RAID-opas: määritelmä, tasot ja käyttö tietojen tallennuksessa

Fyysisten levyjen ja loogisten levyjen välinen ero

Kiintolevy on osa tietokonetta. Tavalliset kiintolevyt käyttävät magnetismia tiedon tallentamiseen. Kun kiintolevyjä käytetään, ne ovat käyttöjärjestelmän käytettävissä. Microsoft Windowsissa jokaiselle kiintolevylle annetaan asemakirjain (joka alkaa kirjaimella C:, A: tai B: on varattu levykkeille). Unix- ja Linuxin kaltaisissa käyttöjärjestelmissä on yksijuurinen hakemistopuu. Tämä tarkoittaa sitä, että tietokoneita käyttävät ihmiset eivät joskus tiedä, mihin tiedot on tallennettu (ollaksemme rehellisiä, monet Windows-käyttäjät eivät myöskään tiedä, mihin heidän tietonsa on tallennettu).

Tietojenkäsittelyssä kiintolevyjä (jotka ovat laitteistoa ja joihin voi koskea) kutsutaan joskus fyysisiksi asemiksi tai fyysisiksi levyiksi. Sitä, mitä käyttöjärjestelmä näyttää käyttäjälle, kutsutaan joskus loogiseksi levyksi. Fyysinen asema voidaan jakaa eri osiin, joita kutsutaan levyosioiksi. Yleensä kukin levyosio sisältää yhden tiedostojärjestelmän. Käyttöjärjestelmä näyttää jokaisen osion loogisen levyn tavoin.

Käyttäjän silmissä sekä asennus, jossa on useita fyysisiä levyjä, että asennus, jossa on useita loogisia levyjä, näyttää siis samalta. Käyttäjä ei voi päättää, onko "looginen levy" sama kuin fyysinen levy vai onko se vain osa levyä. Tallennusalueverkot (SAN) muuttavat tämän näkemyksen täysin. SAN:stä näkyy vain joukko loogisia levyjä.

Tietojen lukeminen ja kirjoittaminen

Tietokoneessa data on järjestetty bittien ja tavujen muodossa. Useimmissa järjestelmissä tavun muodostaa 8 bittiä. Tietokoneen muisti käyttää sähköä tiedon tallentamiseen, kiintolevyt käyttävät magnetismia. Kun tietoja kirjoitetaan levylle, sähköinen signaali muuttuu magneettiseksi. Kun tietoja luetaan levyltä, muuntaminen tapahtuu toiseen suuntaan: Sähköinen signaali tehdään magneettikentän napaisuudesta.

Mikä on RAID?

RAID-määritys yhdistää kaksi tai useampia kiintolevyjä niin, että ne muodostavat loogisen levyn. Tähän on useita eri syitä. Yleisimmät syyt ovat seuraavat:

• Tietojen häviämisen estäminen, kun yksi tai useampi array-levy vikaantuu.
• Nopeampi tiedonsiirto.
• Mahdollisuus vaihtaa levyjä järjestelmän ollessa käynnissä.
• Useiden levyjen yhdistäminen suuremman tallennuskapasiteetin saamiseksi; joskus käytetään useita halpoja levyjä kalliimman levyn sijasta.

RAID tehdään käyttämällä tietokoneessa erityistä laitteistoa tai ohjelmistoa. Yhdistetyt kiintolevyt näyttävät tällöin käyttäjälle yhdeltä kiintolevyltä. Useimmat RAID-tasot lisäävät redundanssia. Tämä tarkoittaa, että tiedot tallennetaan useammin tai tallennetaan tietoja siitä, miten tiedot voidaan rekonstruoida. Näin useat levyt voivat vioittua ilman, että tiedot menetetään. Kun vikaantunut levy korvataan, sen sisältämät tiedot kopioidaan tai rakennetaan uudelleen järjestelmän muilta levyiltä. Tämä voi kestää kauan. Aika riippuu eri tekijöistä, kuten joukon koosta.

Miksi käyttää RAIDia?

Yksi syy siihen, miksi monet yritykset käyttävät RAID-ratkaisua, on se, että ryhmään sisältyviä tietoja voidaan yksinkertaisesti käyttää. Tietoja käyttävien henkilöiden ei tarvitse olla lainkaan tietoisia siitä, että he käyttävät RAIDia. Kun vika on tapahtunut ja array on toipumassa, tietojen käyttö on hitaampaa. Tietojen käyttäminen tänä aikana hidastaa myös toipumisprosessia, mutta se on silti paljon nopeampaa kuin se, että tietoja ei voisi käyttää lainkaan. RAID-tasosta riippuen levyt eivät kuitenkaan välttämättä vioitu, kun uutta levyä valmistellaan käyttöön. Jos levy vikaantuu tuona aikana, kaikki tietomäärän tiedot menetetään.

Eri tapoja yhdistää levyjä kutsutaan RAID-tasoiksi. Suurempi tason numero ei välttämättä ole parempi. Eri RAID-tasoilla on eri tarkoitukset. Joissakin RAID-tasoissa tarvitaan erityisiä levyjä ja erityisiä ohjaimia.

Historia

Vuonna 1978 IBM:llä työskentelevä Norman Ken Ouchi teki ehdotuksen, jossa hän kuvasi suunnitelmia siitä, mistä myöhemmin tuli RAID 5. Suunnitelmissa kuvattiin myös jotain RAID 1:n kaltaista sekä RAID 4:n osan suojaaminen.

Berkeleyn yliopiston työntekijät auttoivat tutkimuksen suunnittelussa vuonna 1987. He yrittivät tehdä mahdolliseksi sen, että RAID-tekniikka tunnistaisi yhden kiintolevyn sijasta kaksi kiintolevyä. He havaitsivat, että kun RAID-tekniikassa oli kaksi kiintolevyä, sen tallennustila oli paljon parempi kuin yhdellä kiintolevyllä. Se kuitenkin kaatui paljon useammin.

Vuonna 1988 David Patterson, Garth Gibson ja Randy Katz kirjoittivat eri RAID-tyypeistä (1-5) artikkelissaan "A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID)". Tämä artikkeli oli ensimmäinen, jossa uutta tekniikkaa kutsuttiin RAIDiksi, ja nimestä tuli virallinen.

