3.2 RAID

На втором месте по ненадежности, после человека, в компьютерных системах, является жесткий диск. Для увеличения надежности дисков большинство поставщиков решений сегодня предлагают дисковые массивы, называемые RAID — избыточные массивы недорогих дисков (redundant arrays of inexpensive disks). RAID-массивы представляют собой высокопроизводительные, устойчивые к отказам подсистемы ввода/вывода, которые используют менее дорогие технологии жестких дисков чем те, что используются в традиционных высоконадежных больших ЭВМ.

Понятие RAID было введено в 1987 году в статье, опубликованной в Калифорнийском Университете [9, Patterson et al.(1988)]. Номера уровней RAID означают разную организацию простых технологий дисков для достижения производительности и надежности при относительно невысокой стоимости.

Наиболее важными уровнями RAID, которые должен понимать архитектор VLDB Oracle являются 0, 0+1, 3 и 5. Рисунок 1 дает концептуальное представление об этих RAID-конфигурациях. Обратите внимание, что поставщики RAID могут выбрать для реализации функций чередования и зеркалирования либо программное, либо аппаратное решение. Этот выбор влияет на количество и типы контроллеров необходимых для реализации RAID-массива.

Производительность, предлагаемая RAID-конфигурациями, впечатляет. За счет равномерного распределения физической нагрузки ввода/вывода по всем дискам, RAID-массивы с чередованием показывают бесподобное время ответа и пропускную способность. Массив с чередованием из пяти дисков может показать почти в пять раз большую производительность при последовательном вводе/выводе по сравнению с независимой конфигурацией дисков того же размера.

Равным образом впечатляет превосходство RAID-массивов в надежности. Дисковая система, состоящая из сотни дисков с MTTF равной 200.000 часов, сконфигурированная без избыточности имеет среднее время до потери данных (MTTDL) меньшее чем 83 дня. Та же сотня дисков, организованная в RAID-массив с наличием избыточности имеют MTTDL порядка 26 лет [Chen et al.(1992), 161-163]. Среднее время восстановления RAID-конфигураций также превосходно. Вы можете изъять диск из активного RAID-массива 5 уровня и система, тем не менее, будет продолжать работать.

Однако, каждая RAID-конфигурация имеет свою, уникальную, стоимость. Вы можете обнаружить, что система, которая действительно удовлетворяет Вашим нуждам слишком дорога, а конфигурация, которую Вы в состоянии себе позволить, несет с собой много компромиссных решений. Архитекторы систем на базе СУБД Oracle должны двигаться в извилистом лабиринте компромиссов, принимая решение о способе применения RAID-массивов.

Несколько авторов сделали блестящую работу, описывая RAID-конфигурации и оценивая RAID-структуры с точки зрения надежности, производительности и стоимости ( [1, Chen et al.(1994)]; [2, Gui (1993)]; [11, Sun (1995)]; и многие другие). Последующие разделы содержат итоги этих идей с конкретными рекомендациями о том, когда и как использовать каждый тип RAID-массива для приложений СУБД Oracle.

3.2.1 Определения

Учебная литература о RAID может иногда ввести в заблуждение, поскольку авторы из конъюнктурных соображений могут интерпретировать определения так, как им необходимо. Для того, чтобы сделать эту статью максимально простой, определим предварительно некоторые термины.

• Массив — RAID-конфигурация 0, 0+1, 3 и 5 уровня, в которой диски группируются в наборы, называемые группами с коррекцией ошибок или дисковыми массивами. Мы будем называть группу дисков собранных в группу с коррекцией ошибок массивом.
• Сегмент чередования — чередование (striping), это программная или аппаратная возможность, при которой логически непрерывные данные записываются порциями, распределенными между дисками в массиве ⁵. Эти порции называются сегментами.

Читая этот документ, важно помнить что, массив является коллекцией дисков, и что чередование заключается в распределении порций данных в пределах массива. Рисунок ниже показывает один дисковый массив, состоящий из пяти дисков. Каждый диск содержит пять сегментов чередования, общее число которых составляет 25.

