Báo cáo kiến trúc máy tính _TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI RAID

TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI RAID _ bộ môn kiến trúc máy tính

I TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI RAID

RAID: (nhóm các chữ đầu của các từ tiếng Anh sau: Redundant Arrays of

Independent Disks) là hình thức ghép nhiều ổ cứng vật lý thành một hệ ổ cứng có chức năng gia tăng tốc độ đọc/ghi dữ liệu hoặc nhằm tăng thêm sự

an toàn của dữ liệu chứa trên hệ thống đĩa hoặc kết hợp cả hai yếu tố trên

LỊCH SỬ

Lần đầu tiên RAID được phát triển năm 1987 tại trường Đại học California ở Berkeley với những đặc điểm chỉ ghép các phần đĩa cứng nhỏ hơn thông qua phần mềm để tạo ra một hệ thống đĩa dung lượng lớn hơn thay thế cho các ổ cứng dung lượng lớn giá đắt thời bấy giờ

Hội đồng tư vấn phát triển RAID (RAID Advisory Board: Viết tắt là RAB) đã ra thành lập tháng 7 năm 1992 để định hướng, lập ra các tiêu chuẩn, định dạng cho RAID RAB đã phân ra các loại cấp độ RAID (tôi dịch

từ từ: level), các tiêu chuẩn phần cứng sử dụng RAID RAB đã phân ra 7 loại cấp độ RAID từ cấp độ 0 đến cấp độ 6 Cấp độ ở đây không được hiểu rằng cứ cấp độ cao là cao cấp hoặc là "đời sau", mà chúng chỉ phân biệt rằng giữa loại RAID này và loại RAID khác, (nhưng lại được sử dụng để giải thích giữa các loại với nhau)

Vì RAID mang tính toàn vẹn dữ liệu cao , phục hồi nhanh chóng nên RAID chủ yếu được ứng dụng vào các máy server , nhưng không vì thế mà máy trạm không có dùng RAID được , chúng ta cũng có thể hoàn toàn dùng công nghệ RAID cho các máy trạm RAID đã được giới thiệu cách đây khoảng 30 năm và chúng được phát triển qua từng năm

CÁC LOẠI RAID

Theo RAB thì RAID được chia thành 7 cấp độ (level), mỗi cấp độ có các tính năng riêng, hầu hết chúng được xây dựng từ hai cấp độ cơ bản là RAID

0 và RAID 1

RAID 0

RAID 0 là cấp độ cơ bản: Các dữ liệu cần chứa

trên hệ thống RAID 0 được phân tách thành hai phần để

chứa trên tối thiểu hai ổ cứng khác nhau

Đòi hỏi tối thiểu hai đĩa cứng, RAID 0 cho phép

máy tính ghi dữ liệu lên chúng theo một phương thức

đặc biệt được gọi là Striping Một cách đơn giản nhất, ta

có thể hiểu theo ví dụ sau: Có hai ổ cứng: Ổ 0 và ổ 1,

với dữ liệu mang nội dung A (có thể phân tách thành

hai phần dữ liệu bằng nhau là A1 và A2) sẽ được ghi lại

ở cùng trên hai đĩa: Đĩa 0 ký tự dữ liệu A1 và đĩa 1

chứa dữ liệu A2 Khi đọc dữ liệu A này thì đồng thời cả

hai ổ cứng đều hoạt động, cùng lấy ra dữ liệu A1 và A2

trên mỗi ổ cứng Hệ điều hành sẽ tiếp nhận được nguyên vẹn nội dung dữ liệu A như nó được ghi vào