RAID käyttää muutamia perusideoita, jotka kuvattiin Peter Chenin ja muiden vuonna 1994 julkaistussa artikkelissa "RAID: High-Performance, Reliable Secondary Storage".

Välimuistiinpano

Välimuistitallennus on tekniikka, jota käytetään myös RAID-järjestelmissä. RAID-järjestelmissä käytetään erilaisia välimuisteja:

• Käyttöjärjestelmä
• RAID-ohjain
• Yrityksen levymatriisi

Nykyaikaisissa järjestelmissä kirjoituspyyntö katsotaan tehdyksi, kun tiedot on kirjoitettu välimuistiin. Tämä ei tarkoita, että tiedot on kirjoitettu levylle. Välimuistista tulevia pyyntöjä ei välttämättä käsitellä samassa järjestyksessä kuin ne on kirjoitettu välimuistiin. Tämän vuoksi on mahdollista, että jos järjestelmä ei toimi, joskus joitakin tietoja ei ole kirjoitettu kyseiselle levylle. Tästä syystä monissa järjestelmissä on välimuisti, jota tuetaan akulla.

Peilaus: Useampi kuin yksi kopio tiedoista

Kun puhutaan peilistä, tämä on hyvin yksinkertainen ajatus. Sen sijaan, että tiedot olisivat vain yhdessä paikassa, niistä on useita kopioita. Nämä kopiot ovat yleensä eri kiintolevyillä (tai levyosioissa). Jos kopioita on kaksi, toinen niistä voi vikaantua ilman, että se vaikuttaa tietoihin (koska ne ovat edelleen toisessa kopiossa). Peilaaminen voi myös tehostaa tietojen lukemista. Se otetaan aina nopeimmalta levyltä, joka vastaa. Tietojen kirjoittaminen on kuitenkin hitaampaa, koska kaikki levyt on päivitettävä.

Raidoitus: Osa tiedoista on toisella levyllä

Raidoituksessa tiedot jaetaan eri osiin. Nämä osat päätyvät sitten eri levyille (tai levyosioihin). Tämä tarkoittaa, että tietojen kirjoittaminen on nopeampaa, koska se voidaan tehdä rinnakkain. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, ettei virheitä esiintyisi, sillä kukin tietolohko on vain yhdellä levyllä.

Virheiden korjaus ja viat

On mahdollista laskea erilaisia tarkistussummia. Jotkin tarkistussummien laskentamenetelmät mahdollistavat virheen löytämisen. Useimmat redundanssia käyttävät RAID-tasot pystyvät tähän. Jotkin menetelmät ovat vaikeampia, mutta niiden avulla voidaan paitsi havaita virhe myös korjata se.

Hot spares: käytetään enemmän levyjä kuin tarvitaan

Monet tavoista, joilla RAID tukee jotakin, ovat nimeltään hot spare. Hot spare on tyhjä levy, jota ei käytetä normaalissa toiminnassa. Kun levy vikaantuu, tiedot voidaan kopioida suoraan hot spare -levylle. Näin vikaantunut levy on korvattava uudella tyhjällä levyllä, josta tulee hot spare.

Raidakoko ja lohkokoko: tietojen jakaminen useammalle levylle.

RAID toimii jakamalla tiedot useille levyille. Kaksi tässä yhteydessä usein käytettyä termiä ovat stripe size ja chunk size.

Kappalekoko on pienin tietolohko, joka kirjoitetaan yksittäiselle levylle. Raidekoko on tietolohkon koko, joka levitetään kaikille levyille. Kun käytössä on neljä levyä ja raidekoko on 64 kilotavua (kB), jokaiselle levylle kirjoitetaan 16 kB. Tässä esimerkissä lohkokoko on siis 16 kB. Jos raidekokoa kasvatetaan, tiedonsiirtonopeus nopeutuu, mutta myös enimmäisviive kasvaa. Tässä tapauksessa tämä on aika, joka tarvitaan tietolohkon saamiseen.

Levyn kokoaminen yhteen: JBOD, ketjuttaminen vai levynjako?

Monet ohjaimet (ja myös ohjelmistot) voivat koota levyjä yhteen seuraavalla tavalla: Ota ensimmäinen levy, kunnes se loppuu, sitten he ottavat toisen ja niin edelleen. Tällä tavoin useat pienemmät levyt näyttävät yhdeltä suuremmalta. Tämä ei kuitenkaan ole varsinainen RAID, koska siinä ei ole redundanssia. Lisäksi spanning-menetelmällä voidaan yhdistää levyjä, kun RAID 0 ei voi tehdä mitään. Yleensä tätä kutsutaan vain levyjen ryhmäksi (JBOD).

Tämä on RAIDin kaukainen sukulainen, koska looginen asema koostuu eri fyysisistä asemista. Yhdistämistä käytetään joskus useiden pienten asemien muuttamiseen yhdeksi suuremmaksi käyttökelpoiseksi asemaksi. Tätä ei voi tehdä RAID 0:lla. Esimerkiksi JBOD-käytössä voidaan yhdistää 3 Gt:n, 15 Gt:n, 5,5 Gt:n ja 12 Gt:n asemat 35,5 Gt:n loogiseksi asemaksi, joka on usein käyttökelpoisempi kuin yksittäiset asemat.

Oikeanpuoleisessa kuvassa tiedot yhdistetään levyn 0 lopusta (lohko A63) levyn 1 alkuun (lohko A64), levyn 1 lopusta (lohko A91) levyn 2 alkuun (lohko A92). Jos käytettäisiin RAID 0 -ratkaisua, levyt 0 ja 2 typistettäisiin 28 lohkoon, joka vastaa joukon pienimmän levyn (levy 1) kokoa, jolloin kokonaiskoko olisi 84 lohkoa.

Jotkin RAID-ohjaimet käyttävät JBOD-käsitettä puhuakseen asemien käyttämisestä ilman RAID-ominaisuuksia. Kukin asema näkyy käyttöjärjestelmässä erikseen. Tämä JBOD ei ole sama kuin ketjutus.

Monet Linux-järjestelmät käyttävät termejä "lineaarinen tila" tai "liitetila". Mac OS X 10.4:n toteutus - nimeltään "Concatenated Disk Set" - ei jätä käyttäjälle käyttökelpoista dataa jäljelle jääviltä asemilta, jos yksi asema vikaantuu ketjutetussa levysarjassa, vaikka levyt toimivat muuten edellä kuvatulla tavalla.

