Системы RAID: решение проблемы хранения данных

Системы RAID: решение проблемы хранения данных

Tехнология RAID получает все более широкое распространение. В настоящее время слово “RAID” можно услышать на многих крупных предприятиях. В первых публикациях по RAID данная аббревиатура расшифровывалась как Redundant Array of Inexpensive Disks (массив недорогих резервных дисков), но на сегодняшний день наиболее общепринятое определение — Redundant Array of Independent Disks (массив независимых резервных дисков). До последнего времени массивы RAID редко использовались в ЛВС, за исключением тех случаев, когда требовалось развернуть высококлассную информационную систему. Сегодня же они применяются как в подразделенческих, так и в корпоративных серверах.

Как только термином RAID начал пользоваться маркетинговый персонал, то он, подобно любому другому понятию из области высоких технологий, немедленно потерял свое истинное значение и стал очень запутанным. В надежде прояснить этот термин, мы рассмотрим здесь системы RAID с аппаратным контролем. В таких системах используется управляющее аппаратное обеспечение, которое реализует технологию RAID и выполнено либо в виде хост-адаптера, либо в виде модуля, размещаемого в корпусе дискового массива. В первом случае мы имеем дело с системой RAID на основе хост-адаптера. Во втором случае используются различные названия, но чаще других — RAID типа SCSI-to-SCSI.

Прежде чем провести анализ систем RAID с аппаратным контролем, рассмотрим другие типы реализаций RAID. Технология RAID может быть интегрирована в операционную систему, такую как NetWare фирмы Novell или Windows NT корпорации Microsoft. Дуплексирование и зеркальное отражение дисков (RAID уровня 1) с успехом используются администраторами ЛВС в течение ряда лет. С точки зрения отказоустойчивости и быстродействия такие конфигурации дисковой системы являются весьма неплохими решениями. Не менее популярна архитектура RAID уровня 0 — распределение содержимого одного логического диска по нескольким физическим. Такая конфигурация повышает быстродействие дисковой системы, но не обеспечивает ее отказоустойчивости.

Еще один вариант построения системы RAID, не столь популярный, как использование поддержки RAID в составе ОС или аппаратного контроля, заключается в применении программного обеспечения RAID третьих фирм. Упомянутое программное обеспечение запускается на сервере и управляет его жесткими дисками. При таком подходе зачастую трудно обеспечить высокие быстродействие и стабильность дисковой системы, особенно если сервер сильно загружен. Данная проблема обостряется в случае применения конфигураций, в которых используется контрольная информация (например, RAID уровня 5). В массиве RAID уровня 5 каждая операция записи на диск сопровождается расчетом контрольных сумм, необходимых для воссоздания информации, теряемой при выходе из строя одного из дисков массива. Программные средства контроля RAID, в отличие от аппаратных, для воссоздания информации используют ЦПУ сервера.

RAID с аппаратным контролем

Теперь давайте рассмотрим два ранее упомянутых варианта реализации систем RAID с аппаратным контролем. Системы RAID на основе хост-адаптера (например, Compaq SMART Array/2) используют плату расширения (контроллер RAID), на которой размещаются специальные средства RAID и кэш-память, необходимая для повышения производительности дискового массива, а также ЦПУ и микросхемы ASIC, предназначенные для выполнения диагностики и ряда других функций. Часто на такой плате можно увидеть RISC-процессор наподобие Intel i960. Вы, может быть, спросите, зачем контроллеру нужен такой высокопроизводительный ЦПУ? Ответ прост: разумеется, для повышения его быстродействия. Большинство контроллеров RAID имеют кэш-память емкостью от 2 до 4 Мбайт, хотя некоторые из них поддерживают ее расширение до 32 и более Мбайт. Следует отметить, что для большинства систем RAID оптимальная емкость кэш-памяти составляет от 4 до 8 Мбайт.

