr oddiely pevného disku ako celé pevné disky.

Hardvérový RAID

RAID možno vytvoriť aj hardvérovo. V tomto prípade sa používa špeciálny diskový radič; táto karta radiča skrýva pred operačným systémom a používateľom skutočnosť, že vykonáva RAID. Výpočty informácií o kontrolnom súčte a ďalšie výpočty súvisiace s RAID sa vykonávajú na špeciálnom mikročipe v tomto radiči. Vďaka tomu je RAID nezávislý od operačného systému. Operačný systém neuvidí RAID, uvidí len jeden disk. Rôzni výrobcovia robia RAID rôznymi spôsobmi. To znamená, že RAID vytvorený pomocou jedného hardvérového radiča RAID nemožno obnoviť pomocou iného radiča RAID iného výrobcu. Hardvérové radiče RAID sú často drahé.

Hardvérovo podporovaný RAID

Ide o kombináciu hardvérového RAID a softvérového RAID. Hardvérový RAID používa špeciálny čip radiča (ako hardvérový RAID), ale tento čip nemôže vykonávať mnoho operácií. Je aktívny len pri spustení systému; akonáhle je operačný systém plne načítaný, táto konfigurácia je ako softvérový RAID. Niektoré základné dosky majú funkcie RAID pre pripojené disky; najčastejšie sa tieto funkcie RAID vykonávajú ako hardvérovo podporovaný RAID. To znamená, že je potrebný špeciálny softvér, aby bolo možné používať tieto funkcie RAID a aby bolo možné obnoviť zlyhanie disku.

V súvislosti s poruchami hardvéru sa používajú rôzne termíny:

Miera zlyhania

Miera zlyhania je miera zlyhania, ktorá určuje, ako často systém zlyháva. Stredná doba do poruchy (MTTF) alebo stredná doba medzi poruchami (MTBF) systému RAID je rovnaká ako u jeho komponentov. Systém RAID totiž nemôže chrániť pred zlyhaním svojich jednotlivých pevných diskov. Zložitejšie typy RAID (všetko nad rámec "stripingu" alebo "concatenation") však môžu pomôcť zachovať údaje neporušené aj v prípade zlyhania jednotlivého pevného disku.

Priemerný čas do straty údajov

Stredný čas do straty údajov (MTTDL) udáva priemerný čas, za ktorý dôjde k strate údajov v danom poli. Stredný čas do straty údajov daného RAID môže byť vyšší alebo nižší ako u jeho pevných diskov. Závisí to od použitého typu RAID.

Priemerný čas do obnovy

Diskové polia s redundanciou sa môžu zotaviť z niektorých zlyhaní. Priemerný čas do obnovy ukazuje, ako dlho trvá, kým sa zlyhané pole vráti do normálneho stavu. K tomu sa pripočítava čas na výmenu zlyhaného diskového mechanizmu, ako aj čas na opätovné zostavenie poľa (t. j. replikáciu údajov pre redundanciu).

Neobnoviteľná bitová chybovosť

Neobnoviteľná bitová chybovosť (UBE) udáva, ako dlho nebude disková jednotka schopná obnoviť údaje po použití kódov cyklickej redundancie (CRC) a viacnásobných opakovaných pokusov.

Existujú aj určité problémy s myšlienkami alebo technológiami, ktoré stoja za RAID:

Pridanie diskov neskôr

Niektoré úrovne RAID umožňujú rozšíriť pole jednoduchým pridaním pevných diskov v neskoršom čase. Informácie, ako napríklad paritné bloky, sú často rozptýlené na viacerých diskoch. Pridanie disku do poľa znamená, že je potrebná reorganizácia. Takáto reorganizácia je ako opätovné zostavenie poľa, môže trvať dlho. Keď sa vykoná, dodatočné miesto ešte nemusí byť k dispozícii, pretože o tom musí byť informovaný systém súborov na poli aj operačný systém. Niektoré súborové systémy nepodporujú, aby sa zväčšovali po ich vytvorení. V takom prípade je potrebné zálohovať všetky údaje, znovu vytvoriť pole s novým rozložením a obnoviť naň údaje.