Yhdistäminen on yksi Linuxin loogisten tietueiden hallinnan käyttötavoista. Sitä voidaan käyttää virtuaalisten asemien luomiseen.

Aseman kloonaus

Useimmissa nykyaikaisissa kiintolevyissä on standardi nimeltä S.M.A.R.T (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology). SMART mahdollistaa tiettyjen asioiden seuraamisen kiintolevyasemassa. Tietyt ohjaimet mahdollistavat yksittäisen kiintolevyn vaihtamisen jo ennen sen vikaantumista esimerkiksi siksi, että S.M.A.R.T. tai jokin muu levytesti ilmoittaa liian monta korjattavaa virhettä. Tätä varten ohjain kopioi kaikki tiedot hot spare -asemalle. Tämän jälkeen levy voidaan korvata toisella levyllä (josta tulee yksinkertaisesti uusi hot spare).

Erilaiset asetukset

Levyjen kokoonpano ja se, miten ne käyttävät edellä mainittuja tekniikoita, vaikuttavat järjestelmän suorituskykyyn ja luotettavuuteen. Kun levyjä käytetään useampia, on todennäköisempää, että jokin levyistä vikaantuu. Tämän vuoksi on rakennettava mekanismeja, joilla virheet voidaan löytää ja korjata. Tämä tekee koko järjestelmästä luotettavamman, koska se pystyy selviytymään ja korjaamaan vian.

Yleisesti käytetyt RAID-tasot

RAID 0 "raidoitus"

RAID 0 ei oikeastaan ole RAID, koska se ei ole redundantti. RAID 0:ssa levyt yksinkertaisesti yhdistetään suureksi levyksi. Tätä kutsutaan "strippaukseksi". Kun yksi levy vikaantuu, koko joukko vikaantuu. Siksi RAID 0:ta käytetään harvoin tärkeisiin tietoihin, mutta tietojen lukeminen ja kirjoittaminen levyltä voi olla nopeampaa strippauksen avulla, koska jokainen levy lukee osan tiedostosta samanaikaisesti.

RAID 0:ssa toistensa jälkeen tulevat levylohkot sijoitetaan yleensä eri levyille. Tästä syystä kaikkien RAID 0:n käyttämien levyjen on oltava samankokoisia.

RAID 0:aa käytetään usein Linux- tai Unixin kaltaisissa käyttöjärjestelmissä Swapspaceen.

RAID 1 "peilaus"

RAID 1:ssä kaksi levyä yhdistetään. Molemmilla on samat tiedot, ja toinen "peilaa" toista. Tämä on helppo ja nopea konfigurointi riippumatta siitä, onko se toteutettu laitteisto-ohjaimella vai ohjelmistolla.

RAID 5 "raidoitus ja hajautettu pariteetti".

RAID-taso 5 on luultavasti se, mitä käytetään useimmiten. RAID 5 -tallennusryhmän muodostamiseen tarvitaan vähintään kolme kiintolevyä. Kukin tietolohko tallennetaan kolmeen eri paikkaan. Kaksi näistä paikoista tallentaa lohkon sellaisenaan, ja kolmas tallentaa tarkistussumman. Tämä tarkistussumma on Reed-Solomon-koodin erikoistapaus, jossa käytetään vain bittien yhteenlaskua. Yleensä se lasketaan XOR-menetelmällä. Koska tämä menetelmä on symmetrinen, yksi kadonnut tietolohko voidaan rakentaa uudelleen toisesta tietolohkosta ja tarkistussummasta. Kunkin lohkon osalta eri levyllä on pariteettilohko, joka sisältää tarkistussumman. Tämä tehdään redundanssin lisäämiseksi. Mikä tahansa levy voi vioittua. Kaiken kaikkiaan yksi levy pitää tarkistussummat, joten käyttökelpoinen kokonaiskapasiteetti on kaikkien levyjen kapasiteetti yhtä levyä lukuun ottamatta. Tuloksena syntyvän loogisen levyn koko on kaikkien levyjen yhteenlaskettu koko lukuun ottamatta yhtä levyä, jolla on pariteettitiedot.

Tämä on tietysti hitaampaa kuin RAID-taso 1, koska jokaisen kirjoituksen yhteydessä kaikki levyt on luettava pariteettitietojen laskemiseksi ja päivittämiseksi. RAID 5:n lukusuorituskyky on lähes yhtä hyvä kuin RAID 0:n, kun levyjä on sama määrä. Pariteettilohkoja lukuun ottamatta tietojen jakautuminen levyille noudattaa samaa kaavaa kuin RAID 0:ssa. RAID 5 on hieman hitaampi siksi, että levyjen on ohitettava pariteettilohkot.

RAID 5, jossa on vikaantunut levy, toimii edelleen. Se on heikentyneessä tilassa. Häiriintynyt RAID 5 voi olla hyvin hidas. Tästä syystä siihen lisätään usein ylimääräinen levy. Tätä kutsutaan hot spare -levyksi. Jos levy vikaantuu, tiedot voidaan rakentaa suoraan uudelleen ylimääräiselle levylle. RAID 5 voidaan toteuttaa myös ohjelmistossa melko helposti.

Lähinnä epäonnistuneiden RAID 5 -matriisien suorituskykyongelmien vuoksi jotkut tietokanta-asiantuntijat ovat perustaneet ryhmän nimeltä BAARF - Battle Against Any Raid Five.

Jos järjestelmä vikaantuu aktiivisen kirjoituksen aikana, raidan pariteetti voi muuttua epäjohdonmukaiseksi datan kanssa. Jos tätä ei korjata ennen levyn tai lohkon vikaantumista, tietoja voi hävitä. Virheellistä pariteettia käytetään kyseisen raidan puuttuvan lohkon rekonstruointiin. Tätä ongelmaa kutsutaan joskus "kirjoitusreiäksi". Akkuvarmennettuja välimuisteja ja muita vastaavia tekniikoita käytetään yleisesti vähentämään tämän mahdollisuutta.

