Введение в RAID: уровни и их отличия

• Что такое RAID-массив
• RAID vs. JBOD
• Как работает RAID-массив
• Методы хранения в RAID
• Уровни RAID-массивов
• Преимущества использования RAID-массивов
• Работа с  RAID-массивами
• Заключение

Рост объемов данных и требования к их надежности заставляют искать эффективные способы хранения информации. Одним из таких решений стали RAID-массивы. Они могут ускорять работу, повышать отказоустойчивость или совмещать оба подхода.

В этой статье мы разберем основные уровни RAID и наглядно сравним их особенности.

Что такое RAID-массив

RAID-массив (Redundant Array of Independent/Inexpensive Disks) — это технология объединения нескольких физических жестких дисков или SSD в единую логическую систему. Основная цель — повысить скорость работы с данными, увеличить надежность хранения или совместить оба преимущества.

Идея проста: несколько накопителей работают как единое целое, а данные распределяются между ними по определенным правилам — уровням RAID. Эти правила определяют, каким образом информация записывается, читается и защищается от сбоев.

RAID vs. JBOD

JBOD (Just a Bunch Of Disks — «просто набор дисков») — это способ объединить несколько накопителей в одну систему без применения избыточности и специальных алгоритмов. 

В отличие от RAID, где диски работают по определенным правилам, JBOD либо видит каждый диск отдельно, либо последовательно объединяет их в один большой том. Это простой способ расширить дисковое пространство, но без защиты от сбоев.

RAID и JBOD используют несколько дисков, но с разными целями: RAID делает упор на надежность и/или производительность, а JBOD — на простое увеличение объема.

Как работает RAID-массив

RAID-массив распределяет данные между несколькими дисками по определенным правилам. Они заранее заданы для каждого уровня RAID и определяют, как информация записывается и читается: данные могут дублироваться, делиться на блоки для параллельной обработки или сопровождаться контрольной информацией для восстановления при сбое.

Для операционной системы RAID-массив выглядит как единый накопитель. Все механизмы распределения и защиты данных выполняются в фоновом режиме и не требуют вмешательства пользователя. Это позволяет использовать массив так же, как обычный диск.

Управление таким массивом берет на себя RAID-контроллер. Он распределяет данные между дисками, обеспечивает их синхронизацию и восстанавливает информацию при сбое, если это поддерживает выбранный уровень RAID. 

Методы хранения в RAID

RAID использует три основных алгоритма работы с данными:

Чередование

Данные разбиваются на блоки и последовательно распределяются между несколькими дисками. Он позволяет системе читать и записывать информацию параллельно, что значительно повышает производительность.

Однако у чередования есть существенный недостаток — отсутствие избыточности. Если один из дисков выйдет из строя, теряется весь массив, так как данные оказываются неполными.

Зеркалирование

Создает точные копии данных на двух и более дисках. Гарантирует отказоустойчивость: при поломке одного накопителя система продолжит работу, используя копию.

Главный минус зеркалирования — снижение доступного объема. Половина емкости массива (или больше, если копий несколько) уходит на хранение дубликатов. С увеличением числа копий затраты на хранение растут, но общий объем доступного пространства не увеличивается.

Паритет

Обеспечивает устойчивость к сбоям за счет записи дополнительной информации, которая помогает восстановить данные при отказе диска. В отличие от зеркалирования, где копируется весь объем, здесь используется математический расчет, что экономит место.

Паритет позволяет достичь баланса: хранение обходится дешевле, чем при зеркалировании, а уровень надежности и производительности остается приемлемым. Поэтому он часто используется в уровнях RAID, где важно сохранить и производительность, и защиту данных.

Уровни RAID-массивов

Технология RAID реализуется в разных вариантах, которые называются уровнями. Каждый уровень определяет, как распределяются данные между дисками и какие преимущества получает система: скорость, надежность или баланс между ними.

Принято выделять три группы уровней:

• стандартные — классические варианты, которые описаны еще в первых спецификациях;
• комбинированные — комбинации нескольких стандартных уровней;
• нестандартные — проприетарные решения производителей оборудования или ОС.

Стандартные уровни RAID

RAID 0 объединяет несколько дисков в один логический том и распределяет данные блоками между всеми накопителями. Операции чтения и записи выполняются параллельно.

+:

• максимальная скорость операций чтения и записи;
• 100% эффективность использования пространства (нет накладных расходов на избыточность);
• простая настройка и низкая стоимость реализации.

–

• полное отсутствие избыточности и защиты данных;
• отказ одного диска приводит к потере всего массива.

Применяется для временных или вспомогательных хранилищ. Хорошо подходит для кэша, игровых установок, обработки мультимедиа и работы с временными файлами, где важна скорость, а потеря данных некритична.

RAID 1 создает полные копии данных на двух и более дисках. При выходе из строя одного из накопителей система продолжает работать с копией, обеспечивая высокую отказоустойчивость. 

