Сохранение информации. Дисковые просторы серверов. RAID-массивы

Отличия RAID 3 от RAID 2: невозможность коррекции ошибок на лету и меньшая избыточность.

Достоинства:

• высокая скорость чтения и записи данных;
• минимальное количество дисков для создания массива равно трём.

Недостатки:

• массив этого типа хорош только для однозадачной работы с большими файлами, так как время доступа к отдельному сектору, разбитому по дискам, равно максимальному из интервалов доступа к секторам каждого из дисков. Для блоков малого размера время доступа намного больше времени чтения.
• большая нагрузка на контрольный диск, и, как следствие, его надёжность сильно падает по сравнению с дисками, хранящими данные.

 

Рис. 3. Схема RAID 3

 

 

 

 

 

 

5. RAID 4

 

RAID 4 похож на RAID 3, но отличается от него  тем, что данные разбиваются  на блоки, а не на байты. Таким образом, удалось отчасти «победить» проблему низкой скорости передачи данных небольшого объёма. Запись же производится медленно из-за того, что чётность для блока генерируется при записи и записывается на единственный диск. Из систем хранения широкого распространения RAID-4 применяется на устройствах хранения компании NetApp (NetApp FAS), где его недостатки успешно устранены за счет работы дисков в специальном режиме групповой записи, определяемом используемой на устройствах внутренней файловой системой WAFL.

Рис. 4. Схема RAID 4

 

6. RAID 5

 

Основным недостатком  уровней RAID от 2-го до 4-го является невозможность  производить параллельные операции записи, так как для хранения информации о чётности используется отдельный  контрольный диск. RAID 5 не имеет этого  недостатка. Блоки данных и контрольные  суммы циклически записываются на все  диски массива, нет асимметричности  конфигурации дисков. Под контрольными суммами подразумевается результат  операции XOR (исключающее или). Xor обладает особенностью, которая даёт возможность заменить любой операнд результатом, и, применив алгоритм xor, получить в результате недостающий операнд. Например: a xor b = c (где a, b, c - три диска рейд-массива), в случае если a откажет, мы можем получить его, поставив на его место c и проведя xor между c и b: c xor b = a. Это применимо вне зависимости от количества операндов: a xor b xor c xor d = e. Если отказывает c тогда e встаёт на его место и, проведя xor, в результате получаем c: a xor b xor e xor d = c. Этот метод, по сути, обеспечивает отказоустойчивость 5 версии. Для хранения результата xor требуется всего 1 диск, размер которого равен размеру любого другого диска в raid.

(+): RAID5 получил  широкое распространение, в первую  очередь, благодаря своей экономичности.  Объём дискового массива RAID5 рассчитывается  по формуле (n-1)*hddsize, где n - число дисков в массиве, а hddsize - размер наименьшего диска. Например, для массива из 4-х дисков по 80 гигабайт общий объём будет (4 − 1) * 80 = 240 гигабайт. На запись информации на том RAID 5 тратятся дополнительные ресурсы и падает производительность, так как требуются дополнительные вычисления и операции записи, зато при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких дисков массива могут обрабатываться параллельно.

(-): Производительность RAID 5 заметно ниже, в особенности на операциях типа Random Write (записи в произвольном порядке), при которых производительность падает на 10-25% от производительности RAID 0 (или RAID 10), так как требует большего количества операций с дисками (каждая операция записи сервера заменяется на контроллере RAID на три - одну операцию чтения и две операции записи). Недостатки RAID 5 проявляются при выходе из строя одного из дисков - весь том переходит в критический режим (degrade), все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко падает производительность. При этом уровень надежности снижается до надежности RAID-0 с соответствующим количеством дисков (то есть в n раз ниже надежности одиночного диска). Если до полного восстановления массива произойдет выход из строя, или возникнет невосстановимая ошибка чтения хотя бы на еще одном диске, то массив разрушается, и данные на нем восстановлению обычными методами не подлежат. Следует также принять во внимание, что процесс RAID Reconstruction (восстановления данных RAID за счет избыточности) после выхода из строя диска вызывает интенсивную нагрузку чтения с дисков на протяжении многих часов непрерывно, что может спровоцировать выход какого-либо из оставшихся дисков из строя в этот наименее защищенный период работы RAID, а также выявить ранее необнаруженные сбои чтения в массивах cold data (данных, к которым не обращаются при обычной работе массива, архивные и малоактивные данные), что повышает риск сбоя при восстановлении данных.

Минимальное количество используемых дисков равно трём.

 

Рис. 5. Схема RAID 5

 

7. RAID 6

 

RAID 6 - похож на RAID 5, но имеет более высокую степень надёжности - под контрольные суммы выделяется ёмкость 2-х дисков, рассчитываются 2 суммы по разным алгоритмам. Требует более мощный RAID-контроллер. Обеспечивает работоспособность после одновременного выхода из строя двух дисков - защита от кратного отказа. Для организации массива требуется минимум 4 диска. Обычно использование RAID-6 вызывает примерно 10-15% падение производительности дисковой группы, по сравнению с аналогичными показателями RAID-5, что вызвано большим объёмом обработки для контроллера (необходимость рассчитывать вторую контрольную сумму, а также прочитывать и перезаписывать больше дисковых блоков при записи каждого блока).

Рис. 6. Схема RAID 6

 

3. Протоколы SUN

 

Протоколы SUN являются приложениями операционной системы UNIX, использующими ТСР/IР в качестве транспортного протокола. Эти протоколы базируются на сетевой модели клиент-сервер, в которой приложения-клиенты передают запросы сетевым серверам, на которых размещаются серверные приложения. Стек SUN включает следующие протоколы:

 

• MOUNT
• NFS Network File System
• PMAP Port Mapper
• RPC Remote Procedure Call
• YP (NIS) Yellow Pages (Network Information Service)

 

На рисунке показано расположение стека протоколов SUN в эталонной модели OSI.