Kuvat

Vähemmän käytetyt RAID-tasot

RAID 2

Tätä käytettiin hyvin suurissa tietokoneissa. RAID Level 2:n käyttöön tarvitaan erityisen kalliita levyjä ja erityinen ohjain. Tiedot jaetaan bittitasolla (kaikki muut tasot käyttävät tavutason toimia). Tällöin tehdään erityisiä laskutoimituksia. Tiedot jaetaan staattisiin bittijonoihin. 8 databittiä ja 2 pariteettibittiä yhdistetään. Sitten lasketaan Hamming-koodi. Hamming-koodin palaset jaetaan sitten eri levyille.

RAID 2 on ainoa RAID-taso, joka voi korjata virheitä, muut RAID-tasot voivat vain havaita ne. Kun ne huomaavat, että tarvittavat tiedot eivät ole järkeviä, ne yksinkertaisesti rakentavat sen uudelleen. Tämä tehdään laskelmin, joissa käytetään muiden levyjen tietoja. Jos nämä tiedot puuttuvat tai ovat vääriä, ne eivät voi tehdä paljoakaan. Koska RAID 2 käyttää Hamming-koodeja, se voi selvittää, mikä osa tiedoista on väärässä, ja korjata vain sen osan.

RAID 2 tarvitsee vähintään 10 levyä toimiakseen. Koska RAID 2 on monimutkainen ja vaatii erittäin kalliita ja erikoislaitteita, sitä ei enää käytetä kovin paljon.

RAID 3 "striping with dedicated parity" (raidoitus ja pariteetti)

Raid-taso 3 on samanlainen kuin RAID-taso 0. Lisäkiekko lisätään pariteettitietojen tallentamista varten. Tämä tehdään lisäämällä biteittäin muiden levyjen lohkon arvo. Pariteettitiedot tallennetaan erilliselle (omalle) levylle. Tämä ei ole hyvä, koska jos pariteettilevy kaatuu, pariteettitiedot menetetään.

RAID-tason 3 tapauksessa käytetään yleensä vähintään kolmea levyä. Kahden levyn kokoonpano on identtinen RAID Level 0:n kanssa.

RAID 4 "striping with dedicated parity" (raidoitus ja pariteetti)

Tämä on hyvin samanlainen kuin RAID 3, paitsi että pariteettitiedot lasketaan suuremmista lohkoista eikä yksittäisistä tavuista. Tämä on kuin RAID 5. RAID 4 -ryhmään tarvitaan vähintään kolme levyä.

RAID 6

RAID-taso 6 ei ollut alkuperäinen RAID-taso. Se lisää ylimääräisen pariteettilohkon RAID 5 -ryhmään. Siihen tarvitaan vähintään neljä levyä (kaksi levyä kapasiteetin vuoksi ja kaksi levyä redundanssin vuoksi). RAID 5 voidaan nähdä Reed-Solomon-koodin erikoistapauksena. RAID 5 on kuitenkin erikoistapaus, sillä se tarvitsee vain yhteenlaskun Galois-kentässä GF(2). Tämä on helppo tehdä XOR-laskennalla. RAID 6 laajentaa näitä laskutoimituksia. Se ei ole enää erikoistapaus, vaan kaikki laskutoimitukset on tehtävä. RAID 6:ssa käytetään ylimääräistä tarkistussummaa (polynomia), joka on yleensä GF(²⁸). Tällä lähestymistavalla on mahdollista suojautua miltä tahansa määrältä vikaantuneita levyjä. RAID 6 on tarkoitettu tapaukseen, jossa käytetään kahta tarkistussummaa suojaamaan kahden levyn menetykseltä.

Kuten RAID 5:ssä, pariteetti ja data ovat eri levyillä kunkin lohkon osalta. Myös kaksi pariteettilohkoa sijaitsevat eri levyillä.

RAID 6 voidaan toteuttaa eri tavoin. Ne eroavat toisistaan kirjoitussuorituskyvyn ja tarvittavien laskutoimitusten määrän suhteen. Nopeampi kirjoitus tarkoittaa yleensä sitä, että laskutoimituksia tarvitaan enemmän.

RAID 6 on hitaampi kuin RAID 5, mutta se mahdollistaa RAIDin jatkamisen, vaikka kaksi levyä olisi vikaantunut. RAID 6:sta on tulossa suosittu, koska sen ansiosta joukko voidaan rakentaa uudelleen yhden levyn vian jälkeen, vaikka yhdellä jäljellä olevista levyistä olisi yksi tai useampi väärä sektori.

Kuvat

Epästandardit RAID-tasot

Kaksoispariteetti / Diagonaalipariteetti

RAID 6 käyttää kahta pariteettilohkoa. Nämä lasketaan erityisellä tavalla polynomin avulla. Double parity RAID (jota kutsutaan myös diagonaaliseksi parity RAIDiksi) käyttää eri polynomia kummallekin pariteettilohkolle. Äskettäin RAIDin määrittänyt teollisuusyhdistys totesi, että double parity RAID on RAID 6:n erilainen muoto.

RAID-DP

RAID-DP on toinen tapa käyttää kaksinkertaista pariteettia.

RAID 1.5

RAID 1.5 (ei pidä sekoittaa RAID 15:een, joka on erilainen) on oma RAID-toteutus. Kuten RAID 1, se käyttää vain kahta levyä, mutta se tekee sekä raidoitusta että peilausta (kuten RAID 10). Useimmat asiat tehdään laitteistossa.

RAID 5E, RAID 5EE ja RAID 6E

RAID 5E, RAID 5EE ja RAID 6E (lisätty E tarkoittaa Enhanced) viittaavat yleensä erityyppisiin RAID 5:een tai RAID 6:een, joissa on hot spare. Näissä toteutuksissa hot spare -asema ei ole fyysinen asema. Pikemminkin se on olemassa levyjen vapaana tilana. Tämä lisää suorituskykyä, mutta tarkoittaa sitä, että hot spare -levyä ei voi jakaa eri arrayjen kesken. Järjestelmä otettiin käyttöön IBM ServeRAIDissa noin vuonna 2001.

RAID 7

Tämä on oma toteutus. Se lisää välimuistitallennuksen RAID 3 tai RAID 4 -joukkoon.

