RAID-массивы начального уровня

Отказоустойчивый массив независимых дисков с распределенной четностью (Independent Data Disks with Distributed Parity Blocks)

Самый распространенный уровень. Блоки данных и контрольные суммы циклически записываются на все диски массива, отсутствует выделенный диск для хранения информации о четности, нет асимметричности конфигурации дисков.

В случае RAID 5 все диски массива имеют одинаковый размер — но один из них невидим для операционной системы. Например, если массив состоит из пяти дисков емкостью 10 Гб каждый, то фактически размер массива будет равен 40 Гб — 10 Гб отводится на контрольные суммы. В общем случае полезная емкость массива из N дисков равна суммарной емкости N–1 диска.

Самый большой недостаток уровней RAID от 2-го до 4-го — это наличие отдельного диска (или дисков), хранящего информацию о четности. Скорость выполнения операций считывания достаточно высока, так как не требует обращения к этому диску. Но при каждой операции записи на нем изменяется информация, поэтому схемы RAID 2-4 не позволяют проводить параллельные операции записи. RAID 5 не имеет этого недостатка, так как контрольные суммы записываются на все диски массива, что делает возможным выполнение нескольких операций чтения или записи одновременно. RAID 5 имеет достаточно высокую скорость записи/чтения и малую избыточность.

RAID 6

Отказоустойчивый массив независимых дисков с двумя независимыми распределенными схемами четности (Independent Data Disks with Two Independent Distributed Parity Schemes)

RAID 6 — это отказоустойчивый массив независимых дисков с распределением контрольных сумм, вычисленных двумя независимыми способами. Этот уровень во многом схож с RAID 5. Только в нем используется не одна, а две независимые схемы контроля четности, что позволяет сохранять работоспособность системы при одновременном выходе из строя двух накопителей. Для вычисления контрольных сумм в RAID 6 используется алгоритм, построенный на основе кода Рида-Соломона (Reed-Solomon).

Этот уровень имеет очень высокую отказоустойчивость, большую скорость считывания (данные хранятся блоками, нет выделенных дисков для хранения контрольных сумм). В то же время из-за большого объема контрольной информации RAID 6 имеет низкую скорость записи. Он очень сложен в реализации, характеризуется низким коэффициентом использования дискового пространства: для массива из пяти дисков он составляет всего 60%, но с ростом числа дисков ситуация исправляется.

RAID 6 по многим характеристикам проигрывает другим уровням, поэтому на сегодня не получил коммерческого применения.

RAID 7

Отказоустойчивый массив, оптимизированный для повышения производительности (Optimized Asynchrony for High I/O Rates as well as High Data Transfer Rates)

В отличие от других уровней, RAID 7 не является открытым индустриальным стандартом — это зарегистрированная торговая марка компании Storage Computer Corporation. Массив основывается на концепциях, использованных в третьем и четвертом уровнях. Добавилась возможность кэширования данных. В состав RAID 7 входит контроллер со встроенным микропроцессором под управлением операционной системы реального времени (real-time OS). Она позволяет обрабатывать все запросы на передачу данных асинхронно и независимо.

Блок вычисления контрольных сумм интегрирован с блоком буферизации; для хранения информации о четности используется отдельный диск, который может быть размещен на любом канале. RAID 7 имеет высокую скорость передачи данных и обработки запросов, хорошую масштабируемость. Самым большим недостатком этого уровня является стоимость его реализации.

Тестирование

С теорией немного разобрались — перейдем к практике.

В качестве основы тестовой системы мы использовали материнскую плату Intel D925XCV, в южный мост которой встроена поддержка Intel Matrix Storage Technology.

Эффективность RAID-массива тестировали на двух разных парах винчестеров:

Тестирование проводилось под операционной системой MS Windows XP Professional ENG SP1.

Как уже упоминалось выше, встроенная технология Intel Matrix Storage Technology позволяет создавать RAID-массивы "нулевого" и "первого" уровней. Причем всего на двух винчестерах можно построить RAID 0 и RAID 1. Для этого на обоих накопителях симметрично выделяется часть пространства под один массив, а часть — под другой.