Ďalšou možnosťou pridania úložiska je vytvoriť nové pole a nechať situáciu riešiť správcom logických zväzkov. To umožňuje zväčšiť takmer akýkoľvek systém RAID, dokonca aj RAID1 (ktorý je sám o sebe obmedzený na dva disky).

Súvisiace zlyhania

Mechanizmus opravy chýb v RAID predpokladá, že zlyhania diskov sú nezávislé. Je možné vypočítať, ako často môže zariadenie zlyhať, a usporiadať pole tak, aby bola strata údajov veľmi nepravdepodobná.

V praxi sa však disky často kupovali spoločne. Majú približne rovnaký vek a boli podobne používané (tzv. opotrebovanie). Mnohé disky zlyhávajú kvôli mechanickým problémom. Čím je pohon starší, tým sú jeho mechanické časti opotrebovanejšie. Mechanické časti, ktoré sú staré, majú väčšiu pravdepodobnosť zlyhania ako tie, ktoré sú mladšie. To znamená, že poruchy pohonov už nie sú štatisticky nezávislé. V praxi existuje pravdepodobnosť, že aj druhý disk zlyhá skôr, ako sa obnoví prvý. To znamená, že v praxi môže dôjsť k výraznej strate údajov.

Atomicita

Ďalším problémom, ktorý sa vyskytuje aj pri systémoch RAID, je, že aplikácie očakávajú tzv. atomicitu: Buď sa zapíšu všetky údaje, alebo žiadne. Zápis údajov sa nazýva transakcia.

V poliach RAID sa nové údaje zvyčajne zapisujú na miesto, kde boli staré údaje. Tento postup je známy ako aktualizácia na mieste. Jim Gray, výskumník v oblasti databáz, napísal v roku 1981 článok, v ktorom opísal tento problém.

Len veľmi málo úložných systémov umožňuje atómový zápis. Keď sa objekt zapisuje na disk, úložné zariadenie RAID zvyčajne zapisuje všetky kópie objektu paralelne. Veľmi často je za zápis údajov zodpovedný len jeden procesor. V takom prípade sa zápisy údajov na rôzne disky budú prekrývať. Tento jav je známy ako prekrývajúci sa zápis alebo rozložený zápis. Chyba, ktorá sa vyskytne počas procesu zápisu, môže preto spôsobiť, že redundantné kópie budú v rôznych stavoch. Čo je ešte horšie, kópie nemusia zostať ani v starom, ani v novom stave. Zápis sa však spolieha na to, že pôvodné údaje sú buď v starom, alebo v novom stave. To umožňuje zálohovanie logickej zmeny, ale len málo systémov ukladania dát poskytuje sémantiku atomického zápisu na disku RAID.

Tento problém sa dá vyriešiť použitím vyrovnávacej pamäte na zápis s batériou, ale len v prípade výpadku napájania.

Podpora transakcií nie je prítomná vo všetkých hardvérových radičoch RAID. Preto ju mnohé operačné systémy obsahujú na ochranu pred stratou údajov počas prerušeného zápisu. Novell Netware od verzie 3.x obsahoval systém sledovania transakcií. Spoločnosť Microsoft zaviedla sledovanie transakcií prostredníctvom funkcie žurnálovania v systéme NTFS. Súborový systém NetApp WAFL to rieši tak, že nikdy neaktualizuje údaje na mieste, rovnako ako ZFS.

Neobnoviteľné údaje

Niektoré sektory na pevnom disku sa mohli stať nečitateľnými z dôvodu chyby. Niektoré implementácie RAID dokážu túto situáciu riešiť presunutím údajov na iné miesto a označením sektora na disku ako chybného. K tomu dochádza približne v 1 bite z ¹⁰¹⁵ v diskových jednotkách podnikovej triedy a v 1 bite z ¹⁰¹⁴ v bežných diskových jednotkách. Kapacity diskov sa neustále zvyšujú. To môže znamenať, že niekedy sa pole RAID nedá obnoviť, pretože takáto chyba sa zistí pri obnove poľa po zlyhaní disku. Niektoré technológie, ako napríklad RAID 6, sa snažia tento problém riešiť, ale trpia veľmi vysokou penalizáciou zápisu, inými slovami, zápis údajov sa stáva veľmi pomalým.

