Macierze dyskowe - czym są i jakie zadanie spełniają?

Macierze dyskowe stanowią niezwykle istotny element, w który powinna wyposażyć się każda profesjonalna firma czy instytucja, choć stosowane są także w mniejszych biurach czy domu. Do ich głównych zadań należy między innymi podniesienie poziomu efektywności pracy serwera, ale również zapewnienie bezpieczeństwa danym. W niniejszym artykule przedstawimy wybrane typy macierzy dyskowych, skupiając się przede wszystkim na wydajności oraz technologiach, na których opiera się ich działanie.

Macierze dyskowe - czym są i jakie zadanie spełniają?

Macierze dyskowe to urządzenie wyposażone w kilkanaście bądź kilkadziesiąt dysków twardych lub dysków półprzewodnikowych SSD połączonych ze sobą. Odgrywają one niezwykle istotną rolę w kontekście bezpiecznej, sprawnej i wydajnej pracy każdego urządzenia. Takie rozwiązanie gwarantuje między innymi wysoki poziom bezpieczeństwa danych przechowywanych na komputerze, w tym haseł czy plików. Macierze dyskowe wpływają również na zwiększoną prędkość odczytu, a także wzrost wydajności pracy na danych. To wszystko przyczynia się do poprawienia efektywności pracy urządzenia.

Co więcej, macierze dyskowe powodują wzrost wydajności pracy serwera, pozwalając jednocześnie na tworzenie kopii zapasowych. Wiele dysków połączonych ze sobą w macierze oferuje znacznie szersze możliwości, niż ma się to w przypadku dysków pojedynczych. Takie rozwiązanie pozwoli na zoptymalizowanie oraz usprawnienie pracy w firmie czy instytucji.

Macierze dyskowe RAID - charakterystyka

Termin RAID, czyli z ang. Redundant Array of Independent Disks oznacza "nadmiarową macierz niezależnych dysków". Dzięki swojemu wysokiemu poziomowi odporności na awarie, macierze te używane są między innymi w celu zwiększenia niezawodności pracy urządzenia. Rozwiązanie to znajdzie swoje zastosowanie również w przypadku, gdy mamy w planach zwiększenie wydajności transmisji danych.

W systemie RAID dwa, kilka lub kilkanaście dysków współpracuje ze sobą, tworząc całość i poprzez wzajemne oddziaływanie, czynią swoją pracę bardziej efektywną, co przyczynia się do sprawniejszego działania komputera. W przypadku macierzy RAID wykorzystywane są następujące rozwiązania, jeśli chodzi o produkowane rodzaje dysków twardych na chwilę obecną: ATA, SATA, SCSI, SAS oraz Fibre Channel. Największą popularność zdobywają jednak SATA, SAS i FC, które należą do grupy rozwiązań opartych na wersjach serwerowych.

Jakie technologie wykorzystywane są podczas opracowywania macierzy dyskowych w typie RAID? Projektowanie tego rodzaju dysków polega w głównej mierze na uwzględnianiu wielorakich zastosowań pamięci masowej w systemach komputerowych. Macierze RAID może charakteryzować różnorodne przeznaczenie, a na ich wykorzystanie ma wpływ wiele czynników. Zaliczamy do nich między innymi wybór odpowiednich technologii w zakresie dysków, kontrolerów, pamięci podręcznej, sposobu przesyłania danych oraz poziomu niezawodności.

Jakie standardowe poziomy macierzy dyskowych RAID wyróżniamy?

 Wśród standardowych poziomów RAID wyróżniamy: RAID0, RAID1, RAID2, RAID3, RAID4, RAID5, RAID6, RAID 0+1, RAID 1+0.

• RAID 0 - to połączenie co najmniej 2 dysków. Uzyskujemy przyspieszenie operacji zapisu oraz odczytu spowodowane równoległym wykonywaniem operacji na wszystkich dyskach w macierzy. RAID 0 koncentruje się na “taśmowej” dystrybucji danych w celu przyspieszenia przetwarzania plików. Wadą jest brak odporności na awarię dysków. RAID 0 wykorzystywane jest do budowy tanich oraz wydajnych macierzy, umożliwiających przetwarzanie dużych plików multimedialnych.

• RAID 1 - replikacja pracy dwóch lub więcej dysków fizycznych. RAID 1 dubluje dane z dwóch lub więcej dysków twardych w celu ich zabezpieczenia. Zaletą jest odporność na awarię N – 1 dysków przy N-dyskowej macierzy, do wad natomiast zaliczmy możliwość zmniejszonej szybkości zapisu czy utratę pojemności.

• RAID 2 - w tym przypadku dane na dyskach są paskowane i każdy kolejny bit znajduje się na innym dysku. 

