Сетевая интеграция

В этой статье рассматриваются наиболее доступные по материальным затратам способы организации RAID-систем для уже установленных серверов. Также будет представлена новая технология RAID: IDE RAID.

Многие системные администраторы нередко при ограниченности в материальных средствах, встают перед вопросом: как произвести наращивание мощности своего сервера ? Что именно нужно приобрести для получения максимального выигрыша в производительности? Что выбрать: оперативную память, дополнительный процессор, или больший жесткий диск ?

Один из ответов - выберите RAID-систему, "избыточный массив недорогих независимых дисков". Опытные администраторы PC колеблются и смотрят на эту идею с недоверием. На больших машинах системы хранения данных обычно выполнены как автономные массивы. Так что идея конфигурировать массивы RAID в операционной системе Windows NT вручную воспринимается с недоверием. Понятие RAID, в кратком изложении такова: связать несколько жестких дисков вместе, чтобы получить один, одновременно улучшая эффективность, увеличивая пропускную способность и защищая данные. Ранние реализации просто объединяли диски в один массив. Когда Вы выполнили запись до конца одного диска, операционная система направляла вас к началу следующего, и так далее. Этим достигалась только одна из трех целей RAID - увеличение пропускной способности - без повышения эффективности или защиты данных. Когда появилась концепция RAID, появилось несколько схем, называемых уровнями. Уровень RAID 0 использует запись по полосам. В RAID 0 с двумя дисками, данные, записанные в четно нумерованные блоки, сохраняются на одном дисководе, и нечетно-пронумерованные блоки сохраняются на другом. Наборы полос могут быть такого размера, какой вы находите удобным, с блоками, записанными последовательно, один блок на каждом диске, пока последний диск не окажется заполненным. RAID0 обеспечивает две из трех целей: увеличенная пропускная способность и производительность. Усовершенствование эффективности приходит благодаря асинхронному характеру интерфейса SCSI. SCSI-контроллер может посылать команду жесткому диску, затем продолжать другую работу без необходимости ожидания ответа. В RAID 0 с двумя дисками SCSI контроллер может дать команду одному диску искать данные на определенной дорожке. В то время как головка этого дисковода находятся в движении, контроллер может сообщить, чтобы другой дисковод читал или записал определенный блок. Поскольку жесткие диски имеют кэш-память, они могут буферизовать запись и выполнять опережающее чтение вперед и оптимизацию (передачу отдельных блоков во время запроса других). При использовании нескольких дисков в RAID 0, производительность повышается пропорционально количеству дисков.