Intel Matrix RAID

Joissakin Intelin keskusyksiköissä on RAID-siru, jossa on tämä ominaisuus. Se käyttää kahta tai kolmea levyä ja jakaa ne sitten tasan muodostaakseen RAID 0-, RAID 1, RAID 5 tai RAID 1+0 -tasojen yhdistelmän.

Linux MD RAID -ajuri

Tämä on nimi ajurille, joka mahdollistaa ohjelmisto-RAIDin tekemisen Linuxissa. Tavallisten RAID-tasojen 0-6 lisäksi siinä on myös RAID 10 -toteutus. Ytimen 2.6.9 jälkeen RAID 10 on yksitasoinen. Toteutuksessa on joitakin epästandardeja ominaisuuksia.

RAID Z

Sun on toteuttanut tiedostojärjestelmän nimeltä ZFS. Tämä tiedostojärjestelmä on optimoitu suurten tietomäärien käsittelyyn. Se sisältää loogisten tietueiden hallinnan. Se sisältää myös ominaisuuden nimeltä RAID-Z. Se välttää RAID 5:n kirjoitusreiäksi kutsutun ongelman, koska siinä on copy-on-write -käytäntö: Se ei korvaa tietoja suoraan, vaan kirjoittaa uudet tiedot uuteen paikkaan levyllä. Kun kirjoitus onnistuu, vanha tieto poistetaan. Se välttää luku-muokkaa-muuta-kirjoita-operaatioiden tarpeen pienten kirjoitusten yhteydessä, koska se kirjoittaa vain täydet raidat. Pienet lohkot peilataan pariteettisuojan sijasta, mikä on mahdollista, koska tiedostojärjestelmä tuntee tallennustilan organisointitavan. Siksi se voi tarvittaessa varata ylimääräistä tilaa. On olemassa myös RAID-Z2, joka käyttää kahta pariteettisuojausta saavuttaakseen RAID 6:n kaltaisia tuloksia: se pystyy selviytymään jopa kahdesta aseman vikaantumisesta menettämättä tietoja.

Kuvat

RAID-järjestelmässä eri levyjä voidaan yhdistää loogiseksi levyksi.Käyttäjä näkee vain loogisen levyn. Jokaisella edellä mainitulla RAID-tasolla on hyvät ja huonot puolensa. RAID voi kuitenkin toimia myös loogisten levyjen kanssa. Näin yhtä edellä mainituista RAID-tasoista voidaan käyttää loogisten levyjen kanssa. Monet huomauttavat sen kirjoittamalla numerot yhteen. Joskus he kirjoittavat väliin "+" tai "&". Yleisiä yhdistelmiä (kahta tasoa käyttäen) ovat seuraavat:

• RAID 0+1: Kaksi tai useampi RAID 0 -matriisi yhdistetään RAID 1 -matriisiksi; tätä kutsutaan raidojen peilaukseksi.
• RAID 1+0: Sama kuin RAID 0+1, mutta RAID-tasot käännetään päinvastaisiksi; Stripe of Mirrors. Tämä tekee levyvioista harvinaisempia kuin edellä mainittu RAID 0+1.
• RAID 5+0: Usean RAID 5:n ja RAID 0:n muodostama liuska. Jokaisen RAID 5:n yksi levy voi vioittua, mutta se tekee RAID 5:stä yhden vikapisteen; jos jokin toinen levy vioittuu, kaikki ryhmän tiedot menetetään.
• RAID 5+1: RAID 5: Tilanteessa, jossa RAID koostuu kuudesta levystä, mikä tahansa kolmesta levystä voi vikaantua (ilman tietojen menetystä).
• RAID 6+0: Useiden RAID 6 -matriisien muodostaminen RAID 0:n päälle; Kunkin RAID 6:n kaksi levyä voi vikaantua ilman tietojen menetystä.

Kuudella 300 Gt:n levyllä, joiden yhteenlaskettu kapasiteetti on 1,8 Tt, voidaan muodostaa RAID 5, jossa on 1,5 Tt:n käyttökelpoinen tila. Tässä joukossa yksi levy voi vikaantua ilman tietojen menetystä. RAID 50:llä tilaa on vain 1,2 TB, mutta yksi levy kussakin RAID 5:ssä voi vikaantua, minkä lisäksi suorituskyky paranee huomattavasti. RAID 51:llä käytettävissä oleva tila pienenee 900 Gt:hen, mutta kaikki kolme levyä voivat vikaantua.

RAID voidaan tehdä eri tavoin. Se voidaan tehdä joko ohjelmistolla tai laitteistolla.

Ohjelmiston RAID

RAID voidaan tehdä ohjelmistolla kahdella eri tavalla. Ohjelmisto-RAIDissa levyt kytketään toisiinsa tavallisten kiintolevyjen tavoin. Tietokone saa RAIDin toimimaan. Tämä tarkoittaa sitä, että jokaisen käytön yhteydessä suorittimen on myös tehtävä RAIDin laskelmat. RAID 0:n tai RAID 1:n laskelmat ovat yksinkertaisia. RAID 5:n, RAID 6:n tai jonkin yhdistetyn RAID-tason laskelmat voivat kuitenkin olla paljon työtä. Ohjelmisto-RAIDissa automaattinen käynnistys vikaantuneesta joukosta voi olla vaikea asia. Lopuksi, tapa, jolla RAID tehdään ohjelmistossa, riippuu käytetystä käyttöjärjestelmästä; ohjelmisto- RAID-määritystä ei yleensä ole mahdollista rakentaa uudelleen eri käyttöjärjestelmällä. Käyttöjärjestelmät käyttävät yleensä kiintolevyosioita kokonaisten kiintolevyjen sijasta RAID-massojen muodostamiseen.

Laitteiston RAID

RAID voidaan tehdä myös laitteistolla. Tällöin käytetään erityistä levyohjainta; tämä ohjainkortti piilottaa käyttöjärjestelmältä ja käyttäjältä sen, että se tekee RAID-toimintoa. Tarkistussummatietojen laskenta ja muut RAIDiin liittyvät laskelmat tehdään kyseisessä ohjaimessa olevalla erityisellä mikrosirulla. Näin RAID on riippumaton käyttöjärjestelmästä. Käyttöjärjestelmä ei näe RAIDia, vaan ainoastaan yhden levyn. Eri valmistajat toteuttavat RAIDin eri tavoin. Tämä tarkoittaa sitä, että yhdellä RAID-ohjaimella rakennettua RAID-järjestelmää ei voida rakentaa uudelleen toisella, eri valmistajan RAID-ohjaimella. Laitteiston RAID-ohjaimet ovat usein kalliita hankkia.