 

Рис. 7. Положение стека протоколов SUN в эталонной модели OSI

 

1. MOUNT

 

Протокол MOUNT служит для инициирования доступа клиентов к серверу, поддерживающему приложения NFS. Протокол MOUNT работает с параметрами, характерными для операционной системы (как формат имени маршрута, аутентификация пользователей). Клиенты, желающие получить доступ к программам NFS, сначала вызывают процедуры протокола MOUNT для получения дескриптора файла, который будет использоваться с NFS.

 

Кадры

 

Типы кадров, поддерживаемых протоколом MOUNT, перечислены ниже:

 

[no operations]	Нет операции
[add mount entry]	Запрос дескриптора файла  для NFS
[get all mounts]	Запрос перечня смонтированных для клиента устройств
[del mount entry]	Запрос на удаление смонтированного  устройства
[del all mounts]	Запрос на удаление всех смонтированных для клиента устройств
[get export list]	Запрос групповых прав для смонтированных устройств
[mount added]	Возвращает дескриптор файла  для использования с NFS
[give all mounts]	Возвращает список смонтированных устройств для клиента
[mount deleted]	Подтверждение операции удаления смонтированного устройства
[mounts deleted]	Подтверждение операции удаления всех смонтированных устройств клиента
[give export list]	Список групповых прав для смонтированных устройств

 

Параметры кадра

 

Параметры кадров протокола MOUNT рассмотрены ниже.

 

Имя маршрута

Имя маршрута на сервере  для смонтированного каталога (имя  выводится в двойных кавычках).

 

Дескриптор файла

32-байтовый дескриптор файла,  используемый для доступа к смонтированному каталогу.

 

Сбой при монтировании в системе UNIX может привести к выводу на экран сообщения об ошибке UNIX Error хххх, где хххх показывает стандартный код ошибки UNIX.

 

 

 

 

 

2. NFS

 

Протокол NFS (Network File System - сетевая файловая система) служит средством разделения файлов для стека протоколов SUN. NFS позволяет предоставлять клиентам распределенные файловые ресурсы сети как единую файловую систему. UNIX (Sun OS) является стандартной платформой для NFS, однако компания Sun разработала процедуры доступа к файлам таким образом, что стало возможным использование NFS для широкого круга операционных систем и протоколов.

 

Кадры

 

Протокол NFS поддерживает кадры следующих типов:

 

[no operations]	Нет операции
[get file attrib]	Запрос атрибутов файла
[set file attrib]	Попытка установить атрибуты файла
[get filesys root]	Запрос дескриптора корневого  файла
[search for file]	Запрос на поиск определенного  файла
[read from link]	Запрос на чтение из символьной ссылки
[read from file]	Запрос на чтение из файла
[write to cache]	Запрос на запись в кэш
[write to file]	Запрос на запись в файл
[create file]	Запрос на создание указанного файла
[delete file]	Запрос на удаление файла
[rename file]	Запрос на переименование файла
[link to file]	Запрос на создание файловой ссылки
[make symb link]	Запрос на создание символьной ссылки
[make directory]	Запрос на создание каталога
[remove directory]	Запрос на удаление каталога
[read directory]	Запрос на просмотр каталога
[get filesys attrib]	Запрос информации о файловой системе
[give file attrib]	Запрос атрибутов файла
[file attrib set]	Подтверждение установки  атрибутов файла
[filesystem root]	Возвращает дескриптор корневого  файла
[file search done]	Возвращает результат  поиска файла
[link read done]	Возвращает результат  чтения символьной ссылки
[file read done]	Возвращает результат  чтения файла
[cache write done]	Возвращает результат  записи в кэш
[file write done]	Возвращает результат  записи в файл
[create file rep]	Возвращает результат  создания файла
[delete file rep]	Возвращает результат  удаления файла
[rename file rep]	Возвращает результат  переименования файла
[link file reply]	Возвращает состояние  файловой ссылки
[symb link made]	Возвращает состояние  символьной ссылки
[make dir reply]	Возвращает результат  создания каталога
[remove dir reply]	Возвращает результат  удаления каталога
[dir read done]	Возвращает результат  просмотра каталога
[filesystem attrib]	Возвращает атрибуты файловой системы

  

Параметры кадра

 

Кадры NFS могут содержать следующие параметры:

Дескриптор файла

32-байтовый дескриптор, используемый для доступа к файлу.

Количество

Число байтов, записанных или прочитанных при файловой операции.

Смещение

Начальное смещение в файле  для операции чтения или записи.

Тип файла

Включает следующие типы файлов:

 

NON	Not-file (не файл)
REG	Regular file (обычный файл)
DIR	Directory (каталог)
BLK	Block device (блочное устройство)
CHK	Character device (символьное устройство)
LNK	Symbolic link (символьная ссылка)

 

Режим

Режим доступа к файлу представляется четырьмя полями Mode/Owner/Group/Others (режим/владелец/группа/прочее) и может включать следующие значения:

Поле	Параметр	Описание
Режим	U	Исполняемый указанным пользователем
	G	Исполняемый указанной группой
	S	Сохранить файл как исполняемый  после использования
Владелец	R	Чтение
	W	Запись/удаление
	X	Исполнение/поиск
Группа	r	Чтение
	w	Запись/удаление
	x	Исполнение/поиск
Прочие	r	Чтение
	w	Запись/удаление
	x	Исполнение/поиск

Ссылки (links)

Количество ссылок типа hard или имен для файла.

Размер