RAID-массив: доступное быстродействие

Как известно, емкость и производительность дисковой подсистемы избыточными не бывают. А вот с их нехваткой приходится бороться довольно часто. Можно ли одним решением убить двух зайцев, да так, чтобы при этом не разориться? Попробуем разобраться.

Идея объединения нескольких винчестеров в один массив возникла около двадцати лет назад. Ранее аббревиатура RAID расшифровывалась как Redundant Array of Inexpensive Disks – избыточный массив недорогих дисков. Так как сейчас многие винчестеры можно назвать относительно недорогими, то более актуальной стала расшифровка Redundant Array of Independent Disks – избыточный массив независимых дисков.

Первоочередные задачи, которые решаются путем создания RAID-массивов, – это увеличение скорости дисковой подсистемы, наращивание ее объема и повышение надежности хранения данных.

Сегодня возможность построения RAID-конфигурации имеют практически все покупатели современных материнских плат, на которых поддержка RAID реализована с помощью интегрированного в чипсет контроллера или посредством микросхем сторонних производителей. Наличие RAID стало правилом хорошего тона – без него системную плату уже нельзя назвать многофункциональной. Ситуация с RAID-контроллерами в чем-то напоминает историю со звуковыми картами, когда с повсеместным распространением интегрированных кодеков отдельные платы, до того имевшие очень широкое распространение, постепенно начали сдавать свои позиции. Только в случае с RAID-контроллерами не все так просто: если без звука ПК немыслим уже довольно давно, то дисковые массивы к средствам «первой необходимости» пока еще не относятся. Тем не менее, если не требуется покупка дополнительного устройства, почему бы не обратить более пристальное внимание на возможности материнской платы, которые мы получаем в виде «бонуса»? Конечно, интегрированные решения позволяют организовывать сравнительно простые массивы – RAID 0, 1, 0+1 (10), реже RAID 5. Но как раз именно они с наибольшей вероятностью могут быть востребованы в домашних системах.

Популяризации RAID-массивов способствует широкое распространение последовательного интерфейса SATA. Независимые каналы и высокая пропускная способность не будут ограничивать возможности таких конфигураций и не станут негативно влиять на работу устройств, не входящих в массив. Это делает RAID еще более привлекательным, чем во времена господства IDE в десктопном сегменте.

Два диска в RAID 0

На текущий момент оптимальными с точки зрения стоимости хранения данных являются модели объемом 250 или 300 GB. Поэтому RAID-массивы, построенные на таких дисках, сохраняют упомянутую хорошую «наследственность».

Для создания массива RAID 0 мы использовали по два жестких диска Western Digital WD2500YD RAID Edition (250 GB, буфер 16 MB) и Maxtor MaxLine III 7V300F0 (300 GB, буфер 16 MB). Они оснащены 16 MB кэш-памяти, а также имеют необходимый объем и увеличенное до 1 млн ч время наработки на отказ (MTBF). Кроме того, у HDD есть специальные оптимизации для функционирования в дисковых массивах. В частности, модели линейки Western Digital RAID Edition поддерживают технологию TLER (Time Limited Error Recovery), предотвращающую «выпадение» винчестера из RAID-массива. Это может происходить в том случае, когда время самостоятельной коррекции возникшей ошибки одного жесткого диска, в течение которого он не посылает сообщения RAID-контроллеру, превышает установленное значение. Для RAID 0 такая технология имеет принципиальное значение, ведь отключение одного диска сделает невозможным дальнейшую работу всей системы.

Массив RAID 0

Массив RAID 0, также имеющий название stripe («полоска»), предполагает использование нескольких дисков с блочным размещением данных (размер блока можно задать при формировании RAID). При этом запись и чтение блоков производится параллельно – диски, входящие в массив, задействуются одновременно. Например, при записи данных D1–D6 блоки D1, D3 и D5 будут размещены на одном физическом накопителе, а D2, D4 и D6 – на втором (для двухдисковой конфигурации). Считывание также будет выполняться в аналогичном порядке.Такой массив лишь условно можно отнести к RAID, так как он не предполагает избыточности и предназначен только для увеличения скорости передачи данных, а также объема хранимой информации, который равен сумме объемов входящих в него HDD. При этом надежность такой конфигурации несколько снижается в сравнении с одним жестким диском. Тем не менее именно RAID нулевого уровня наиболее часто применяется для повышения производительности дисковой подсистемы настольных ПК.

Массив RAID 1

Если сохранность используемых данных интересует в первую очередь, предпочтительным вариантом окажется RAID 1, называемый также mirror («зеркало»). Этот массив предполагает полное дублирование информации на двух дисках. Стопроцентная ее избыточность позволяет сохранить все данные даже в том случае, когда один из накопителей вышел из строя.