RAID 0, однако, не защищает данные. Фактически, он увеличивает чувствительность к отказу: если вы теряете любой дисковод, все данные оказываются потерянными. RAID0 соответствует требованиям только тех приложений, которые могут выдерживать потерю данных. Например, его использование эффективно при редактировании цифрового видео с возможностью восстановить файл в случае сбоя непосредственно с пленки. Другое использование - для сохранения промежуточной копии часто используемой базы данных. Подобно RAID 0, RAID1 (также известный как зеркальное отражение) достигает только двух из трех целей RAID, но отличных от RAID0: эффективность и защита. RAID 1 постоянно поддерживает точный дубликат содержания диска на другом диске. Если произошел сбой диска, зеркальные переключатели сработают автоматически. Почти во всех случаях, на работу приложения это не будет воздействовать. Если защита данных - для вас главная цель, то выбирайте RAID1. В RAID1 повышена производительность только на чтение. Интеллектуальные аппаратные средства RAID или программное обеспечение чередуют запросы чтения между зеркальными дисками, пользуясь преимуществом асинхронного характера SCSI. Запросы записи могут быть немного медленнее чем, при одиночном диске, но не значительно. Большой недостаток RAID 1 - стоимость памяти: вы теряете 50 % от доступной емкости. Если 50 % - для вас слишком высокая цена, то выберите RAID 4 или RAID 5. В настоящее время RAID 5 также называется "striping с контролем по четности". В RAID 5 эффективный размер массива уменьшен на емкость всего одного диска. В массиве с тремя дисками каждые два блока записываемых данных сопровождаются одним блоком данных контроля по четности. Программное обеспечение RAID или аппаратные средства распределя?т эти данные контроля четности по всем доступным дискам. В результате, RAID5 может поддерживать отказ любого диска без потери данных. Если произошли сбои диска, логика RAID синтезируют данные отсутствующего диска, используя информацию контроля четности и данные оставшихся дисков. RAID5 предоставляет эффективную защиту данных, но это приходит за счет снижения производительности в режиме отказа и в режиме записи. Эффективность записи ухудшается, потому что информация контроля по четности должна постоянно вычисляться и записываться. Каждый блок данных, который вы изменяете, генерирует изменение для связанного блока контроля по четности. Производительность в режиме отказа, то есть быстродействие, с которым система функционирует после отказа дисковода, может быть довольно низкой. RAID-система должна вычислить значение каждого отсутствующего бита при обращении на чтение. Существует так называемый комбинированный уровень RAID 10 (иногда вызываемый 0 + 1). Он объединяет методы уровней RAID1 и RAID0 - зеркалирование и запись по блокам. Снова, стоимость - половина вашей памяти, которая используется для зеркалирования, но у вас будет достаточно сильная защищенность. RAID10 - единственная схема, которая выдерживает отказ нескольких дисков. В принципе, возможен отказ всей системы при выходе из строя двух дисков, но для этого необходимо, чтобы это были диск и его зеркальный партнер. Чем больше массив, тем ниже вероятность такого отказа. Далее, массив RAID10 может поддерживать отказоустойчивость даже после выхода из строя одного диска. Кроме того, на эффективность заметно не воздействуют отказы: вы всегда имеете возможность использовать эффективность RAID0 на операциях чтения. Запись в RAID10 происходит немного медленнее, чем в RAID1. Существуют также другие уровни RAID, но те, о которых шла речь, поддерживаются большинством производителей RAID-систем сегодня. Выбор уровня зависит от того, сколько дисков вы имеете и где проводите черту между производительностью и надежностью. Если Вы имеете только три диска, RAID5 мог бы стать хорошим решением, или вы можете сконфигурировать их как один диск начальной загрузки и RAID1 - зеркальная пара. Четыре или пять дисков могут быть установлены несколькими способами. В RAID-системах, чем больше дисков Вы имеете, тем больше вариантов у вас есть для их объединения. Вы можете сочетать режимы RAID любым способом, который находите удобным. Как только Вы выбрали схему RAID, следующий ваш шаг должен установить, используете ли вы аппаратные средства или программное обеспечение для реализации массива.

Программные и аппаратные реализации

Операционная система Windows NT имеет встроенное программное обеспечение для организации RAID-подсистемы уровней 0, 1 и 5 без использования специальных аппаратных средств. Система с современным SCSI контроллером и одними или более быстрыми процессорами вполне достаточна для того, чтобы эксплуатировать RAID Windows NT. Установка RAID Windows NT проста. В отличие от аппаратных решений, Вы можете организовывать массивы RAID, используя только часть общей доступной памяти. Это позволяет Вам объединять диски различных размеров, и Вы также можете определять RAID-массивы и обычную дисковую память на одном и том же массиве. Эффективности работы RAID-систем, реализованных программно и аппаратно, конечно, различаются. Но в некоторых случаях такое различие может составлять 10-20 % и, при ограниченных материальных средствах, систему вполне можно реализовать программно.

Кроме производительности, аппаратная реализация RAID-систем имеет другие преимущества над программными реализациями. Например, аппаратные средства могут поддерживать уровень RAID10, чего пока не может Windows NT. Более существенные преимущества аппаратных реализаций касаются стратегий по обеспечению отказоустойчивости. RAID уровни 1, 5, и 10 защищают ваши данные после того, как диск вышел из строя, но для дальнейшей поддержки отказоустойчивости вы должны заменить неисправный диск настолько быстро, насколько это возможно. RAID-система программной реализации предлагает только одно решение: выключите систему, замените неудачный диск, реконфигурируйте массив RAID, и произведите перезагрузку. Конечная перезагрузка начинает процесс регенерации. Регенерация уровней RAID 0 или 10 дублирует зеркального партнера неисправного диска. Регенерация RAID 5 использует данные контроля по четности, чтобы синтезировать содержание неисправного диска для нового дисковода. RAID программного обеспечения Windows NT с трудом выдерживает отказы диска, особенно, когда системные файлы сохранены на RAID-массиве. Восстановление после отказа диска может потребовать редактирования регистра, установки второй копии Windows NT, загрузки с аварийной дискеты, или подключения дисков массива к другой машине. С планированием таких отказов заранее восстановление может идти гладко, но RAID программной реализации обычно имеет только один простой путь к восстановлению. Если он блокирован, работа по восстановлению может оставлять вашу систему неработоспособной в течение многих критических часов.