Spoľahlivosť zápisu do vyrovnávacej pamäte

Diskový systém môže potvrdiť operáciu zápisu hneď, ako sú údaje v medzipamäti. Nemusí čakať, kým sa údaje fyzicky zapíšu. Každý výpadok napájania však potom môže znamenať výraznú stratu všetkých údajov uložených v takejto vyrovnávacej pamäti.

Pri hardvérovom RAID možno na ochranu tejto vyrovnávacej pamäte použiť batériu. Tým sa problém často vyrieši. Pri výpadku napájania môže radič dokončiť zápis do vyrovnávacej pamäte, keď sa napájanie obnoví. Toto riešenie však stále môže zlyhať: batéria sa mohla opotrebovať, napájanie mohlo byť vypnuté príliš dlho, disky mohli byť presunuté na iný radič, mohol zlyhať samotný radič. Niektoré systémy môžu vykonávať pravidelné kontroly batérie, ale tie využívajú samotnú batériu a nechávajú ju v stave, keď nie je úplne nabitá.

Kompatibilita zariadenia

Formáty diskov na rôznych radičoch RAID nemusia byť kompatibilné. Preto nemusí byť možné čítať pole RAID na rôznom hardvéri. V dôsledku toho môže byť pri zlyhaní iného ako diskového hardvéru potrebné na obnovu údajov použiť identický hardvér alebo zálohu.

Tento návod bol prevzatý z vlákna na fóre súvisiacom s RAID. Bolo to urobené s cieľom pomôcť poukázať na výhody a nevýhody výberu RAID. Je určená ľuďom, ktorí si chcú zvoliť RAID buď pre zvýšenie výkonu, alebo pre redundanciu. Obsahuje odkazy na ďalšie vlákna na svojom fóre, ktoré obsahujú neoficiálne recenzie používateľov o ich skúsenostiach s RAID.

Čo dokáže RAID

• RAID môže chrániť čas prevádzkyschopnosti. Úrovne RAID 1, 0+1/10, 5 a 6 (a ich varianty ako 50 a 51) nahrádzajú mechanické zlyhanie pevného disku. Aj po zlyhaní disku je možné údaje na poli stále používať. Namiesto časovo náročnej obnovy z pásky, DVD alebo iného pomalého záložného média umožňuje RAID obnoviť údaje na náhradný disk z ostatných členov poľa. Počas tohto procesu obnovy sú k dispozícii používateľom v zhoršenom stave. To je pre podniky veľmi dôležité, pretože výpadky rýchlo vedú k strate zárobkovej činnosti. Pre domácich používateľov môže chrániť prevádzkyschopnosť veľkých polí na ukladanie médií, ktoré by si v prípade zlyhania disku, ktorý nie je chránený redundanciou, vyžadovali časovo náročnú obnovu z desiatok DVD alebo pomerne veľkého počtu pások.
• RAID môže v určitých aplikáciách zvýšiť výkon. Úrovne RAID 0, 5 a 6 používajú striping. To umožňuje viacerým vretenám zvýšiť prenosové rýchlosti pri lineárnych prenosoch. Aplikácie typu pracovnej stanice často pracujú s veľkými súbormi. Pre ne je pruhovanie diskov veľkým prínosom. Príkladom takýchto aplikácií sú tie, ktoré používajú video alebo zvukové súbory. Táto priepustnosť je užitočná aj pri zálohovaní z disku na disk. RAID 1, ako aj iné úrovne RAID založené na stripingu môžu zlepšiť výkon pri prístupových modeloch s mnohými súčasnými náhodnými prístupmi, ako sú tie, ktoré používa databáza s viacerými používateľmi.