RAID 1 зачастую применяется в ситуациях, когда нужен оперативный доступ к достаточно важным файлам значительного объема, при этом критичны временные затраты на получение необходимой информации с резервных носителей. Скорость чтения/записи в таком массиве не превышает показателей одиночного диска, а суммарный объем соответствует емкости одного HDD. Это достаточно редкая конфигурация RAID-массива на домашнем компьютере – далеко не у всех пользователей есть необходимость повышать надежность хранения данных при неизменных производительности и объеме ценой покупки еще одного жесткого диска.

Одиночный диск высокой емкости

Для однодисковых конфигураций мы использовали три мо-дели винчестеров объемом 400 GB от разных производителей: Hitachi HDS724040KLSA80 (400 GB, буфер 8 MB, серия Deskstar 7K400), Maxtor 6H400F0 (400 GB, буфер 16 MB, серия DiamondMax 11) и Seagate ST3400633AS (400 GB, буфер 16 MB, серия Barracuda 7200.9). Модели указанного объема были выбраны из тех соображений, что по стоимости один такой накопитель сравним с двумя объемом 250–300 GB. В продаже также имеются диски емкостью 500 GB, которая до недавнего времени была максимальной для 3,5-дюймовых HDD. Однако благодаря внедрению перпендикулярного метода записи (подробнее о данной технологии читайте в «Домашнем ПК», № 9, 2005) компании Seagate удалось повысить эту планку до 750 GB. Такие накопители еще не были замечены в розничной продаже, в то время как модели объемом 400–500 GB вполне доступны и предлагаются всеми поставщиками на рынке дисков для настольных систем. Стоимость хранения данных на этих носителях существенно превышает таковую для винчестеров меньшего объема, однако, например, при крайней необходимости создания массива объемом 800 GB – 1 TB вопросы цены отходят на второй план.

Особенности эксплуатации RAID-массивов

RAID-массив нулевого уровня может быть создан на двух дисках различных производителей даже с моделями разного объема. Однако есть масса доводов, убеждающих воздержаться от подобных конфигураций. В случае с дисками разного объема суммарная емкость массива станет равна удвоенному объему меньшего. При этом оставшееся свободное место на более емком диске не будет использоваться. Если говорить о моделях различных производителей, то, как известно, все они имеют свои настройки, алгоритмы кэширования, методы обработки сбоев и т. п., поэтому при синхронизации функционирования такого «микса» могут возникать нежелательные задержки, что повышает вероятность его отказа. Во избежание подобных ситуаций лучше использовать одинаковые модели одного производителя, в идеале обладающие увеличенным временем MTBF и оптимизациями для RAID.

Особое внимание следует уделить блоку питания. В первую очередь здесь речь идет не о большом энергопотреблении жестких дисков (как правило, один HDD потребляет 10–20 Вт), а о требуемой стабильности энергообеспечения. Нередко некачественные БП становятся причиной выхода из строя винчестеров. Различные модели по разному относятся к «шероховатостям» получаемых напряжений, однако надеяться на их невосприимчивость к подобного рода всплескам все же не стоит. Тем более когда речь идет о stripe-массиве. Не лишним в этом случае окажется и источник бесперебойного питания (ИБП). Впрочем, последний не теряет своей актуальности и для однодисковых конфигураций.

Отдельного упоминания заслуживает система охлаждения дисковой подсистемы. Установка второго накопителя, безусловно, повысит температуру в области, где находятся HDD, и, как следствие – в корпусе компьютера. Чтобы избежать перегрева винчестеров, следует устанавливать их в корзину не вплотную друг к другу, а оставляя некоторый зазор. Кроме того, очень желательно позаботиться о дополнительном охлаждении дисков. Как вариант можно рассматривать установку напротив шасси с накопителями вентилятора, работающего на вдув. В этом случае, чтобы сбалансировать воздушные потоки, а не просто отводить тепло от дисков, нагнетая его внутрь корпуса, нелишним будет второй вентилятор на задней панели корпуса.

Создание RAID-массива

Суждения о сложности настройки RAID-массивов справедливы, когда речь идет о построении неординарной конфигурации для серверных решений. Для настольной системы все достаточно просто: необходимо в окне настройки RAID-контроллера указать название массива и его уровень. Затем следует выбрать диски, из которых он будет состоять, а также размер блоков (для RAID 0) и суммарный объем создаваемого массива. Собственно, на этом процедура формирования RAID и заканчивается. После чего можно приступить к установке операционной системы. Во время инсталляции Windows XP необходимо по F6 предоставить драйверы RAID-контроллера, вне зависимости от того, на какой накопитель устанавливается ОС. В нашем случае, чтобы наличие файлов не влияло на итоговые результаты, в качестве системного мы использовали отдельный накопитель.