Аппаратные RAID-системы более универсальны. Большинство реализаций использует так называемую "горячую замену". Когда произошел сбой диска, вы можете вынуть его и заменить без остановки работы системы. Аппаратные средства обращают внимание на замену диска и начинают регенерировать данные немедленно. Еще более приемлемая опция, предлагаемая аппаратными средствами - горячий резерв. Горячий резерв - диск, зарезервированный для того, чтобы заменить вышедший из строя модуль. Если Вы планируете массив с пятью дисками, то купите шесть. Установите ваш RAID 5 массив, затем сконфигурируйте шестой диск как горячий резерв. Когда в системе RAID 5 произойдет сбой, аппаратные средства обратятся к горячему резерву, сконфигурируют его в массив и начнут процесс регенерации автоматически. RAID-системы аппаратной реализации намного ближе к цели достижения нулевого времени простоя, потому что разрешают замену и регенерацию без перезагрузки сервера. Большинство аппаратных RAID имеют для повышения производительности быстродействующую кэш-память и батареи для сохранения информации в случае сбоя. Они достаточно интеллектуальны, чтобы перенести данные из кэш на диск, когда работоспособность системы будет восстановлена. Имеется общая основа для всех RAID-систем: многоканальный SCSI адаптер. Избыточность, предлагаемая RAID, означает немного, если весь ваш массив оказывается неработоспособным из-за отказа контроллера или кабеля. Скажем, вы используете конфигурации RAID1 или 10. Если Вы конфигурируете два стека дисководов, каждый соединенный своим SCSI кабелем и отдельным чипом контроллера (или, еще лучше, отдельным контроллером), вы уменьшите вероятность краха всей системы.

IDE RAID

Возможно, вы уже слышали о компаниях, производящих недорогие RAID-системы на основе IDE-дисков: Bering и Antrone. IDE-диски намного дешевле SCSI, их стоимость составляет 50 процентов от стоимости аналогичного по стоимости SCSI-диска. Несколько изготовителей IDE-дисков теперь производят диски с частотой вращения 7,200 оборотов в минуту. До этого IDE диски имели частоту вращения 5,400 оборотов в минуту или медленнее. SCSI стандарт - 7,200 оборотов в минуту - теперь достигнут и производителями IDE дисков. Недостаток даже более значительный, чем быстродействие - синхронность выполнения операций. Один IDE-контроллер может устанавливать обмен данными максимум с двумя дисками. IDE испытывает недостаток способности выполнения асинхронных операций, то есть он не может выдавать одновременные команды обращения к целому стеку дисков сразу. Но инженеры компаний Bering и Antrone нашли способ преодолеть ограничения IDE. Это комбинированное решение, основанное на сочетании аппаратных средств и программных средств, которое поддерживает SCSI-подобное асинхронное поведение, при этом используется один IDE-чип контроллера для каждого дисковода. Такая система содержит свою внутреннюю шину, по которой происходит обмен данными между дисками и контроллером. Внешний обмен данными с сервером происходит по стандарту SCSI.

Рассматриваемые реализации RAID-систем на основе IDE-дисков обладают всеми характеристиками, присущими RAID-системам на основе SCSI-дисков: горячая замена, горячий резерв, и автоматическая регенерация. При этом общая стоимость системы снижается на десятки процентов. В заключение отметим, что эффективность RAID-систем на основе IDE-дисков может в некоторых случаях даже превышать аналогичные реализации на основе SCSI-дисков. В частности такой эффект наблюдался в тесте на обработку синхронных записей, используемых диспетчерами баз данных.

Сетевая интеграция