Laitteistoavusteinen RAID

Kyseessä on laitteisto- ja ohjelmistorayardin sekoitus. Laitteistoavusteinen RAID käyttää erityistä ohjainsirua (kuten laitteisto RAID), mutta tämä siru ei pysty suorittamaan monia toimintoja. Se on aktiivinen vain, kun järjestelmä käynnistetään; heti kun käyttöjärjestelmä on ladattu kokonaan, tämä kokoonpano on kuin ohjelmisto-RAID. Joissakin emolevyissä on RAID-toiminnot liitettyjä levyjä varten; useimmiten nämä RAID-toiminnot toteutetaan laitteistoavusteisena RAID:nä. Tämä tarkoittaa, että tarvitaan erityinen ohjelmisto, jotta näitä RAID-toimintoja voidaan käyttää ja jotta vikaantunut levy voidaan palauttaa.

Laitevioista puhuttaessa käytetään erilaisia termejä:

Epäonnistumisaste

Vikaantumisaste on se, kuinka usein järjestelmä vikaantuu. RAID-järjestelmän keskimääräinen vikaantumisaika (MTTF, Mean Time to Failure) tai keskimääräinen vikaantumisaika (MTBF, Mean Time Between Failures) on sama kuin sen komponenttien vikaantumisaika. RAID-järjestelmä ei voi suojautua yksittäisten kiintolevyjen vioittumiselta. Monimutkaisemmat RAID-tyypit (muut kuin "strippaus" tai "ketjutus") voivat kuitenkin auttaa pitämään tiedot ehjinä, vaikka yksittäinen kiintolevy vioittuisi.

Keskimääräinen aika tietojen menetykseen

Keskimääräinen aika datan katoamiseen (MTTDL) kertoo keskimääräisen ajan, joka kuluu ennen datan katoamista tietyssä joukossa. Tietyn RAID-ratkaisun keskimääräinen aika tietojen häviämiseen voi olla suurempi tai pienempi kuin sen kiintolevyjen. Tämä riippuu käytetystä RAID-tyypistä.

Keskimääräinen toipumisaika

Asetelmat, joissa on redundanssia, voivat toipua joistakin vioista. Keskimääräinen toipumisaika osoittaa, kuinka kauan kestää, ennen kuin vikaantunut array on palannut normaalitilaansa. Tähän lisätään sekä vikaantuneen levymekanismin korvaamiseen kuluva aika että aika, joka kuluu joukon uudelleenrakentamiseen (eli tietojen replikointiin redundanssia varten).

Korjaamaton bittivirheprosentti

Palauttamaton bittivirheprosentti (UBE) kertoo, kuinka kauan levyasema ei pysty palauttamaan tietoja syklisen redundanssitarkistuskoodin (CRC) ja useiden uusintayritysten jälkeen.

RAIDin taustalla oleviin ideoihin tai tekniikkaan liittyy myös tiettyjä ongelmia:

Levyjen lisääminen myöhemmin

Tietyt RAID-tasot mahdollistavat joukon laajentamisen yksinkertaisesti lisäämällä kiintolevyjä myöhemmin. Pariteettilohkojen kaltaiset tiedot ovat usein hajallaan useilla levyillä. Levyn lisääminen ryhmään tarkoittaa, että levyjen järjestäminen uudelleen on välttämätöntä. Tällainen uudelleenjärjestäminen on ikään kuin koko joukon uudelleenrakentaminen, ja se voi kestää kauan. Kun tämä tehdään, lisätila ei välttämättä ole vielä käytettävissä, koska siitä on kerrottava sekä levyn tiedostojärjestelmälle että käyttöjärjestelmälle. Jotkin tiedostojärjestelmät eivät tue sitä, että niitä voidaan kasvattaa sen jälkeen, kun ne on luotu. Tällaisessa tapauksessa kaikki tiedot on varmuuskopioitava, joukko on luotava uudelleen uudella asettelulla ja tiedot on palautettava siihen.

Toinen vaihtoehto tallennustilan lisäämiseksi on luoda uusi array ja antaa loogisen volyyminhallinnan hoitaa tilanne. Näin voidaan kasvattaa lähes mitä tahansa RAID-järjestelmää, jopa RAID1-järjestelmää (joka itsessään on rajoitettu kahteen levyyn).

Yhdistetyt epäonnistumiset

RAID-järjestelmän virheenkorjausmekanismi olettaa, että asemien viat ovat riippumattomia. On mahdollista laskea, kuinka usein jokin laite voi vikaantua, ja järjestää joukko siten, että tietojen menetys on hyvin epätodennäköistä.

Käytännössä taajuusmuuttajat ostettiin kuitenkin usein yhdessä. Ne ovat suunnilleen samanikäisiä, ja niitä on käytetty samalla tavalla (ns. kuluminen). Monet taajuusmuuttajat vikaantuvat mekaanisten ongelmien vuoksi. Mitä vanhempi taajuusmuuttaja on, sitä enemmän sen mekaaniset osat ovat kuluneet. Vanhat mekaaniset osat vikaantuvat todennäköisemmin kuin nuoremmat. Tämä tarkoittaa, että taajuusmuuttajan vikaantumiset eivät ole enää tilastollisesti riippumattomia. Käytännössä on mahdollista, että myös toinen levy vikaantuu ennen kuin ensimmäinen levy on saatu talteen. Tämä tarkoittaa, että käytännössä tietoja voi hävitä huomattavan nopeasti.

Atomisuus

Toinen RAID-järjestelmissä esiintyvä ongelma on se, että sovellukset odottavat niin sanottua atomisuutta: Joko kaikki tiedot kirjoitetaan tai ei yhtään. Tietojen kirjoittamista kutsutaan transaktioksi.

RAID-matriiseissa uudet tiedot kirjoitetaan yleensä siihen paikkaan, jossa vanhat tiedot olivat. Tämä tunnetaan nimellä update in place. Tietokantatutkija Jim Gray kirjoitti vuonna 1981 artikkelin, jossa hän kuvasi tätä ongelmaa.