3.2.2 Чередование без избыточности (RAID уровня 0)

RAID 0 является дисковой конфигурацией без избыточности с чередованием. Чередование, сконфигурированное соответствующим образом, дает исключительно хорошее время ответа при случайном доступе с высоким уровнем параллелизма, и превосходную пропускную способность при последовательном доступе с низким уровнем параллелизма. Выбор ширины сегмента чередования массива требует внимательного рассмотрения различных ограничений. Мы обсудим детали оптимизации размера сегмента чередования позже.

Дисковые конфигурации без избыточности полезны в тех случаях, где ограничения на стоимость приобретения перевешивают требования к надежности системы.

• Производительность при случайном чтении — отличная при любых уровнях параллелизма, если каждый запрос на чтение попадает в один сегмент чередования. Использование слишком малого размера сегмента чередования может привести к резкому снижению производительности в средах с высоким уровнем параллелизма.
• Производительность при случайной записи — та же, что и для случайного чтения.
• Производительность при последовательном чтении — отличная при малом размере сегмента чередования в средах с низким уровнем параллелизма. Также отличная в средах с высоким уровнем параллелизма при условии, что каждый запрос на чтение попадает в один сегмент чередования. Использование слишком малого размера сегмента чередования может привести к резкому снижению производительности в средах с высоким уровнем параллелизма.
• Производительность при последовательной записи — та же, что и для последовательного чтения.
• Частота отказов — неудовлетворительна. Отказ любого диска массива будет причиной отказа приложений, требующего процедуры восстановления носителя Oracle для каждого приложения, имеющего данные на этом массиве.
• Длительность простоя — неудовлетворительна. Продолжительность простоя RAID 0 состоит из времени, необходимого на обнаружение неисправности, замены диска и выполнении процедуры восстановлении носителя сервера Oracle.
• Снижение производительности в течение отказа — неудовлетворительно. Любой диск, вышедший из строя, влечет за собой останов приложений, данные которых располагались на дисковом массиве, до полного завершения процедуры восстановления носителя Oracle.
• Стоимость приобретения — отличная. RAID 0 является наименее дорогой RAIDконфигурацией.
• Стоимость обслуживания — от неудовлетворительной до плохой. Цена обслуживания, обусловленная частотой выполнения процедуры восстановления носителя, может превысить ценовые преимущества на приобретение перед избыточными конфигурациями. Необходимость увеличения емкости потребует либо закупки дополнительных массивов, либо переконфигурирования существующих массивов. Требуется обучение при конфигурировании дисковых массивов с чередованием для достижения оптимальной производительности.

3.2.3 Зеркалирование (RAID уровня 1)

Зеркалирование является фундаментальным инструментом архитектора VLDB для снижения частоты отказов дисков. Диски с поддержкой зеркальных копий — это системы, в которых идентичные копии Ваших данных записываются на два или более дисков при каждой операции записи, что позволяет Вашим приложениям работать до тех пор, пока цела хотя бы одна из копий. Несмотря на то, что наблюдается определенная потеря производительности при выполнении операции записи в массивах с зеркалированием по сравнению с конфигурациями без избыточности, зеркалирование обеспечивает наилучшую производительность операции записи среди дисковых конфигураций, устойчивых к сбоям. Зеркалирование особенно полезно для хранения файлов данных Oracle с высокой интенсивностью записи. Многие архитекторы используют зеркалирование для защиты оперативных и архивных журнальных файлов даже тогда, когда стоимостные ограничения не позволяют использования зеркалирования всей дисковой подсистемы.

Дублирование адаптеров, шин и источников питания делает зеркалирование еще более нечувствительным к отказам оборудования. В продублированной конфигурации с зеркалированием, n–уровневая избыточность использует n одинаковых адаптеров. На сегодняшний день несколько клиентов компании Oracle используют трехуровневое дублирование для достижения гибкости операции восстановления. Тройное зеркалирование обеспечивает устойчивость к отказам подобно двойному зеркалированию и позволяет администратору БД восстанавливать СУБД на любое время в прошлом без использования стримеров. Позже мы обсудим одну технику тройного дублирования.