+:

• высокая скорость чтения;
• надежность и отказоустойчивость;
• простая настройка и управление.

–

• доступна только половина объема дисков;
• более высокая стоимость, так как требуется вдвое больше накопителей;
• есть небольшая задержка при записи, поскольку данные копируются на все диски.

Применяется в критичных системах, где важны непрерывная работа и сохранность данных: финансовые базы, медицинские системы, домашние серверы или рабочие станции в бизнесе.

RAID 2 редко используется на практике. Он выполняет чередование на уровне битов и применяет код Хэмминга для исправления ошибок. Все диски работают синхронно, из-за чего массив плохо справляется с одновременными запросами.

+:

• исправление ошибок на уровне битов;
• высокая надежность данных.

–

• дорогая и сложная реализация;
• требуются синхронизированные шпиндели дисков;
• считается устаревшим.

В прошлом RAID 2 использовали в системах, где требовалась аппаратная коррекция ошибок, но современные накопители уже содержат встроенные механизмы ECC, поэтому необходимость в этом уровне отпала.

RAID 3 — данные распределяются по дискам побайтно, а один диск выделяется под паритет. Все операции ввода-вывода затрагивают сразу все накопители массива, что дает хорошие результаты при длинных последовательных операциях чтения и записи. 

+:

• высокая пропускная способность при работе с большими последовательными файлами;
• возможное восстановление данных после отказа одного диска.

–

• низкая эффективность при мелких и случайных операциях;
• необходимость синхронизации накопителей и дополнительного оборудования;
• один диск с паритетом становится слабым местом массива.

Почти не используется. Раньше его применяли для задач с большими потоками последовательных данных, например в научных вычислениях или при обработке видео.

RAID 4 использует блочное чередование и один выделенный диск для паритета. Он обеспечивает быстрые операции случайного чтения, но при записи производительность падает, так как необходимо обновлять паритетные данные на одном и том же диске. 

+:

• высокая скорость чтения;
• минимальные накладные расходы на хранение;
• поддержка параллельных запросов на чтение.

–

• снижение производительности при записи;
• один диск с паритетом перегружается;
• при его отказе теряются все данные массива.

Сегодня почти не используется. Его вытеснил RAID 5, который обеспечивает более высокий уровень надежности и лучше справляется с нагрузкой. Подходит в основном для систем с большими объемами последовательного чтения.

RAID 5 сочетает блочное чередование и распределенный паритет. Для работы требуется минимум три диска, максимум — до 16. Данные и паритетная информация равномерно распределяются по всем накопителям, что позволяет восстановить массив при выходе из строя одного из них.

+:

• высокая производительность и большая доступная емкость;
• эффективное использование пространства;
• сохраняет работоспособность при отказе одного диска.

–

• длительное и рискованное восстановление;
• записи выполняются медленнее из-за вычисления паритета;
• потеря данных при одновременном выходе из строя двух дисков.

RAID 5 считается одним из самых популярных уровней. Он хорошо подходит для файловых серверов, прикладных систем и веб-серверов.

RAID 6 использует блочное чередование с двойным распределенным паритетом. По сути, это расширение RAID 5: к каждому набору данных добавляются два блока паритета, что позволяет массиву выдержать отказ сразу двух дисков. Для работы требуется минимум четыре накопителя, но оптимальная эффективность достигается при шести и более.

Данные и паритет распределяются по всем дискам, благодаря чему обеспечивается параллельное чтение и высокая скорость выборки информации. Однако запись заметно медленнее из-за необходимости рассчитывать и записывать два паритетных блока. При восстановлении после сбоя массив остается надежнее, чем RAID 5. 

+:

• сохраняет работоспособность при выходе из строя двух дисков;
• эффективное использование пространства при больших массивах;
• высокая скорость чтения.

–

• заметно более медленные операции записи;
• процесс восстановления может занимать более суток;
• дополнительные затраты из-за второго паритета.

RAID 6 подходит для систем, где критична доступность данных и недопустим простой: корпоративные хранилища, банковская инфраструктура, медицинские информационные системы и резервные серверы.

Теперь кратко повторим, что это за уровни:

Комбинированные уровни RAID

Комбинированные (гибридные) уровни RAID образуются за счет объединения стандартных вариантов. Это позволяет использовать сильные стороны разных технологий и компенсировать их слабые места.

RAID 10 (RAID 1+0) — комбинация RAID 1 и RAID 0. В этом массиве данные сначала зеркалируются, а затем зеркала объединяются методом чередования. Подобная структура обеспечивает более высокую производительность по сравнению с RAID 1 и при этом сохраняет надежность. Тем не менее она требует большего числа дисков и повышает стоимость реализации.

RAID 03 (RAID 0+3 / RAID 53) сочетает метод чередования RAID 0 с организацией виртуальных блоков RAID 3. В результате достигается более высокая производительность по сравнению с классическим RAID 3. Но и стоимость реализации оказывается выше.