• RAID 3 - powstaje z połączenia co najmniej 3 dysków. Zapis następuje po 1 bajcie na każdym kolejnym dysku. Występuje dodatkowy dysk, na którym zapisywane są kody parzystości. Do wad zaliczamy spowolnienie dostępu do danych z powodu obliczeń sum kontrolnych, pojawiający się w przypadku awarii dysku.

• RAID 4 - dane zapisywane są kilku dyskach (minimum 3), a na osobnym dysku są umieszczane sumy kontrolne. Umożliwiają one jego odtworzenie przez odpowiednie operacje matematyczne, w przypadku wystąpienia awarii jednego z dysków.

• RAID 5 - potrzebuje przynajmniej 3 dysków. Umożliwiają zwiększenie bezpieczeństwa przy zachowaniu wydajności. RAID 5 pracuje podobnie do RAID 4, jednakże bity parzystości są rozpraszane po całej strukturze macierzy, a nie zapisywane na specjalnie do tego przeznaczonym dysku.

• RAID 6 to macierz z podwójną parzystością, a konfiguracja wymaga minimum 4 dysków. W porównaniu do RAID 5 kosztowniejsza, lecz bardziej niezawodna. Niekwestionowaną zaletą jest odporność na awarię maksimum 2 dysków. 

• RAID 0+1 - Połączenie zalet dwóch macierzy. Szybkości w operacjach zapisu i odczytu macierzy RAID 0 oraz bezpieczeństwa danych w przypadku awarii pojedynczego dysku macierzy RAID 1. RAID 0+1 wymaga co najmniej 4 dysków o tej samej pojemności. Największą wadą tej macierzy jest tworzenie lustrzanej kopii dysku logicznego. Z tego względu w przypadku awarii jednego dysku fizycznego, cały współtworzony dysk logiczny zostaje wyłączony.

• RAID 1+0 lub inaczej RAID 10. Od poprzenika różni się odmiennym sposobem realizowania tej samej koncepcji połączenia. Striping dotyczy mniejszych bloków danych. Zapisywane są one na dwóch dyskach, co umożliwia podczas wymiany uszkodzonego dysku odbudowanie jedynie fragment całej macierzy.

Niestandardowe poziomy macierzy RAID

Oprócz standardowych poziomów macierzy dyskowych RAID, wyróżniamy również te niestandardowe wersje. Możemy do nich zaliczyć między innymi RAID 5E oraz RAID 5EE, które zostały wyposażone w rozproszony dysk hot spare. Odgrywa on kluczową rolę w kontekście bezpieczeństwa, gwarantując wyższy poziom niezawodności konfiguracji systemów.

Hot spare zabezpiecza przed skutkami awarii ważnych elementów urządzenia, a w razie wystąpienia jakichkolwiek komplikacji, automatycznie je zastępuje. Wzrost wydajności dysków został zapewniony, dzięki technologii rozdystrybuowania dysku hot spare na wszystkie dyski. W praktyce, zastosowanie dysku RAID 5EE zwiększa poziom wydajności pracy komputera. W przypadku awarii jednego w urządzeń, cała macierz nadal działa w pełni sprawnie.

Istnieje również RAID 6E, czyli najnowocześniejsza technologia tego rodzaju macierzy dyskowych. Wyróżnia się ona nawet kilkukrotnie sprawniejszym działaniem, niż ma się to w przypadku ich poprzedników.

Macierze dyskowe RAID - wydajność

Jednym z parametrów, charakteryzujących macierze dyskowe RAID jest ich wydajność, czyli efektywność pracy. Jest ona ściśle związana z takimi kwestiami, jak liczba oraz szybkość dysków, ale również poziom macierzy i poziom wykonywanej operacji. Aby obliczyć wydajność macierzy dyskowych RAID, należy pomnożyć wartość wydajności pojedynczego dysku przez wartość liczby dysków. Należy również jednak pamiętać o tym, aby przed wyznaczeniem ostatecznego iloczynu, stanowiącego wydajność wszystkich macierzy, uwzględnić również dodatkowe operacje, w których biorą one udział.

 

 

Jeśli chodzi o te, charakteryzujące się poziomem zerowym, nie posiadają one żadnych dodatkowych danych. Dla poziomów 1, 1+0 i 0+1 dane należy zapisać w co najmniej dwóch miejscach, chociaż w większości przypadków zdarza się tak, iż są one zapisywane w trzech, a nawet czterech różnych miejscach. Sytuacja z macierzami z poziomów od trzeciego do szóstego jawi się jako nieco bardziej skomplikowana, gdyż muszą one odczytać stare dane, które mają być zmodyfikowane, aby wyliczyć i zapisać nowe sumy kontrolne. Należy również koniecznie w swoich obliczeniach uwzględnić stosunek ilości zapisów do ilości odczytów.

