Kako radi RAID

[mexx25]

RAID je tehnologija koja je ušla u upotrebu 1987. godine i razvijena je za potrebe serverskih sistema. RAID je skraćenica od Redundant Array of Inexpensive Disks (srp. Redundanti niz jeftinih diskova). Ona je razvijena...


...zbog potreba većih performansi i veće sigurnosti, bez velikih troškova (zato se nalazi inexpensive u nazivu).

Kako je vreme odmicalo RAID je polako počeo da se spušta u "narodne" mase, kao što biva i sa svim serverskim tehnologijama. Počeli su da se pojavljuju dodatni kontroleri (HPT, Promise) na matičnim pločama, kao i zasebni, koju su nudili mogućnost pravljenja RAID 0 ili 1 niza (eng. array), po niskoj ceni, to su takozvani softverski kontroleri.


Softverski i hardverski RAID kontroleri

Sigurno se pitate koja je razlika između softverskog i hardverskog RAID-a ?
Softverski kontroleri rade na sledeći način...
RAID kontroler pripremi podatke o tome kako bi taj niz trebao da funkcioniše, pa ih prosledi procesoru (CPU). Procesor radi kalkulaciju dobijenih podataka i nakon izračunavanja (na koliko se delova fajl deli, kolika je veličina trake (eng. stripe), gde koji deo fajla treba da ide) vraća podatke kontroleru, koji ih nakon toga samo šalje na, prethodno, određena mesta.
Softverski RAID kontroleri rade identično kao i standardni IDE kontroler iz južnog mosta (eng. southbridge) vašeg čipseta (eng. chipset), osim nekih manjih dodataka koje smo gore spomenuli.
Izračunavanje podataka potrebnih za RAID 0 i 1 nizove nisu mnogo procesorski zahtevne operacije, pa je zato ovakva implementacija moguća bez, skoro, ikakvih uticaja na performanse sistema.




Adaptec softverski ATA RAID kontroler



Sada vam sigurno nije jasno za šta nam služe hardverski RAID kontroleri ako nam, gore navedana izračunavanja, ne oduzimaju procesorsko vreme. Vidite... RAID 0 i 1 nisu jedini RAID nizovi koji postoje, tu su još, od najčešće korišćenih, RAID 5, 10 i 0+1, kao i manje poznati RAID 2, 3, 4, 6, 7, 50, 53 (oni su u stvari pod varijante prethodnih i koriste se retko, ako uopšte). Mi ćemo obraditi samo ove najpoznatije.

RAID 5 je procesorski zahtevan, iz razloga koje ćemo dalje u tekstu objasniti, pa kada bi smo kalkulacije potrebne za njegovo izračunavanje prepustili, centralnom, procesoru, ne bi smo bili u mogućnosti da koristimo kompjuter. Tu na scenu dolaze hardverski RAID kontroleri.
Oni su dodatne (eng. add-in) kartice koje na sebi imaju, specijalizovani, procesor koji isključivo radi kalkulacije potrebne za RAID niz, kao i dodatnu keš memoriju. Procesor koji se najčešće koristi na ovim karticama je Intel i960, a veličina memorije varira od 64 do 256MB. Oni omogućuju podršku za RAID 5, jer njihov procesor obavlja sve potrebne kalkulacije koje bi za CPU bile pogubne. Zbog toga su oni jedino pouzdano rešenje kada je RAID 5 u pitanju.
Zbog svoje kompleksnosti njihova cena je znatno viša od softverskih RAID rešenja, ali osim rasterećivanja centralnog procesora (CPU), oni donose i mnoge dodatne opcije.




Adaptec hardverski SATA RAID kontroler



RAID 0 - Striping (BH. rastavljanje)