Понятно, что для измерения производительности мы тестировали системы, построенные на основе RAID-массива "нулевого" уровня. Но также создавали и два массива. На таких конструкциях проводились испытания отказоустойчивости RAID 1, построенного с использованием технологии Intel Matrix Storage Technology. Испытания прошли успешно. При имитации выхода из строя одного HDD (винчестер просто отключался от системы) информация сохранялась на "уцелевшем" накопителе. А после подсоединения другого исправного винчестера можно легко восстановить исходное состояние RAID-массива "первого" уровня.

Но сейчас нас больше интересует RAID 0. Для установки и настройки этого RAID'а существует два пути.

Первый: создать массив с помощью RAID BIOS'а и установить ОС на него. При этом важно не пропустить при инсталляции системы момент, когда со специальной дискеты нужно установить драйвер RAID-контроллера, без которого установщик Windows просто не увидит винчестеры.

Для пользователей, которые привыкли к более удобному "дружественному" графическому интерфейсу, больше подойдет второй способ. Система устанавливается как обычно. Потом в BIOS'е включается поддержка RAID, после чего под Windows устанавливается специальная утилита Intel Storage Utility. С ее помощью можно легко и просто создать RAID-массив, не потеряв при этом существующие данные.

Intel Storage Utility

Подготовка к созданию массива и настройка параметров производится с помощью понятного "визарда" и проходит в шесть шагов.

Приветствие. Описание того места, куда вы попали, и того, что вам здесь предлагают сделать. Указывается, что на превращение ваших дисков в RAID-массив понадобится до двух часов — в зависимости от размера винчестеров. Пользователь также извещается о том, что процесс будет проходить в фоновом режиме, то есть во время превращения можно продолжать работать с компьютером.

Здесь нужно указать имя тома (как именно RAID-массив будет отображаться в системе). Выбор уровня — 0 или 1. Для "нулевого" уровня выбирается размер блока (strip size). На этот этап нужно обратить особое внимание, поскольку производительность RAID 0 сильно зависит от выбранного размера блока. Для выбора оптимального показателя, мы тестировали массив с разными значениями strip size.

Выбор источника данных, то есть винчестера, на котором установлена система. С этого накопителя информация будет дублироваться (RAID 1) или частично копироваться (распределятся между HDD — для RAID 0).

Выбор второго участника массива. На этот HDD будет копироваться информация с источника. (Предупреждение! все данные на выбранном винчестере будут удалены.)

Выбор размера массива. При создании двух RAID'ов на двух дисках (0 и 1) первым обязательно должен быть "нулевой" уровень — и никак не наоборот: при установке сначала RAID 1 используется сразу все дисковое пространство и на RAID 0 ничего не остается. Размер массива "нулевого" уровня должен составлять не менее 50% общего дискового пространства.

Завершение подготовки и начало миграции данных с источника на второй диск.

После выполнение всех шести шагов на экране появляется окно состояния прогресса. Во время преобразования действительно можно работать с другими приложениями — процесс создания массива практически не сказывается на работе системы.

Результаты тестирования

Сначала измерялись теоретические параметры системы — как построенной на одиночном винчестере, так и на RAID-массиве "нулевого" уровня. Как и предполагалось, RAID почти вдвое превосходит "простой" накопитель.

Протестировав системы программой Aida32, мы получили вполне логичные результаты. Скорость чтения у винчестера производства WD равна приблизительно 50 Мб/с, а у "нулевого" RAID-массива, построенного на двух таких накопителях, этот параметр составляет около 97 Мб/с. Похожие результаты показал и представитель Seagate: 46 Мб/с для одиночного варианта и 90 Мб/с в случае с RAID’ом.

Но это все теория, а как оно будет на практике? Для реального тестирования мы использовали пакет WorldBench 5, в состав которого входит множество популярных приложений. Однако, хотя программ в состав пакета входит действительно много, не у всех быстродействие реально зависит от дисковой системы.