Как мы тестировали

Для тестирования возможностей RAID-массива мы использовали ту же методику, что и для одиночных дисков. В частности, это замер скорости копирования крупных (девять DivX-фильмов общим объемом 4,98 GB) и мелких (65 293 файла в 5456 директориях общим объемом 388 MB) файлов из одного раздела в другой на одном накопителе, а также синтетические тесты HDD из пакета PCMark05. Кроме того, для исследования максимальной и минимальной скорости передачи данных имеющихся накопителей мы использовали утилиту HD Tune 2.52. Для всех дисков активировалась технология NCQ.

Итоги

Говоря о преимуществах RAID 0, следует отметить значительно увеличившуюся скорость работы дисковой подсистемы. Линейные трансферы спаренных дисков преодолели планку в 110 MBps, в то время как для лучших моделей одиночных HDD со скоростью вращения 7200 об/мин он едва превышает 75 MBps. Более того, средняя скорость передачи данных для RAID 0 составила 90–100 MBps, а для одного винчестера она не достигает 60 MBps. Если говорить о реальных задачах, то на копирование набора больших файлов массиву понадобилось на 41% меньше времени, а аналогичная операция с мелкими файлами была завершена на 20–30% быстрее. Объединенные диски также хорошо показали себя в синтетических тестах HDD из пакета PCMark05. Подобного прироста производительности при обновлении модельных рядов винчестеров, к сожалению, мы уже давно не видели. Приятно также констатировать тот факт, что объем массива увеличивается пропорционально количеству используемых дисков, соответственно, стоимость хранения данных остается на прежнем (минимальном) уровне.

Впрочем, среди множества позитивных сторон есть и такие, которые, в принципе, могут сдерживать энтузиазм пользователей. Прежде всего, это несколько повышенный риск хранения информации – выход из строя одного диска приводит к потере всего, что хранится в массиве. Однозначно судить о надежности различных экземпляров HDD не представляется возможным, поэтому эффективно бороться с проблемой можно лишь путем более частого резервирования важных данных. Одним из вариантов также является применение RAID 0+1, когда массивы нулевого уровня будут дублироваться, но для этих целей понадобятся четыре диска. Еще к минусам массивов можно отнести дополнительный источник нагрева, и, туда же, несколько повышенный уровень издаваемого шума (имеет важное значение, если диск является наиболее громким компонентом в системе). Также нужно отметить статус «невыездных» у жестких дисков, применяемых в RAID 0, т. е. их нельзя использовать для переноса данных, разбивая RAID-массив – для этого понадобится другой накопитель.

Что касается одиночных дисков с большим объемом, то им в актив нужно записать меньшую вероятность потери данных и не столь сильный нагрев. Также может быть востребована беспроблемная транспортировка значительных объемов информации. Соперничать в плане производительности с двумя менее емкими дисками они не могут. Впрочем, такие диски весьма полезны, если нужно сделать массив большого объема.

Даже в том случае, когда аппаратного RAID-контроллера в системе нет, есть возможность создать RAID программными методами. В частности, операционные системы Windows NT/2000/XP позволяют построить простые RAID-массивы. Однако в данном материале такой вариант мы не рассматриваем. Тут имеется целый ряд негативных моментов, начиная с необходимости использования значительных ресурсов CPU и заканчивая нестабильностью ПО, которое может подвергаться внешнему воздействию. Сбои в работе программ могут приводить к потере информации вследствие нарушения логической структуры массивов. Несмотря на то что в домашних системах зачастую хранятся не очень важные данные, все же намеренно подвергать их дополнительному риску не стоит.

В целом использование RAID 0 оказывается весьма привлекательным методом увеличения скорости работы наиболее «слабого звена» в современной вычислительной технике. Учитывая, что такой метод не требует лишних затрат, кроме как на покупку второго винчестера, объем которого также будет использоваться в полной мере, думаем, многим захочется взять его на вооружение.

Продукты предоставленны компаниями

Системная плата	ASUS P5LD2 (i945P + ICH7R)	MTI, www.mti.ua
Процессор	Pentium 4 670 (3,8 GHz)	Представительство компании Intel в Украине, www.intel.com/ua
Память	1 GB (2×512 MB) A-Data Vitesta DDR2-667	MTI, www.mti.ua
Видеокарта	Sapphire X800 GTO Ultimate	Compass, www.compass.ua
Жесткий диск	Maxtor	MTI, www.mti.ua
	Western Digital	ELKO, Kiev, www.elko.kiev.ua
	Hitachi, Seagate	ASBIS-Ukraine, www.asbis.ua