Ili kako se još naziva Striped Set without Parity (srp. skup za rastavljanje bez parnosti).
Iako nosi RAID u svom nazivu, ovaj niz nije validan RAID niz, jer nema toleranciju greške. Prostije rečeno - u slučaju otkaza bilo kog diska u nizu, gubite sve podatke. To je njegova najveća mana, ali njegova prednost se ogleda u tome što dobijate dosta na brzini. RAID 0 koristi algoritam za rastavljanje fajlova u segmente, veličinu segmenta određuje korisnik (segment tj. traka (eng. stripe size)). Zatim svaki disk, u nizu, dobija po jedan segment. Npr. ako je fajl veličine 128KB, algoritam ga deli u dva dela od po 64KB i šalje ih simultano diskovima. Tako se vrši upis, dok se čitanje odvija u suprotnom smeru. Istovremeno se pristupa segmentima na oba diska i kontroler ih, onda, sklapa u jednu celinu.
Prednost se ogleda u tome što se fajl od 128KB, u RAID 0 nizu, ponaša identično kao fajl od 64KB na jednom disku. To je zbog toga što se segmentima pristupa simultano. Iz tog razloga je RAID 0, u teoriji, dva puta brži od jednog diska.
U slučaju da je fajl manji od veličine segmenta, ne deli se i ubrzanja neće biti. Veličina segmenta je jako bitna, ali o tome više reči dalje u tekstu.
Da bi ste mogli da napravite ovaj niz potrebna su vam, minimalno, dva hard diska istih veličina, brzine i od istog proizvođača. Ne preporučuje se mešanje različitih diskova, jer će onda RAID 0 niz raditi kao najslabiji (najsporiji, najmanjeg kapaciteta) disk iz niza.



Prednosti:
• nema pravljenja parnosti (ne gubi se na brzini usled toga)
• lak za implementaciju
• jeftin
• maksimalno iskorišćenje mesta na diskovima

Mane:
• nije pravi RAID niz
• nema toleranciju greške
• otkaz jednog diska dovodi do gubitka podataka
• loš za servere gde su podaci bitni

Upotreba:
• priprema za štampu
• video montaža i produkcija
• grafički dizajn
• svi oni koji žele veće performanse, a rade redovan back-up



RAID 1 - Mirroring (BH. refleksija)

Ime sve govori - sadržaj jednog diska ima identičnu kopiju na drugom disku u nizu. Koristimo ga kada nam je važnost podataka, daleko, važnija od brzine njihovog upisa. RAID 1 je možda sporiji u upisu podataka, čak i od jednog diska, jer treba jednu informaciju upisati na dva mesta. Začuđujuće je to što bi, u teoriji, čitanje podataka trebalo da bude dva puta brže od jednog diska.
Dobra osobina ovog RAID niza je što u slučaju otkaza jednog diska ne gubite podatke, a takođe ne gubite ni vreme u zameni diska. Sistem će u tom slučaju nastaviti da radi sa jednim diskom, a po zameni diska koji je otkazao, RAID 1 niz će se ponovo izgraditi. Softversko rešenje može znatno usporiti rad celog sistema, zato se preporučuje korišćenje hardverskog kontrolera.
Da bi se ovaj niz napravio potrebna su minimalno dva hard diska, a za njih važe ista pravila kao i kod RAID 0 niza - diskovi moraju biti identični.



Prednosti:
• nema generacije parnosti
• laka implementacija
• visoka tolerancija grešaka
• koristi pun kapacitet diska
• dva diska minimum

Mane:
• nekorisno iskorišćavanje mesta na diskovima
• visoki troškovi po upotrebljivom GB
• duplo veći broj upisa

Upotreba:
• web serveri
• knjigovodstvo
• banke
• svugde gde je sigurnost podataka na prvom mestu

[mexx25]

RAID 5 - Rotating Parity Array (BH. niz sa rotirajućom parnošću)

Najčešće korišćeno rešenje u serverima i radnim stanicama, jer pokušava da objedini brzinu RAID 0 (striping) i sigurnost RAID 1 (mirroring). Kažemo da pokušava, jer performanse nisu jednake, kako, ni RAID 0, tako ni RAID 1.
Njegove performanse najviše zavise od kvaliteta kontrolera. Na kvalitetnom kontroleru sa dovoljnom količinom keš memorije, performanse RAID 5 mogu biti ekvivalentne RAID 0 nizu.
Da bi ovaj niz funkcionisao, za razliku od prethodna dva niza, potrebna su vam tri diska. Na dva diska se šalju rastavljeni (eng. striped) podaci, dok se na treći upisuje informacija o parnosti (eng. parity bit). Parity bit se generiše od originalnog fajla, u procesoru kontrolera, specijalnim algoritmom koji proizvodi podatke pomoću kojih se mogu rekreirati, u slučaju otkaza jednog od diskova, podaci koji se nalaze na druga dva diska (striping).
Ovaj niz se naziva rotirajući, jer se informacija o parnosti ne upisuje uvek na isti disk, već svaki put na drugi. U ovom nizu uloga diskova se stalno smenjuje, time se eliminiše usporavanje do koga bi došlo da se informacija o parnosti konsantno upisuje na isti disk (RAID 4). Zbog toga je potreban hardverski kontroler, jer on ne samo da generiše informaciju o parnosti, već on određuje smenu diskova, kao i to gde će koji podatak biti upisan.
Primer: imamo tri diska u nizu, sa veličinom trake od 64KB, a vršimo upis fajla od 128KB. Kontroler prvo generiše informaciju o parnosti tako što radi XOR kalkulaciju za taj fajl, onda se fajl deli u dva dela (2x 64KB), prvi deo ide na jedan hard disk, drugi na drugi disk (isto kao kod RAID 0), a nakon toga se informacija o parnosti upisuje na treći disk u nizu. U sledećem "krugu" parity bit se ne upisuje na treći disk, već na jedan od druga dva, kako kontroler odredi.