Qua ví dụ trên có thể nhận thấy rằng tốc độ đọc và ghi dữ liệu của hệ thống RAID 0 được tăng lên gấp đôi (cùng một thời điểm cùng đọc và cùng ghi trên cả hai ổ cứng vật lý khác nhau) Do đó RAID 0 rất phù hợp với các

hệ thống máy chủ, các máy tính của game thủ khó tính hoặc các máy tính phục vụ việc đọc/ghi dữ liệu với băng thông cao Ở máy chủ, ta biết rằng việc truy cập dữ liệu để phục vụ người truy xuất được tiến hành hầu như đồng thời (ví dụ bạn đang truy cập vào máy chủ chứa các nôi dung của blog này, thấy rằng trong một thời điểm thì không chỉ có bạn, mà còn có rất nhiều người khác cùng tham gia truy cập, như vậy nếu như máy chủ chỉ có một ổ cứng thì việc truy cập sẽ rất chậm)

Cũng trong ví dụ trên, nếu như xảy ra hư hỏng một trong hai ổ cứng thì sẽ ra sao ? Câu trả lời là dữ liệu sẽ mất hết, bởi dữ liệu cùng được tách ra ghi ở hai đĩa không theo dạng hoàn chỉnh Trong ví dụ trên, nếu như chỉ còn một chữ A1 (hoặc A2) thì hệ thống không thể nhận biết chính xác đầy đủ dữ liệu được ghi vào là A Vậy đặc điểm của RAID 0 sẽ là làm tăng băng thông đọc/ghi dữ liệu, nhưng cũng làm tăng khả năng rủi ro của dữ liệu khi hư hỏng ổ cứng

RAID 1

RAID 1 cũng là một cấp độ cơ bản Từ

các nguyên lý của RAID 0 và RAID 1 có thể

giải thích về các cấp độ RAID khác

RAID 1 là sự kết hợp của ít nhất hai ổ

cứng trong đó dữ liệu được ghi đồng thời trên

cả hai ổ cứng đó (Mirroring) Lặp lại ví dụ trên:

Nếu dữ liệu có nội dung A được phân tách thành A1, A2 thì RAID 1 sẽ ghi nội dung A được ghi tại đồng thời cả hai ổ cứng 0 và ổ cứng 1

Mục đích của RAID 1 là tạo ra sự lưu trữ dữ liệu an toàn Nó không tạo ra sự tăng tốc độ đọc và ghi dữ liệu (tốc độ đọc/ghi tương đương với chỉ

sử dụng duy nhất một ổ cứng) RAID 1 thường sử dụng trong các máy chủ lưu trữ các thông tin quan trọng Nếu có sự hư hỏng ổ cứng xảy ra, người quản trị hệ thống có thể dễ dàng thay thế ổ đĩa hư hỏng đó mà không làm dừng hệ thống RAID 1 thường được kết hợp với việc gắn nóng các ổ cứng (cũng giống như việc gắn và thay thế nóng các thiết bị tại các máy chủ nói chung)

RAID 2

RAID 2 thì ít được sử dụng trong thực tế, cũng có ít tài liệu nói về loại RAID này RAID 2 gồm hai cụm ổ đĩa, cụm thứ nhất chứa các dữ liệu được phân tách giống như là RAID 0, cụm thứ hai chứa các mã ECC dành cho sửa chữa lỗi ở cụm thứ nhất Sự hoạt động của các ổ đĩa ở RAID 2 là đồng thời

để đảm bảo rằng các dữ liệu được đọc đúng, chính do vậy chúng không hiệu quả bằng một số loại RAID khác

RAID 2 không sử dụng bất kỳ công nghệ nào trong số những chuẩn RAID mang tính chính thức như Mirroring, Striping hay Parity Cơ chế hoạt động của RAID 2 có nhiều nét khá giống với những loại RAID kết hợp Striping và Parity ( bao gồm từ RAID 3 đến RAID 7 ) Điểm khác biệt là ngoài các đĩa cứng dùng trong việc lưu trữ, các đĩa cứng còn lại nhận nhiệm

vụ tính toán và sửa các lỗi trong quá trình đọc và ghi đĩa RAID 2 chỉ là một loại RAID được đề cập đến trong tài liệu của viện nghiên cứu Berkeley mà chưa chính thức được đưa vào thực tế vì giá thành quá cao của nó