Почему приходится выбирать систему RAID на основе хост-адаптера? Очень часто это связано с тем, что тот или иной производитель оборудования не может предложить ничего другого. Именно таким производителем является корпорация Compaq. Ее система Compaq SMART Array/2 работает только с сервером Compaq и очень тесно интегрирована с ним. Это дает ряд преимуществ, среди которых — гарантия совместимости и простота интеграции с оборудованием. В сервере Compaq контроллер RAID настраивается с помощью утилиты конфигурации адаптеров EISA или Windows-приложения. Таким образом, пользователю не приходится применять программные средства с архаичным символьным интерфейсом. В отличие от массивов RAID типа SCSI-to-SCSI функционально аналогичные системы на основе хост-адаптера не могут быть ОС-независимыми. В случае таких RAID-систем для каждой поддерживаемой операционной системы должен быть написан свой драйвер RAID. Если вы используете довольно редко встречающуюся сетевую операционную систему, вряд ли стоит рассчитывать на хорошую поддержку. Кроме того, если вам потребуется сменить сервер, с которым работает система RAID, то придется извлечь хост-адаптер из старого сервера и установить его в новый. Этот процесс требует много времени и чреват возникновением неполадок в вашей информационной системе.

Альтернативное решение — массив RAID типа SCSI-to-SCSI. Такая система подсоединяется к серверу через хост-адаптер SCSI, а вся интеллектуальная “начинка” RAID размещается в ее корпусе. Следует иметь в виду, что массивы типа SCSI-to-SCSI некоторых фирм, хотя их и рекламируют как не зависящие от ОС и сервера, требуют для успешной работы использования хост-адаптеров SCSI той же фирмы, которые зачастую являются OEM-изделиями других поставщиков SCSI-средств.

Готовность

Технология RAID, прежде всего, обеспечивает отказоустойчивость дискового массива и сервера. Конечно, чем больше у вас денег, тем более сложную и многофункциональную систему вы можете купить, однако сначала определите, какие уровни RAID требуются вашим приложениям. В большинстве случаев поддержка RAID уровней 0, 1 и 5 является вполне достаточной. Многие системы RAID поддерживают также уровни 3, 4, 6 и нестандартные фирменные уровни. Новая и весьма полезная функциональная возможность — автоматическая активизация резервного диска в случае отказа одного из основных дисков. В некоторых системах RAID активизация резервных дисков выполняется вручную, что в ряде случаев недопустимо.

Возможность динамических переконфигурации и наращивания емкости системы RAID была мечтой администраторов информационных систем в течение многих лет. Если вам когда-либо уже пришлось помучиться, перенастраивая систему RAID с целью увеличения ее емкости (при этом требовалось скопировать всю хранящуюся в массиве информацию на другие носители, удалить текущую и создать новую конфигурацию, а затем восстановить данные), то вас, наверняка, обрадует известие, что теперь можно динамически модифицировать системы RAID. Это позволяет осуществить ряд разработок, одной из которых является технология динамических наращивания емкости и переконфигурации (Dynamic Growth and Reconfiguration — DGR). С помощью технологии DGR администратор сети может динамически изменять уровень RAID или увеличивать емкость дискового массива фирмы Storage Dimensions, не прекращая его работы. DGR и подобные ей технологии других фирм существенно повышают готовность системы RAID, и поэтому дополнительные затраты на реализующие их средства вполне оправданны.

Другими мерами, позволяющими повысить готовность массива, являются использование в нем резервных вентиляторов, источников питания, шнуров питания и контроллеров. Убедитесь в том, что все источники питания массива действуют и что в случае выхода из строя одного из них подсистема питания сможет поддерживать работу массива. Возможность “горячей” замены любого из вышеперечисленных компонентов массива повышает его готовность, но при этом растет и стоимость этого массива.

Масштабируемость

Поскольку локальные вычислительные сети непрерывно расширяются, а размеры приложений и файлов данных растут, потребность в устройствах хранения информации большой емкости становится все более и более насущной. Если еще не так давно 2- или 4-Гбайт дисковое пространство на сервере казалось более чем достаточным для ЛВС с сотней пользователей, то сегодня даже настольные машины поставляются с 4-Гбайт дисками, а сетевые операционные системы и серверы приложений часто требуют свыше 14 Гбайт дисковой памяти. В некоторых случаях размеры баз данных достигают 50 или даже несколько сотен гигабайтов, а хранилища информации вполне могут содержать от 750 до 1000 Гбайт данных.

