RAID уровень 2

Бит 1

Бит 3

Бит 2

Бит 4

Четность

RAID уровень 3

RAID уровень 4

RAID уровень 5

Рис. 5.15. Системы RAID уровней от 0 до 5. Резервные диски затенены

Эта схема использовалась в компьютере СМ-2 фирмы Thinking Machines. Бралось 32-разрядное слово данных, к нему добавлялись 6 битов четности, чтобы образовать 38-разрядное слово Хэмминга, плюс дополнительный бит четности. По­лученное 39-разрядное слово записывалось на 39 дисков. Таким образом, скорость операций чтения и записи увеличивалась в 32 раза. Потеря одного из устройств также не вызывала особых проблем, поскольку это приводило к потере всего одного бита в 39-разрядном слове, с чем код Хэмминга легко справлялся на лету.

Недостаток этой схемы заключался в том, что для ее работы требовалась синх­ронизация вращения всех дисков. Кроме того, такая схема имела смысл только при значительном количестве дисков. Даже при 32 дисков с данными и 6 с битами чет­ности накладные расходы составляли 19 %. Кроме того, контроллер должен посто­янно и с большой скоростью считать контрольную сумму по Хэммингу.

Система RAID уровня 3 представляет собой упрощенную версию системы RAID уровня 2. Одна показана на рис. 5.15, г. В этой схеме для каждого слова дан­ных считается один бит четности, записываемый на отдельный диск четности. Как и в случае системы RAID уровня 2, все диски должны быть точно синхронизиро­ваны, так как слово данных побитно пишется сразу на все диски.

На первый взгляд может показаться, что одиночный бит четности дает только возможность выявления ошибок, но не их исправления. Для случайных ошибок в произвольном разряде это справедливо. Однако для случая выхода из строя дис­ка одного бита вполне достаточно для полного восстановления данных, так как по­зиция бита известна. В случае выхода диска из строя контроллер просто считает, что все биты, содержащиеся на нем, равны нулю, определяя их истинное значение по четности разрядов, считанных с остальных дисков. Хотя оба уровня 2 и 3 систе­мы RAID позволяют добиться очень высоких скоростей передачи данных, число отдельных запросов ввода-вывода, которые они могут обработать, не выше, чем у отдельного диска.

Системы RAID уровней 4 и 5 снова работают с полосами (чередующимися на­борами данных), а не с отдельными словами с битами четности, поэтому не требу­ют синхронизации дисков. Система RAID уровня 4 (рис. 5.15, д) аналогична уров­ню 0, но с дополнительным диском четности, содержащим сумму по модулю два всех данных с остальных дисков. Если любой из дисков выйдет из строя, поте­рянные байты могут быть восстановлены при помощи той же операции сложения по модулю два.

Такая организация надежно защищает от выхода диска из строя, но при не­больших изменениях информации, хранящейся на дисках, производительность не только не увеличивается, а даже наоборот, снижается. Если изменяется всего один сектор, то все равно необходимо прочитать данные со всех дисков, чтобы заново рассчитать значения битов четности, которые нужно будет перезаписать. В каче­стве альтернативы можно читать старые данные пользователя и старое значение избыточной информации и пересчитывать новое значение по этим данным. Но и такой вариант все равно требует дополнительных операций чтения перед опера­циями записи.

В результате повышенной нагрузки на диск, содержащей избыточные данные, этот диск может стать узким местом системы. Эта проблема решается в системе RAID уровня 5, в которой биты четности равномерно распределены по всем дискам, как показано на рис. 5.15, е. На первый взгляд может показаться, что восстановле­ние вышедшего из строя диска в этом случае будет значительно сложнее, чем в сис­теме RAID уровня 4. Однако на самом деле оно ничем не отличается от предыдуще­го случая. В обоих случаях нужно всего лишь сложить все данные на оставшихся дисках по модулю 2, что обусловливается природой этой арифметической опера­ции, являющейся обратной для самой себя.