RAID 3

RAID 3 là sự cải tiến của RAID 0

nhưng có thêm (ít nhất) một ổ cứng chứa

thông tin có thể khôi phục lại dữ liệu đã

hư hỏng của các ổ cứng RAID 0 Truyền

dữ liệu song song có kiểm tra Chẵn Lẻ

Mỗi khối dữ liệu sẽ được chia nhỏ và

được phân tán thành từng nhóm trên

nhiều đĩa dữ liệu khác nhau Các thông

tin hỗ trợ dự phòng và kiểm tra lỗi sẽ

được lưu trữ trên các đĩa riêng biệt gọi là đĩa kiểm tra Các hỏng hóc về đĩa cứng thường không ảnh hưởng nhiều đến các đĩa dữ liệu, hiệu suất và độ an toàn chung của dữ liệu

Tốc độ ĐỌC & GHI dữ liệu rất cao Giả sử dữ liệu A được phân tách thành 3 phần A1, A2, A3, khi đó dữ liệu được chia thành 3 phần chứa trên các ổ cứng 0, 1, 2 (giống như RAID 0) Phần ổ cứng thứ 3 chứa dữ liệu của tất cả để khôi phục dữ liệu có thể sẽ mất ở ổ cứng 0, 1, 2 Giả sử ổ cứng 1 hư hỏng, hệ thống vẫn hoạt động bình thường cho đến khi thay thế ổ cứng này Sau khi gắn nóng ổ cứng mới, dữ liệu lại được khôi phục trở về ổ đĩa 1 như trước khi nó bị hư hỏng.Yêu cầu tối thiểu của RAID 3 là có ít nhất 3 ổ cứng

RAID 4

Sử dụng các đĩa dữ liệu độc lập và các đĩa kiểm tra dùng chung (Independent data disks with shared parity disks) - Là công nghệ RAID tương tự như RAID 3 nhưng ở một mức độ các khối dữ liệu lớn hơn chứ không phải đến từng byte, các đĩa cứng dữ liệu được quản lý độc lập thay vì đồng bộ với nhau thành một hệ thống

Tốc độ ĐỌC dữ liệu (READ) rất cao Tỉ lệ của ECC (Parity) disk / data disk càng thấp thì càng hiệu quả Tốc độ Ghi tổng thể (aggregate Read) cao Chúng cũng yêu cầu tối thiểu 3 đĩa cứng (ít nhất hai đĩa dành cho chứa

dữ liệu và ít nhất 1 đĩa dùng cho lưu trữ dữ liệu tổng thể) RAID 4 rất ít khi được sử dụng

RAID 5

RAID 5 thực hiện chia đều dữ liệu trên các ổ đĩa giống như RAID 0 nhưng với một cơ chế phức tạp hơn Đây có thể coi là dạng RAID mạnh mẽ nhất cho người dùng văn phòng và gia đình với 3 hoặc 5 đĩa cứng riêng biệt

Dữ liệu và bản sao lưu được chia lên tất cả các ổ cứng Ví dụ về 8 đoạn dữ liệu (1-8) và giờ đây là 3 ổ đĩa cứng Đoạn dữ liệu số 1 và số 2 sẽ được ghi vào ổ đĩa 1 và 2 riêng rẽ, đoạn sao lưu của chúng được ghi vào ổ cứng 3 Đoạn số 3 và 4 được ghi vào ổ 1 và 3 với đoạn sao lưu tương ứng ghi vào ổ đĩa 2 Đoạn số 5, 6 ghi vào ổ đĩa 2 và 3, còn đoạn sao lưu được ghi vào ổ đĩa