Čo RAID nedokáže

• RAID nemôže chrániť údaje na poli. Pole RAID má jeden systém súborov. To vytvára jediný bod zlyhania. Tomuto systému súborov sa môže stať mnoho iných vecí ako fyzické zlyhanie disku. RAID nedokáže chrániť pred týmito zdrojmi straty údajov. RAID nezabráni vírusu zničiť údaje. RAID nezabráni poškodeniu. RAID nezachráni údaje, keď ich používateľ omylom zmení alebo vymaže. RAID nechráni údaje pred hardvérovým zlyhaním žiadnej inej súčasti okrem fyzických diskov. RAID nechráni údaje pred prírodnými katastrofami alebo katastrofami spôsobenými človekom, ako sú požiare a záplavy. Ak chcete chrániť údaje, musia sa zálohovať na vymeniteľné médiá, ako je DVD, páska alebo externý pevný disk. Záloha sa musí uchovávať na inom mieste. Samotný RAID nezabráni tomu, aby sa katastrofa, keď (nie ak) nastane, zmenila na stratu údajov. Katastrofám sa nedá zabrániť, ale zálohovanie umožňuje zabrániť strate údajov.
• RAID nemôže zjednodušiť obnovu po havárii. Pri prevádzke jedného disku ho môže používať väčšina operačných systémov, pretože sú vybavené bežným ovládačom zariadenia. Väčšina radičov RAID však potrebuje špeciálne ovládače. Nástroje na obnovu, ktoré pracujú s jednotlivými diskami na všeobecných radičoch, budú na prístup k údajom na poliach RAID vyžadovať špeciálne ovládače. Ak sú tieto nástroje na obnovu zle nakódované a neumožňujú poskytnutie dodatočných ovládačov, potom bude pole RAID pre tento nástroj na obnovu pravdepodobne neprístupné.
• RAID nemôže poskytnúť zvýšenie výkonu vo všetkých aplikáciách. Toto tvrdenie platí najmä pre typických používateľov desktopových aplikácií a hráčov. Pre väčšinu desktopových aplikácií a hier je dôležitejšia stratégia vyrovnávacej pamäte a výkonnosť vyhľadávania disku (diskov) ako hrubá priepustnosť. Zvýšenie hrubej trvalej prenosovej rýchlosti sa u takýchto používateľov prejavuje len malým prínosom, pretože väčšina súborov, ku ktorým pristupujú, je aj tak zvyčajne veľmi malá. Rozdelenie diskov pomocou RAID 0 zvyšuje lineárny prenosový výkon, nie výkon vyrovnávacej pamäte a vyhľadávania. Výsledkom je, že diskový striping pomocou RAID 0 vykazuje vo väčšine desktopových aplikácií a hier malý alebo žiadny nárast výkonu, hoci existujú výnimky. Pre používateľov stolových počítačov a hráčov, ktorých cieľom je vysoký výkon, je lepšie kúpiť rýchlejší, väčší a drahší jeden disk ako prevádzkovať dva pomalšie/menšie disky v RAID 0. Dokonca aj prevádzka najnovších, najväčších a najväčších diskov v RAID-0 pravdepodobne nezvýši výkon o viac ako 10 % a pri niektorých prístupových modeloch, najmä v hrách, môže výkon klesnúť.
• Je ťažké presunúť RAID do nového systému. V prípade jedného disku je presun disku do nového systému relatívne jednoduchý. Stačí ho pripojiť k novému systému, ak má k dispozícii rovnaké rozhranie. Pri poli RAID to však nie je také jednoduché. Existuje určitý druh metadát, ktoré hovoria o tom, ako je pole RAID nastavené. Systém RAID BIOS musí byť schopný prečítať tieto metadáta, aby mohol úspešne zostaviť pole a sprístupniť ho operačnému systému. Keďže výrobcovia radičov RAID používajú pre svoje metadáta rôzne formáty (dokonca aj radiče rôznych rodín od toho istého výrobcu môžu používať nekompatibilné formáty metadát), je takmer nemožné presunúť pole RAID na iný radič. Pri presúvaní poľa RAID do nového systému by sa mal naplánovať aj presun radiča. Vzhľadom na popularitu radičov RAID integrovaných na základných doskách je to veľmi ťažké. Vo všeobecnosti je možné presúvať členov poľa RAID a radiče spoločne. Softvérový RAID v produktoch Linux a Windows Server dokáže obísť aj toto obmedzenie, ale softvérový RAID má aj ďalšie (väčšinou súvisiace s výkonom).

Najčastejšie používané úrovne RAID sú RAID 0, RAID 1 a RAID 5. Predpokladajme, že existuje 3-disková konfigurácia s 3 identickými diskami, každý s kapacitou 1 TB, a pravdepodobnosť zlyhania disku za daný časový úsek je 1 %.