• Производительность при случайном чтении — хорошая. Если реализация контроллера RAID 1 оптимизирует операцию чтения, то несколько выше, чем у независимого диска, в противном случае — идентична независимому диску. Контроллер RAID 1 с оптимизатором будет обслуживать запрос на чтение, используя ту копию, для которой стоимость выполнения операции чтения минимальна, оставляя другой диск(и) в зеркальной группе для параллельного обслуживания других запросов.
• Производительность при случайной записи — хорошая. Если реализация контроллера RAID 1 использует оптимизацию чтения, то несколько хуже, чем у независимого диска, в противном случае — идентична независимому диску. Хотя запись нескольких копий может выполняться параллельно, скорость всей операции записи ограничена скоростью самого медленного устройства. Цена записи n–уровневой реализации RAID 1 равна max(w₁,w₂, · · · ,w_n), где w_i — цена записи на i–тое устройство. Оптимизация чтения данных рассинхронизирует состояния зеркалированных дисков, вследствие чего w_i ≠ w_j для i ≠ j даже для идентичных дисков.
• Производительность при последовательном чтении — удовлетворительная. См. производительность при случайном чтении. Про пускная способность ограничена производительностью одного диска.
• Производительность при последовательной записи — удовлетворительная. См. производительность при случайной записи. Пропускная способность ограничена производительностью одного диска.
• Частота отказов — отличная. N–уровневое дублирование дисковой системы может обеспечить работоспособность системы при выходе из строя до n . 1 дисков в зеркальном наборе. Однако RAID 1 не устраняет проблемы выхода из строя адаптера, шины ввода/вывода, RAID-контроллера, источника питания, аппаратных или программных ошибок. Для устранения этих видов ошибок необходимо дублирование оборудования. При n–кратном дублировании всех компонент система останется работоспособной при выходе из строя до n-1 адаптеров, шин ввода/вывода и пр. в пределах одного комплекта дублирования. Дублирование является наиболее отказоустойчивой дисковой конфигурацией.
• Длительность простоя — отличная. Продолжительность отказа, вызванного n - 1 или меньшим числом дисков или других продублированных компонент равно периоду времени, необходимому для замены этих компонент. В течение этого времени все приложения находятся в рабочем состоянии. Продолжительность простоя при потере данных, обусловленной выходом из строя всех n дисков сопоставима с показателем для RAID 0 конфигурации. В этом случае все зависимые приложения будут недоступны.
• Снижение производительности в течение отказа — отличное. При выходе из строя диска в RAID 1 не будет наблюдаться снижения производительности всего массива. Однако, на время замены диска, операция включения нового диска в массив будет генерировать большой объем ввода/вывода в восстанавливаемой зеркальной группе, что может привести к существенному снижению производительности приложений, читающих или записывающий данные на эту зеркальную группу. Замена других продублированных аппаратных компонент не влечет за собой снижения производительности.
• Стоимость приобретения — плохая. Стоимость емкости при n–уровневом зераклировании в n раз выше, чем стоимость аналогичной емкости для RAID 0. Реализация RAID 1 требует специального контроллера RAID 1 в дополнение к тому же числу адаптеров, что и для RAID 0. Полное зеркалирование ограничено возможностями подсистемы ввода/вывода, поскольку n–уровневое зеркалирование требует в n раз больше посадочных мест, чем конфигурации без избыточности.
• Стоимость обслуживания — удовлетворительная. Стоимость включает обучение персонала администрированию систем с использованием зеркалирования, разработку программного обеспечения для интеграции процедур зеркалирования в плановые операции обслуживания и т.д.

---

5(к тексту)

Обратите внимание — striping пишется с одной буквой p.

---

Назад Содержание Вперёд