Prednost RAID 5 je u tome da, u slučaju otkaza bilo kog diska, niz i dalje može da nastavi da radi. Mana je ta što će raditi sporije, a i samo rekreiranje niza, posle zamene pokvarenog diska, traje znatno duže nego kod RAID 1 (informacija o parnosti se mora ponovo generisati). Još jedna od prednosti se ogleda u tome što se istovremeno može odvijati više upisa i čitanja bez zagušenja (što je veći broj diskova u nizu to se više ovih operacija istovremeno može vršiti).
Kada već spominjemo mane ovog niza moramo napomenuti jednu koja može biti jako iritirajuća, a manifestuje se pri menjanju sadržaja samog fajla. Da bi smo promenili fajl, potrebno je da ga iščitamo sa hard diska, izmenimo i ponovo upišemo na disk (procedura kod korišćenja jednog diska). Kod RAID 5 je malo drugačije. Dva diska, na kojima se nalazi rastavljeni fajl, se istovremeno aktiviraju radi iščitavanja fajla, mi menjamo sadržaj fajl, promena fajla se šalje u kontroler koji ponovo izračunava informaciju o parnosti, zatim se fajl rastavlja i šalje diskovima, a informacija o parnosti se ponovo upisuje na treći disk u nizu. Sa većim brojem diskova u nizu ova operacija postaje sve komplikovanija.
Da bi ovaj niz bio efikasan potrebno je da svi diskovi budu identični

Prednosti:
• najfleksibilniji od svih nizova
• najbolji balans cena/performanse/sigurnost od svih RAID nizova
• mogućnost više simultanih upisa
• visoka brzina čitanja
• osrednja brzina upisivanja
• visoka efikasnost
• za kreiranje potrebna minimalno tri diska

Mane:
• neefikasan sa transferom velikih fajlova
• otkazivanje diska ima uticaj na performanse
• za najbolje performanse potrebni su skupi kontroleri

Primena:
• baze podataka
• fajl i print serveri
• web, e-mail i news serveri
• intranet serveri
• radne stanice



RAID 10 (RAID 0+1)

RAID 10 je u stvari RAID 0 uparen sa RAID 1. Odatle vidimo da je RAID 10 isto što i RAID 0+1.
Najbržem RAID nizu, RAID 0, dodata je sigurnost podataka sa RAID 1. Ovo je najskuplji RAID niz za korišćenje, jer zahteva minimalno četiri diska, a proširenje je veoma ograničeno. Ovo je prvi takozvani "dvo-dimenzionalni" niz, jer se zasniva na direktnoj saradnji između dva niza. I ovde važi da diskovi koji se koriste moraju da budu isti.



Prednosti:
• nema generisanja parnosti
• lak za implementaciju
• koristi pun kapacitet diskova
• veće performanse od RAID 5
• visoka tolerancija greške
• odlične performanse pri upisu i čitanju podataka

Mane:
• neefikasno iskorišćenje mesta na diskovima
• visoka cena
• mala skalabilnost

Upotreba:
• fajl serveri
• baze podataka
• gde se zahtevaju viske performanse sa visokom sigurnošću



Veličine traka (eng. stripe size) i njihova važnost

Predpostavimo da je vaš glavno interesovanje za RAID vezano za uvećanje performansi vašeg hard disk podsistema.
Veličina traka (eng. stripe size) je izuzetno bitna da bi ste dobili veće performanse RAID nizova i zato je važno da razumete njihov ulogu, pre nego što pređemoo dalje u diskusiju.
Stripes (srp. trake) su blokovi jednog fajla koji su razbijeni u manje delove.
Stripe size (odnosno veličina u koju se podaci razbijaju) definiše korisnik u rasponu od 1KB do 1024KB i više.
Princip rada je takav da RAID kontroler deli podatke u blokove (jedan ili više u zavisnosti od veličine trake i fajla) i zatim ih distribuira na diskove u nizu (različiti delovi fajla idu na različite diskove). Podatak će biti brže upisan zato što hard disk upisuje manje fajlove, koji u su u stvari deo jednog većeg fajla. Čitanje je takođe brže, jer se podaci preuzimaju istovremeno sa diskova u nizu, a onda sklapaju u kontroleru.