1 và sau đó trình tự này lặp lại, đoạn số 7,8 được ghi vào ổ 1, 2 và đoạn sao lưu ghi vào ổ 3 như ban đầu Như vậy RAID 5 vừa đảm bảo tốc độ có cải thiện, vừa giữ được tính an toàn cao Dung lượng đĩa cứng cuối cùng bằng tổng dung lượng đĩa sử dụng trừ đi một ổ Tức là nếu bạn dùng 3 ổ 80GB thì dung lượng cuối cùng sẽ là 160GB

RAID 5 cũng yêu cầu tối thiểu có 3 ổ cứng Chi phí dành cho RAID 5 cũng khá cao

RAID 6

Sử dụng các đĩa dữ liệu độc lập

(independent data disk) và hai hệ thống mã kiểm

tra độc lập phân tán (two independent distributed

parity schemes): Là công nghệ RAID có mức độ

tin cậy (an toàn) cao nhất (highest reliability)

nhưng không được sử dụng rộng rãi Nó là công

nghệ RAID tương tự như RAID Level 5 nhưng có cơ chế thực hiện 2 tính toán kiểm tra lỗi độc lập với nhau nhằm tăng cường khả năng chịu lỗi (cơ chế này gọi là kiểm tra lỗi chẵn lẻ hai chiều: two-dimensional parity) Dữ liệu được phân tán theo từng khối trên 1 tập hợp nhiều ổ đĩa khác nhau, tương tự như ở RAID 5, và một tập hợp thứ hai gồm các thông tin kiểm tra được tính toán và ghi trên tất cả các đĩa khác nhau RAID 6 cung cấp khả năng chịu lỗi "cực cao" (extremely high data fault tolerance) và có thể "chịu đựng" được sự cố nhiều ổ đĩa hư đồng thời (multiple simutaneous drive failures) Nó là một GIẢI PHÁP HOÀN HẢO cho các ứng dụng "cực kỳ" quan trọng (mission-critical application)

RAID 6 yêu cầu tối thiểu 4 ổ cứng Nếu với 4 ổ cứng thì chúng cho phép hư hỏng đồng thời đến 2 ổ cứng mà hệ thống vẫn làm việc bình thường, điều này tạo ra một xác xuất an toàn rất lớn Chính do đó mà RAID

6 thường chỉ được sử dụng trong các máy chủ chứa dữ liệu cực kỳ quan trọng

RAID 7 (RAID 3 và 4)

Chế độ hoạt động dị bộ được tối ưu hóa hỗ trợ tốc độ nhập xuất và tốc

độ truyền dữ liệu rất cao

Các đặc điểm chính về kiến trúc : Tất cả các giao diện nhập xuất đều

là dị bộ, độc lập và được lưu trong vùng đệm, kể cả các nhập xuất qua giao diện chính Tất cả các tác vụ Đọc và Ghi đều được lưu trữ trong bộ đệm trung tâm thông qua kênh truyền X tốc độ cao Ổ đĩa chứa thông tin kiểm tra chuyên biệt có thể được gắn ở bất cứ kênh nhập xuất nào Hệ điều hành hỗ trợ thời gian thực thường trú trên bộ xử lý của card điều khiển Kênh truyền thông được điều khiển bởi hệ điều hành thời gian thực nhúng sẵn Hệ thống

mở sử dụng các ổ đĩa SCSI và các Bus mở rộng, mainboard và các bộ nhớ chuẩn Kênh truyền dữ liệu dựa trên bộ nhớ truy cập nhanh nội bộ tốc độ cao Tạo mã sửa lỗi và và nạp bộ nhớ truy cập nhanh Nhiều ổ đĩa được kết nối trong hệ thống có thể được định nghĩa như là các đĩa dự phòng nóng Khả năng quản trị: hệ thống RAID 7 có thể hỗ trợ giao thức quản trị mạng SNMP cho phép theo dõi và quản lý từ xa