ACD Systems ACDSee PowerPack 5.0

В этом тесте находится и открывается каталог, который содержит 155 файлов формата JPG. Затем все файлы конвертируются в формат PCX. Процедура повторяется несколько раз, причем каждый раз меняется тип формата, в который преобразуются JPG-файлы: GIF, BMP, TIFF, TGA, PNG.

Для винчестера производства Seagate прирост производительности в этом приложении при использовании RAID-массива составил около 5%. Причем показатели всех RAID’ов почти не отличаются — вне зависимости от значения strip size.

Совсем другая картина наблюдается с представителем WD. Во-первых, отчетливо видна разница в производительности у RAID-массивов с разными значениями strip size. Худший результат у массива с размером блока 128 Кб. При переходе на 64 Кб производительность возрастает на 2%, а для блока размером 16 Кб прирост равен почти 5%.

Что же касается сравнения одиночного диска с RAID-массивом, то здесь разница еще более существенна: дисковая подсистема с 16-килобайтным блоком обогнала безрэйдовый вариант более чем на 10% — а это уже можно назвать хорошим приростом.

Adobe Premiere 6.5

В ходе тестирования открывается демонстрационный проект Z-TOUR, который содержит аудиоклип и различные видеоклипы. Выполняется рендеринг проекта. Затем проект экспортируется в форматы DVAVI, FLC и FLM, после чего пролистывается приблизительно на 500 кадров вперед, а затем назад. Последняя операция (пролистывание) выполняется дважды. Наконец, проект с измененными настройками (широкий экран) экспортируется в формат DVAVI.

Среди RAID-массивов лучшее время показала система с размером блока 16 Кб. В этом тесте преимущество системы с RAID’ом над системой с одиночным диском оказалось не таким значительным, как в предыдущем тестировании. Для винчестеров Seagate прирост составил чуть меньше 3%, а для накопителей производства WD производительность возросла на 3,5%.

Ahead Software Nero Express 6.0.0.3

В ходе данного теста создается проект, состоящий из файлов общим объемом около 538 Мб, и записывается восемь изображений (image) этого проекта в формате ISO.

Вот это уже действительно похоже на реальный прирост производительности. У систем, построенных на винчестерах производства WD, разница составила почти 16%. Зато RAID-массив, составленный из накопителей Seagate, обогнал одиночный винчестер того же производителя почти на 22%, что, согласитесь, довольно солидно.

WinZip Computing WinZip 8.1

В этом тесте создается пять ZIP-архивов (приблизительно по 538 Мб каждый). Здесь мы наблюдаем, хотя и не столь значительный, как предыдущем тестировании, но все же вполне ощутимый прирост производительности. Для систем построенных на винчестерах WD разница составила почти 6%. У RAID-массива на основе накопителей Seagate прирост равен 8,5%.

Итоги

Как видно из результатов, прирост производительности в реальных приложениях оказался не столь значительным, как в теоретических тестах. Понятно, что мы протестировали лишь некоторые программы из широчайшего спектра ПО. Можно предположить, что существенный прирост производительности будет наблюдаться, например, при использовании RAID-массива для обработки больших объемов аудио- или видеофайлов.

Не будем забывать также, что мы тестировали не просто RAID, а дисковый массив, построенный при помощи технологии Intel Matrix Storage Technology. При использовании этой технологии, помимо прироста производительности, мы получаем еще и другие преимущества. Во-первых, дешевый (почти даровой) RAID-контроллер, встроенный в материнскую плату. Во-вторых, возможность построения на двух HDD двух массивов: RAID 0 для повышения производительности системы и RAID 1 для надежности хранения информации. В-третьих, имеем утилиту Intel Storage Utility, с помощью которой можно легко и просто создать RAID-массив на основе уже работающего винчестера, не потеряв при этом существующие данные.

И в заключение отметим, что Intel Matrix Storage Technology — это интересная и перспективная технология, которая найдет свое применение как в домашних рабочих станциях, так и в серверах начального уровня.