Hyvin harvat tallennusjärjestelmät sallivat atomiset kirjoitussemantiikat. Kun objekti kirjoitetaan levylle, RAID-tallennuslaite kirjoittaa yleensä kaikki objektin kopiot rinnakkain. Hyvin usein vain yksi prosessori vastaa tietojen kirjoittamisesta. Tällöin tietojen kirjoittaminen eri asemille on päällekkäistä. Tätä kutsutaan päällekkäiseksi kirjoitukseksi tai porrastetuksi kirjoitukseksi. Kirjoitusprosessin aikana tapahtuva virhe voi siis jättää päällekkäiset kopiot eri tiloihin. Mikä vielä pahempaa, se voi jättää kopiot kumpaankaan tilaan, ei vanhaan eikä uuteen. Kirjaaminen perustuu kuitenkin siihen, että alkuperäiset tiedot ovat joko vanhassa tai uudessa tilassa. Tämä mahdollistaa loogisen muutoksen peruuttamisen, mutta vain harvat tallennusjärjestelmät tarjoavat RAID-levyille atomisen kirjoitussemantiikan.

Akkukäyttöisen kirjoitusvälimuistin käyttö voi ratkaista tämän ongelman, mutta vain sähkökatkoksen sattuessa.

Kaikissa RAID-ohjaimissa ei ole transaktiotukea. Siksi monet käyttöjärjestelmät sisältävät sen suojaamaan tietojen menettämiseltä keskeytyneen kirjoituksen aikana. Novell Netware sisälsi versiosta 3.x alkaen tapahtumien seurantajärjestelmän. Microsoft otti käyttöön tapahtumien seurannan NTFS:n journaling-ominaisuuden avulla. NetAppin WAFL-tiedostojärjestelmä ratkaisee sen siten, että se ei koskaan päivitä tietoja paikan päällä, samoin kuin ZFS.

Palauttamattomat tiedot

Jotkin kiintolevyn sektorit ovat saattaneet muuttua lukukelvottomiksi virheen vuoksi. Jotkin RAID-toteutukset voivat käsitellä tätä tilannetta siirtämällä tiedot muualle ja merkitsemällä levyn sektorin huonoksi. Tämä tapahtuu noin 1 bitti ^1015:stä yritysluokan levyasemissa ja 1 bitti ^1014:stä tavallisissa levyasemissa^. Levykapasiteetit kasvavat jatkuvasti. Tämä voi tarkoittaa, että joskus RAID-ratkaisua ei voida rakentaa uudelleen, koska tällainen virhe havaitaan, kun ryhmää rakennetaan uudelleen levyn vikaantumisen jälkeen. Tietyt tekniikat, kuten RAID 6, pyrkivät ratkaisemaan tämän ongelman, mutta ne kärsivät erittäin suuresta kirjoitusrangaistuksesta, toisin sanoen tietojen kirjoittaminen on hyvin hidasta.

Kirjoitusvälimuistin luotettavuus

Levyjärjestelmä voi kuitata kirjoitusoperaation heti, kun tiedot ovat välimuistissa. Sen ei tarvitse odottaa, että tiedot on kirjoitettu fyysisesti. Mikä tahansa sähkökatkos voi kuitenkin merkitä huomattavaa tietojen menetystä tällaiseen välimuistiin jonossa olevien tietojen osalta.

Laitteiston RAID:n avulla välimuistin suojaamiseen voidaan käyttää akkua. Tämä ratkaisee usein ongelman. Kun virta katkeaa, ohjain voi kirjoittaa välimuistin loppuun, kun virta palaa. Ratkaisu voi kuitenkin epäonnistua: akku on saattanut kulua loppuun, virta on voinut olla poissa päältä liian kauan, levyt on voitu siirtää toiseen ohjaimeen tai itse ohjain voi vioittua. Tietyt järjestelmät voivat tehdä säännöllisiä akun tarkistuksia, mutta ne käyttävät itse akkua ja jättävät sen tilaan, jossa se ei ole täysin ladattu.

Laitteiden yhteensopivuus

Eri RAID-ohjainten levyformaatit eivät välttämättä ole yhteensopivia. Sen vuoksi RAID-massan lukeminen eri laitteistoissa ei välttämättä ole mahdollista. Näin ollen muun kuin levyn laitteistovika voi edellyttää, että tietojen palauttamiseksi on käytettävä samanlaista laitteistoa tai varmuuskopiota.

Tämä opas on otettu RAID-aiheisen foorumin keskusteluketjusta. Tämä tehtiin RAIDin valinnan etujen ja haittojen korostamiseksi. Se on suunnattu henkilöille, jotka haluavat valita RAIDin joko suorituskyvyn tai redundanssin lisäämiseksi. Se sisältää linkkejä foorumin muihin viestiketjuihin, jotka sisältävät käyttäjien anekdootteja RAID-kokemuksistaan.

Mitä RAID voi tehdä

• RAID voi suojata käytettävyyttä. RAID-tasot 1, 0+1/10, 5 ja 6 (ja niiden muunnokset, kuten 50 ja 51) korvaavat mekaanisen kiintolevyn vian. Levyn vikaantumisen jälkeenkin voidaan käyttää joukon tietoja. Aikaa vievän palautuksen sijaan nauhalta, DVD:ltä tai muulta hitaalta varmuuskopiointivälineeltä RAID-ratkaisun avulla tiedot voidaan palauttaa korvaavalle levykkeelle joukon muista jäsenistä. Tämän palautusprosessin aikana se on käyttäjien käytettävissä heikentyneessä tilassa. Tämä on erittäin tärkeää yrityksille, sillä käyttökatkokset johtavat nopeasti menetettyyn ansaintamahdollisuuteen. Kotikäyttäjille se voi suojata suurten mediatallennustietokokonaisuuksien käytettävyyttä, mikä vaatisi aikaa vievää palauttamista kymmeniltä DVD-levyiltä tai useilta nauhoilta, jos levy vioittuisi ja sitä ei olisi suojattu redundanssilla.
• RAID voi lisätä suorituskykyä tietyissä sovelluksissa. RAID-tasot 0, 5 ja 6 käyttävät kaikki raidoitusta. Tämä mahdollistaa sen, että useat karat voivat lisätä siirtonopeuksia lineaarisissa siirroissa. Työasematyyppisissä sovelluksissa käytetään usein suuria tiedostoja. Ne hyötyvät suuresti levyjen raidoituksesta. Tällaisia sovelluksia ovat esimerkiksi video- tai äänitiedostoja käyttävät sovellukset. Tämä läpäisykyky on hyödyllinen myös levyltä levylle tehtävissä varmuuskopioissa. RAID 1 ja muut raidipohjaiset RAID-tasot voivat parantaa suorituskykyä, kun käytetään useita samanaikaisia satunnaiskäyttökertoja, kuten monikäyttäjätietokannassa.