Hiệu suất Ghi cao hơn từ 25% - 90% so với đĩa đơn và từ 1.5 - 6 lần tốt hơn các mức RAID khác Các giao diện chính có thể được mở rộng để kết nối thêmhoặc để tăng cường băng thông truyền dữ liệu qua giao diện chính Các tác vụ Đọc ít trong môi trường đa người dùng có tỉ lệ sử dụng bộ nhớ cache rất cao dẫn đến thời gian truy cập gần bằng 0 Hiệu suất Ghi được tăng cường khi số đĩa trong dãy tăng lên Thời gian truy cập giảm mỗi khi tăng số trục quay trong dãy Không phát sinh việc truyền dữ liệu cho tác vụ điều khiển kiểm tra lỗi dữ liệu RAID 7 là một thương hiệu được đăng ký của Storage Computer Corporation Chi phí triển khai tính trên một MB dữ liệu là “cực kỳ” cao Bộ nguồn hệ thống cần phải sử dụng UPS để tránh trường hợp bị mất dữ liệu lưu trữ trong bộ nhớ truy cập nhanh (cache data)

RAID 10

Độ tin cậy rất cao và hiệu suất (về tốc độ) cao Là công nghệ RAID kết hợp giữa "Tạo đĩa ảnh" - mirroing (RAID 1) và "Phân tán dữ liệu trên nhiều đĩa" - stripping (RAID 0), sự kết hợp này mang lại độ an toàn dữ liệu rất cao bên cạnh khả năng truy cập được cải thiện rất đáng kể

RAID 10 được thực hiện với các thành phần của dãy phân tán (stripped array) là các dãy đĩa RAID 1 Nghĩa là trong RAID 0, dữ liệu được phân tán trên các "đĩa" khác nhau; còn ở RAID 10, dữ liệu được phân tán trên nhiều "dãy đĩa" khác nhau (các dãy đĩa này đã được "sao chép" ra nhiều đĩa "ảnh" khác nhau) RAID 10 có khả năng chịu lỗi tương tự RAID 1 Tốc

độ nhập xuất cao do phân tán các dãy đĩa RAID 1 Trong một số trường hợp, RAID 10 có thể "chịu đựng" được sự cố nhiều ổ đĩa hư đồng thời Đây là giải pháp phù hợp cho các ứng dụng có nhu cầu sử dụng RAID 1 vì mục đích an toàn dữ liệu và lại muốn có thêm "một chút xíu cải thiện về hiệu suất" RAID Level 10 cần sử dụng ít nhất là 4 đĩa cứng Các ứng dụng đề nghị sử dụng RAID 10: các máy chủ dữ liệu (database server) đòi hỏi hiệu suất (tốc độ) và khả năng chịu lỗi cao

Khuyết điểm: rất đắt tiền / tổng phí cao Tất cả các ổ đĩa cứng phải di chuyển song song với nhau theo rãnh xác định, điều này làm giảm khả năng

"chịu đựng" lỗi của hệ thống Khả năng mở rộng rất hạn chế với chi phí tương ứng rất cao

RAID 01

Tốc độ truyền dữ liệu cao RAID 0+1 được thực hiện bằng cách tạo các dãy đĩa ảnh (mirrored array) với các thành phần là các đĩa cứng đã tạo thành dãy RAID 0 Nghĩa là phân tán dữ liệu (stripping) trước rồi mới tạo đĩa ảnh (mirroring) sau RAID 0+1 có cùng khả năng chịu lỗi tương tự như RAID Level 5

Tốc độ nhập xuất cao nhờ các thành phần của dãy là các dữ liệu phân tán Kỹ thuật này rất thích hợp với những nơi có nhu cầu cao về tốc độ nhưng không quan tâm đến việc đạt độ an toàn tối đa Khuyết điểm: Một đĩa đơn bị hư có thể kéo theo cả toàn dãy bị lỗi Về cơ bản, RAID 0+1 gần giống như RAID 0 Rất đắt tiền / tổng phí cao Tất cả các ổ đĩa cứng phải di chuyển song song với nhau theo rãnh xác định, điều này làm giảm khả năng