Как построить системы хранения информации таких емкостей? Очевидно, что используя системы RAID на основе хост-адаптера этого сделать нельзя, а вот массивы типа SCSI-to-SCSI позволят решить данную задачу. Поскольку каждый дисковый массив RAID типа SCSI-to-SCSI представляет собой одно SCSI-устройство, вы можете подключить несколько таких массивов к одной шине SCSI. Если у вас имеется двухканальный SCSI-контроллер, то при использовании массивов с неотказоустойчивой конфигурацией и 9-Гбайт дисками максимальная емкость дисковой системы составит около 1 тыс. гигабайтов. С появлением 23-Гбайт дисков построить систему хранения данных емкостью более чем 1 Тбайт (1024 Гбайт) будет весьма просто.

Другой важный аспект масштабируемости дискового массива — возможность повышения его быстродействия. Безусловно, с ростом скорости вращения жестких дисков и уменьшением времени доступа к данным быстродействие систем RAID увеличивается, однако, выбирая такую систему, нужно обращать внимание не только на параметры накопителей, но и на поддерживаемые контроллером массива алгоритмы кэширования данных. Выбирайте системы RAID, использующие кэширование с упреждающим чтением (read-ahead caching) и кэширование с обратной записью (write-back caching). Кэширование с упреждающим чтением ускоряет считывание больших файлов, но может замедлить работу массива при значительном числе коротких операций чтения, осуществляемых различными дисками массива. Кэширование с обратной записью увеличивает быстродействие сервера при записи данных на диски. Ускорение работы достигается за счет того, что ОС, поместив в кэш-память контроллера RAID данные, подлежащие записи в массив, “полагает”, что операция записи завершена и не ждет, пока данные действительно будут помещены на диски. Выбирая дисковый массив, обращайте внимание на тип хост-интерфейса, к которому он подключается. Хорошо если это будет шина PCI, поскольку она является самой быстродействующей среди шин ввода-вывода компьютеров и широко используется в серверах. Шина EISA — также приемлемый вариант, а вот шина ISA имеет слишком низкую пропускную способность, поэтому старайтесь избегать подсистем, предназначенных для работы с ней. Большинство современных серверов имеют, по крайней мере, два гнезда PCI, а также дополнительные гнезда EISA или ISA.

Возможности оперативного управления дисковым массивом и мониторинга его работы очень много значат для современных информационных систем. К сожалению, не все производители RAID-систем оснащают свои продукты соответствующими средствами, и это — надежный способ отличить лидеров отрасли от “второразрядных ремесленников”.

Хорошая управляющая утилита должна оповещать администратора сети о возникновении неисправностей или каких-либо иных ситуаций, требующих его внимания. Возможность посылать SNMP-уведомления (traps) позволяет системам RAID выдавать предупреждающие сообщения на центральную SNMP-консоль системы сетевого управления (например, OpenView фирмы Hewlett-Packard, NetView корпорации IBM или NMS фирмы Novell). Однако посылка SNMP-уведомлений — это только половина дела. С помощью эффективной программы управления администратор может опрашивать систему RAID на расстоянии и собирать статистическую информацию о ее работе и состоянии. Данные о состоянии накопителей, о ходе процесса восстановления данных, а также о скорости работы массива повышают эффективность управления им.

Индикаторы на корпусе массива RAID часто воспринимаются как нечто само собой разумеющееся, однако они так же важны, как и управляющее ПО. Как минимум, массивы должны иметь какую-нибудь видимую индикацию состояния каждого диска и системы в целом. Соответствующие средства могут быть весьма простыми — например, зелеными и красными светодиодами. Некоторые системы RAID оснащаются ЖК-дисплеями, предоставляющими детальную информацию о системе. Наружная индикация важна по двум причинам. Во-первых, она всегда позволяет определять состояние дискового массива, что весьма кстати в тех случаях, когда компьютер почему-либо не доступен. Во-вторых, она снижает вероятность ошибок при замене компонентов массива.