 

Macierze RAID - projektowanie

Spośród macierzy dyskowych w typie RAID, wyróżniamy dwa podstawowe rodzaje, do których należy mianowicie RAID sprzętowy oraz RAID programowy. Do największych zalet tego pierwszego rozwiązania możemy zaliczyć przede wszystkim zwiększoną wydajność, która została uzyskana dzięki zmniejszeniu obciążenia CPU. Warto także zaznaczyć, iż tego rodzaju macierze wykazują się również większą kompatybilnością z innymi systemami operacyjnymi, które cieszą się mniejszą popularnością. Jeśli chodzi natomiast o wady tego rodzaju rozwiązania, RAID sprzętowy wykorzystuje własnościowe protokoły i struktury danych, co w przypadku urządzenia kontrolera, może grozić utratą danych bez możliwości ich przywrócenia.

Jeśli chodzi natomiast o korzyści płynące z postawienia na RAID programowy, należą do nich przede wszystkim otwarty sposób zapisu danych, a także możliwość łączenia różnych interfejsów takich jak ATA, SCSI, SATA, USB w obrębie jednej macierzy. Opcja ta niesie za sobą jednak także kilka minusów. Po pierwsze, niekiedy może stać się koniecznością zainstalowanie dodatkowego specjalnego oprogramowania dla obsługiwanego systemu. Warto również zaznaczyć, iż w tym przypadku obciążenie CPU jest większe, co przyczynia się bezpośrednio do spadku wydajności pracy urządzenia. Co więcej, niekiedy będziesz zmuszony zainwestować w kolejny nośnik, co wynika z faktu, iż partycja startowa powinna znajdować się poza macierzą.

Macierze dyskowe ZFS - charakterystyka

Pierwotnie, nazwa ZFS stanowiła akronim od frazy Zettabyte File System, jednak po wprowadzeniu zmiany, termin ten stracił swoje pierwotne znaczenie. Obecnie, oprogramowanie ZFS jest bowiem zdolne do obsługiwania znacznie większych rozmiarów plików niż zettabajt. Ten 128-bitowy system plików został zaprojektowany przez nieistniejące już amerykańskie przedsiębiorstwo informatyczne Sun Microsystems. Był on dedykowany dla systemu operacyjnego Solaris.

System plików ZFS został wydany na licencji Common Development and Distribution License i zaliczamy do grupy open source. W tym przypadku kod źródłowy został wydany w ramach licencji wolnego oprogramowania. Stosunkowo niedługo, powinno zostać wdrożone kolejne udoskonalenie standardowego ZFS o nazwie ZFS on FUSE/Linux. Dzięki niemu, możliwe będzie użytkowanie tego systemu plików nawet w przypadku systemu Linux.

Obecnie, możliwości systemu plików ZFS zostały wyliczone na ponad 256 kwadrylionów ZB danych. Dla jasności, warto również wspomnieć, iż jeden zettabajt jest równy miliardowi terabajtów. Do systemu wprowadzanych jest również wiele aktualizacji, które mają za zadanie jego udoskonalenie oraz poszerzenie możliwości. Do tych najważniejszych należy między innymi wprowadzenia dodatkowej warstwy abstrakcji, której zadaniem jest oddzielenie przestrzeni przechowywania danych od fizycznych dysków. Wywiera to znaczący wpływ na organizację. Za wyższy poziom integralności danych odpowiadają bowiem 64-bitowe sumy kontrolne.

Macierze dyskowe RAID i ZFS - porównanie

ZFS oraz RAID to systemy, które różnią się między sobą wieloma kwestiami. Po pierwsze, oprogramowanie ZFS cechuje się o wiele wyższym poziomem wydajności, niż ma się to w przypadku tego drugiego systemu. Pozwala więc na uzyskanie większych szybkości przesyłu danych, a także pracy komputera.

ZFS został wyposażony również w większą ilość funkcji dodatkowych, takich jak na przykład 64-bitowe sumy kontrolne zapewniające integralność danych czy też dodatkowa warstwa abstrakcji. W przeciwieństwie do ZFS, systemy RAID charakteryzują się większą wszechstronnością i integralnością.

Oprogramowanie ZFS, dzięki swoim parametrom, jest zdolne obsługiwać woluminy dyskowe o rozmiarach 256 biliardów zettabajtów. Wydajność systemów RAID jest ściśle związana z poziomem zaawansowania danych macierzy dyskowych. Jeśli chodzi o te nowocześniejsze wersje, są one wyposażone w dysk hot spare.