"chịu đựng" lỗi của hệ thống

RAID 53

Tốc độ nhập xuất và tốc độ truyền dữ liệu cao RAID 53 đáng ra phải được gọi là RAID "03" vì nó được thực hiện như một dãy đĩa phân tán có các thành phần là các dãy RAID 3 (thay vì các đĩa đơn) Khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao nhờ vào các thành phần là các dãy RAID 3 Tốc độ nhập xuất cao đối với các yêu cầu đơn giản nhờ vào việc phân tán dữ liệu theo RAID

0 Đây là giải pháp tốt cho những nơi muốn sử dụng RAID 3 (đảm bảo độ an toàn và hiệu suất hoạt động cao) nhưng lại muốn thêm "một chút tăng thêm"

về tốc độ RAID Level 53 cần ít nhất là 5 ổ đĩa cứng

Khuyết điểm: Chi phí thực hiện rất cao; tất cả các trục quay đĩa cứng phải hoạt động đồng bộ với nhau, điều này hạn chế việc lựa chọn các ổ đĩa cứng khi thực hiện hệ thống; việc phân tán dữ liệu theo từng byte (byte stripping) sẽ kéo theo khả năng sử dụng không hiệu quả dung lượng đĩa đã được định dạng

Bảng so sánh về một số công nghệ RAID

Mức RAID

(RAIDLevel)

Mô tả (Description)

Chi phí

về Đĩa (Disk cost)

Độ an toàn

dữ liệu (Data Reliability)

Truyền dữ liệu

(Data Transfer)

Tốc độ Nhập/Xuất tối đa

(Max I/O rate)

0

Phân tán đĩa

(Disk stripping)

Dữ liệu được phân tán trên nhiều đĩa trong dãy Không hỗ trợ khả năng chịu lỗi.

N (Là số đĩa có thể được

sử dụng

để chứa

dữ liệu).

Kém hơn so với đĩa đơn.

(Tốc độ) Rất cao.

Rất cao cho các tác

vụ Đọc và Ghi.

1

Tạo đĩa ảnh

(Mirroring)

Tất cả dữ liệu được sao chép trên N đĩa độc lập.

2N

Cao hơn các mức 2,3,4 hoặc 5 nhưng thấp hơn mức 6.

Đọc: cao hơn đĩa đơn.

Ghi: tương tự đĩa đơn.

Đọc: lên tới 2 lần đĩa đơn.

Ghi: tương tự đĩa đơn.

2

Dữ liệu được bảo vệ bởi mã sửa lỗi (ECC Hamming code) Các thông tin sữa lỗi được phân tán trên m đĩa (m: số đĩa chứa

mã sửa lỗi)

N+m

Cao hơn nhiều so với đĩa đơn.

Có thể so sánh với các mức 3,4 hoặc 5.

Cao nhất. Tương đương 2 lần tốc độ đĩa đơn.

3

Truyền dữ liệu

song song có

kiểm tra chẵn lẻ

(parallel

transfer with

parity)

Mỗi nhóm dữ liệu (sector) được chia nhỏ

và phân tán trên tất cả các đĩa dữ liệu (N) Thông tin sửa lỗi được lưu trên một đĩa riêng.

N+1

Cao hơn nhiều so với đĩa đơn.

Có thể so sánh với các mức 2,4 hoặc 5.

Cao nhất. Tương đương 2 lần tốc độ đĩa đơn.

4

Dữ liệu được phân tán theo từng khối Các thông tin sửa lỗi được lưu trữ trên một đĩa riêng.

N+1

Cao hơn nhiều so với đĩa đơn.

Có thể so sánh với các mức 2,3 hoặc 5.

Đọc: tương

tự như trường hợp phân tán đĩa (disk

stripping).

Ghi: chậm hơn nhiều so

Đọc: tương tự như trường hợp phân tán đĩa (disk stripping) Ghi: thường chậm hơn đĩa đơn.