Najbolje je objasniti preko primera.
Napravili smo dva RAID 0 niza od po dva hard diska. Prvi RAID 0 niz ima veličinu trake od 64KB, dok kod drugog ona iznosi 1024KB. Na oba niza upisaćemo 2 fajla, jedan od 128KB, a drugi od 4096KB (4MB).
Pri upisu fajla od 128KB, na prvi niz, fajl se deli u dva dela. Prvih 64KB ide na prvi disk u nizu, a drugih 64KB ide na drugi disk u nizu. Posao se deli jednako na dva dela i izgleda kao da radi jedan disk sa fajlom od 64KB. Prosto, zar ne ? Kod čitanja situacija je ista. Mi želimo da vidimo taj fajl od 128KB, oba diska istovremeno šalju svaki svoj deo od 64KB i dobijamo ceo fajl od 128KB za isto vreme koliko bi jednom disku trebalo za fajl od 64KB.
Ovo je prošlo dobro, da vidimo šta će se desiti kada pokušamo da upišemo fajl od 4096KB... U ovom slučaju RAID kontroler mora da razbije fajl na 64 dela, sa veličinom svakog dela od 64KB! Kontroler sada rastavlja fajl u 64 dela i šalje prva dva dela diskovima da ih upišu, kada su ti delovi upisani na disk kontroler šalje sledeća dva dela i tako 64 puta... Ni kod čitanja situacija nije ništa bolja. Ako želimo da pristupimo fajlu od 4096KB, diskovi moraju, ukupno, 64 puta da posalju po 64KB kontroleru.
U oba slučaja nastaja zagušenje. Kako god da pogledate u pitanju je prava noćna mora.

Pogledajmo sada kako se drugi niz snalazi...
Na drugi niz upisujemo fajl od 128KB, pošto je veličina fajla manja od veličine trake (1024KB), fajl se ne deli u delove, već upisuje direktno na jedan od diskova. Isto se dešava i pri čitanju, pošto fajl nije podeljen on se direktno učitava sa diska na kome je upisan. U ovom slučaju nema ubrzanja.
Sada ćemo upisati fajl od 4096KB. Kontroler deli ovaj fajl na četiri dela. Svaki od diskova dobija dva dela od po 1024KB koji treba da se upišu. Ovo je mnogo lakše od upisivanja jednog fajla od 4096KB, pa je i ubrzanje primetno. Pri čitanju, takođe, primećujemo ubrzanje, jer se čitaju dva manja fajla sa svakog diska.

Predpostavljam da se sada pitate koja je najbolja veličina trake za najbolje performanse?
Odgovor i nije tako jednostavan. Iz našeg iskustva smo utvrdili da ne postoji univerzalno rešenje, već da zavisi od kontrolera do kontrolera, nekima odgovara veći, a nekima manji stripe. Najidealnije bi bilo da probate sve kombinacije i da ih testirate sa nekim programom i vidite koja veličina trake najviše odgovara vašem kontroleru, ali isto tako možete posetiti forume na internetu i raspitati se kod ljudi koji su to već probali.



Zaključak ?

RAID, kao tehnologija, dolazi u više "ukusa", mi smo vam objasnili kako ona funkcioniše. Sada je na vama da odlučite da li vam je ona zaista potrebna ili je to još jedan dodatak vaše matične ploče ili disk kontrolera koji nikada nećete upotrebiti.
Ako ste nakon ovog teksta shvatili da vam je ova tehnologija potrebna, nadamo se da smo vam razjasnili njene osnove i pomogli vam da se odlučite za ono što vam je, zaista, potrebno.

[Vocko]

Kada te vec nije mrzelo da copy/paste txt, mogao si i da stavis odakle si ga preuzeo.

Inace na ovom linku imate kompletan txt sa slikama i animacijama, koje dodatno objasnjavaju rad RAID-a.

Ako vas zanima kako radi jos neki deo kompjutera to mozete pogledati ovde (uskoro sledi mnogo vise txt-ova).