RAID 50 (5+0) представляет собой несколько массивов RAID 5, которые объединены в RAID 0. Конфигурация обеспечивает высокую скорость и выдерживает отказ нескольких дисков (по одному в каждом RAID 5). Используется в серверах с интенсивной нагрузкой.

RAID 60 (6+0) объединяет несколько RAID 6 в RAID 0. Массив способен выдержать отказ двух дисков в каждой группе и при этом демонстрирует стабильную производительность. Применяется для систем, где необходимо надежное хранение больших объемов данных.

RAID 100 (1+0+0) — комбинация из нескольких RAID 10, которые объединены в RAID 0. Конфигурация отличается высокой отказоустойчивостью и масштабируемостью, но требует значительных ресурсов. Используется в крупных корпоративных инфраструктурах.

Нестандартные уровни RAID

Нестандартные RAID отличаются от классических тем, что они не входят в первоначальную классификацию и обычно разрабатываются отдельными компаниями для собственных нужд. У таких решений, как правило, есть дополнительные механизмы или оптимизации, которые делают их уникальными по сравнению со стандартными уровнями.

RAID 7 основан на идеях RAID 3 и RAID 4. Он использует кэширование через быструю шину и специальную встроенную систему управления, из-за чего работает почти как полноценный компьютер.

Adaptive RAID позволяет контроллеру самостоятельно определять, как будет храниться паритет. В зависимости от ситуации он выбирает подход RAID 3 или RAID 5, а потому массив становится более гибким и оптимизированным под конкретные задачи.

RAID-DP (Double Parity RAID) — это проприетарное расширение RAID 6, которая разработано компанией NetApp. Оптимизировано для повышения производительности и отказоустойчивости в хранилищах NetApp.

Linux MD RAID 10 — вариант RAID 10, который реализован в подсистеме Linux Multiple Device. Поддерживает зеркалирование и чередование на произвольном числе дисков, а не только кратном четырем. Может работать в разных режимах, оптимизированных под разные паттерны ввода-вывода и требования к отказоустойчивости.

RAID-Z —  разновидность RAID, которая встроена в файловую систему ZFS. Напоминает RAID 5, но имеет встроенные механизмы самовосстановления, которые предотвращают порчу данных при резких отключениях питания. Существует три варианта: RAID-Z1 (выдерживает отказ одного диска), RAID-Z2 (двух) и RAID-Z3 (трех).

Преимущества использования RAID-массивов

• Избыточность данных и отказоустойчивость. Даже если один или несколько дисков выйдут из строя (в зависимости от уровня RAID), информация останется доступной. 
• Защита информации. Массивы снижают риск потери важных файлов: данные дублируются или сопровождаются паритетом, что позволяет их восстановить. Конечно, RAID не заменяет резервное копирование, но служит дополнительным уровнем безопасности.
• Масштабируемость. Когда объем хранения перестает хватать, массив можно расширить за счет добавления новых дисков. Это проще и дешевле, чем покупать новое устройство.
• Увеличение полезного пространства. RAID объединяет несколько дисков в одну систему. В результате все дисковое пространство используется максимально эффективно.
• Рост производительности. В массивах, где данные распределяются по нескольким дискам (например, RAID 0 или RAID 10), операции чтения и записи выполняются параллельно. Это заметно ускоряет работу с файлами.

Работа с  RAID-массивами

Использовать RAID можно разными способами — все зависит от оборудования, задач и бюджета. На практике применяют три основных подхода:

RAID через BIOS/UEFI (Firmware RAID)

Во многих современных материнских платах (например, с поддержкой Intel RST или AMD RAID) уже есть встроенный контроллер. Настройка выполняется прямо в BIOS или UEFI, где можно собрать массивы уровней 0, 1, 5 или 10.
Подходит для десктопных компьютеров, рабочих станций и небольших серверов. 

Важно! Конфигурацию RAID нужно задать до установки операционной системы.

Программный RAID

Управление массивом берет на себя операционная система, дополнительное железо не требуется:

В Windows RAID настраивается через «Управление дисками» или функцию Storage Spaces.
В Linux для этого используется утилита mdadm.

Программный RAID хорош для домашних и рабочих ПК, а также для несложных корпоративных задач.

Аппаратный RAID

Реализуется через отдельный контроллер, который обычно устанавливается в слот PCIe. Наиболее известные решения — от LSI, Broadcom, Adaptec. Такой контроллер сам выполняет все RAID-операции, не нагружая центральный процессор.

Используется в корпоративных серверах, промышленных системах и дата-центрах. Дает высокую производительность, поддерживает сложные уровни RAID (например, 5, 6, 10) и обеспечивает надежность на уровне оборудования.

Заключение

RAID-массивы стали важным инструментом в управлении данными: они позволяют объединять диски в единую систему, повышать устойчивость к сбоям и оптимизировать работу с информацией. Технология продолжает использоваться и развиваться, занимая прочное место как в серверных решениях, так и в пользовательских системах.