Mitä RAID ei voi tehdä

• RAID ei voi suojata tietomäärän tietoja. RAID-massassa on yksi tiedostojärjestelmä. Tämä luo yhden vikapisteen. Tälle tiedostojärjestelmälle voi tapahtua monia muitakin asioita kuin fyysisen levyn vikaantuminen. RAID ei pysty suojautumaan näiltä tietojen menetyksen lähteiltä. RAID ei estä virusta tuhoamasta tietoja. RAID ei estä tietojen korruptoitumista. RAID ei pelasta tietoja, kun käyttäjä muuttaa niitä tai poistaa ne vahingossa. RAID ei suojaa tietoja minkään muun komponentin kuin fyysisten levyjen laitteistovioilta. RAID ei suojaa tietoja luonnonkatastrofeilta tai ihmisen aiheuttamilta katastrofeilta, kuten tulipaloilta ja tulvilta. Tietojen suojaamiseksi ne on varmuuskopioitava siirrettävälle tietovälineelle, kuten DVD-levylle, nauhalle tai ulkoiselle kiintolevylle. Varmuuskopio on säilytettävä eri paikassa. Pelkkä RAID ei voi estää katastrofia muuttumasta tietojen menetykseksi, jos (eikä jos) se tapahtuu. Katastrofeja ei voi estää, mutta varmuuskopioinnin avulla voidaan estää tietojen menetys.
• RAID ei voi yksinkertaistaa katastrofista toipumista. Kun käytössä on yksi levy, levyä voi käyttää useimmat käyttöjärjestelmät, koska niissä on yhteinen laiteohjain. Useimmat RAID-ohjaimet tarvitsevat kuitenkin erityisiä ohjaimia. Elvytystyökalut, jotka toimivat yksittäisillä levyillä yleisillä ohjaimilla, vaativat erityisiä ohjaimia, jotta RAID-massojen tietoja voidaan käyttää. Jos nämä elvytystyökalut on koodattu huonosti eivätkä ne salli lisäajureiden tarjoamista, RAID-muistitietokantaan ei todennäköisesti pääse käsiksi kyseisellä elvytystyökalulla.
• RAID ei voi lisätä suorituskykyä kaikissa sovelluksissa. Tämä koskee erityisesti tyypillisiä työpöytäsovellusten käyttäjiä ja pelaajia. Useimmissa työpöytäsovelluksissa ja peleissä puskuristrategia ja levyn (levyjen) hakusuoritus ovat tärkeämpiä kuin raaka läpäisykyky. Raakasiirtonopeuden kasvattaminen ei juurikaan paranna näiden käyttäjien tuloksia, koska useimmat heidän käyttämänsä tiedostot ovat tyypillisesti hyvin pieniä. Levyjen raidoitus RAID 0:lla lisää lineaarista siirtosuorituskykyä, ei puskuri- ja hakusuorituskykyä. Tämän seurauksena RAID 0:n avulla tapahtuva levyn strippaus ei juurikaan paranna suorituskykyä useimmissa työpöytäsovelluksissa ja peleissä, vaikka poikkeuksiakin on. Työpöytäkäyttäjille ja pelaajille, joiden tavoitteena on korkea suorituskyky, on parempi ostaa nopeampi, suurempi ja kalliimpi yksittäinen levy kuin käyttää kahta hitaampaa/pienempää levyä RAID 0:ssa. Jopa uusimpien, suurimpien ja suurimpien levyjen käyttäminen RAID-0:ssa ei todennäköisesti paranna suorituskykyä yli 10 prosenttia, ja suorituskyky voi laskea joissakin käyttötavoissa, erityisesti peleissä.
• RAID-järjestelmää on vaikea siirtää uuteen järjestelmään. Yksittäisen levyn siirtäminen uuteen järjestelmään on suhteellisen helppoa. Se voidaan yksinkertaisesti liittää uuteen järjestelmään, jos siinä on sama liitäntä käytettävissä. Tämä ei kuitenkaan ole yhtä helppoa RAID-massojen kanssa. On olemassa tietynlainen metatieto, joka kertoo, miten RAID on asetettu. RAID BIOSin on kyettävä lukemaan nämä metatiedot, jotta se voi rakentaa joukon ja antaa sen käyttöjärjestelmän käyttöön. Koska RAID-ohjainten valmistajat käyttävät metatiedoissaan erilaisia formaatteja (jopa saman valmistajan eri perheiden ohjaimet voivat käyttää yhteensopimattomia metatietomuotoja), on lähes mahdotonta siirtää RAID-muotoista ryhmää toiseen ohjaimeen. Kun RAID-muotoista ryhmää siirretään uuteen järjestelmään, on suunniteltava myös ohjaimen siirtäminen. Emolevyyn integroitujen RAID-ohjainten suosion myötä tämä on erittäin vaikeaa. Yleensä RAID-määrityksen jäsenet ja ohjaimet on mahdollista siirtää yhdessä. Linuxin ja Windows Server -tuotteiden ohjelmistorayardilla voidaan myös kiertää tämä rajoitus, mutta ohjelmistorayardilla on muitakin (lähinnä suorituskykyyn liittyviä) rajoituksia.

Useimmiten käytetyt RAID-tasot ovat RAID 0, RAID 1 ja RAID 5. Oletetaan, että käytössä on kolmen levyn järjestelmä, jossa on kolme identtistä levyä, joista jokainen on 1 TB:n kokoinen, ja yhden levyn vikaantumisen todennäköisyys tietyn ajanjakson aikana on 1 %.