Дисковые массивы ATA RAID

ОБЗОРЫ

По мнению ряда экспертов, в начале нового века существенно возрастет доля рынка ATA RAID-систем. В частности, к 2003 г. прогнозируется рост продаж на 24,5%. Аббревиатура RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks) обычно ассоциируется с другим сокращением - SCSI (Small Computer Systems Interface). И действительно, RAID-массивы, включающие соответствующий контроллер и несколько винчестеров SCSI, стали неотъемлемым атрибутом практически каждого сервера. Такое аппаратное решение значительно повышает надежность и производительность дисковой подсистемы, однако и финансовые затраты при этом существенно возрастают. В то же время такой массив можно реализовать с использованием менее дорогих жестких дисков с интерфейсом ATA (IDE).

Классы ATA RAID

Обычно дисковые массивы применяются для создания дисков большого объема (Spanning), повышения производительности (RAID 0), увеличения надежности дисковой подсистемы дублированием дисков (RAID 1) и увеличения надежности при экономии дисков (RAID 5). Заметим, что в отличие от обычных устройств дублирования и отражения, в которых вся хранимая информация так или иначе полностью дублируется, RAID-массивы строятся на основе так называемой striping-техники и “расщепление” данных происходит на уровне секторов, когда сохраняемая информация специальным образом разделяется между дисками всего массива.

Потребность в дисках большого объема часто возникает при необходимости хранить такое количество данных, которое не умещается на одном диске (например, в случае цифрового видео). RAID-контроллер последовательно объединяет два или более диска в один. В отличие от RAID 0 в массивах с функцией Spanning дисковые операции не распараллеливаются. Например, при записи большого файла сначала заполняется до отказа один диск, после чего происходит переход записи на следующий. Теоретически производительность остается на том же уровне, что и у одиночного диска, однако реализация массива проще.

Класс RAID 0 (Non-Redundant Striped Array) представляет собой неизбыточную группу дисков, использующих striping-технику без хранения информации о контрольных суммах. Эти системы обеспечивают максимальную производительность, однако выход из строя одного из физических дисков такого массива приводит к потере хранимых данных. Подобные системы обычно применяются, если требуется высокая производительность для хранения некритичных данных. Минимальное число дисков равно двум.

Контроллер Adaptec AAA-UDMA

К классу RAID 1 (Mirrored Arrays) относятся подсистемы, применяющие методы отражения и дублирования. Стоимость и избыточность подсистем этого класса наиболее велики, зато в ряде случаев они показывают наилучшую производительность среди описываемых классов. Основной недостаток RAID 1 - высокая цена, так как для любого приложения требуется вдвое больший объем дисковой памяти. Именно поэтому особенно эффективно они работают при хранении небольших объемов критической информации. Минимальное число дисков равно двум. Полезный объем при этом составляет половину суммарной емкости, так как емкость одного из дисков приносится в жертву надежности.

Класс RAID 0/1 использует комбинацию методов “расщепления” данных и зеркалирования. Иными словами, скоростные преимущества RAID 0 объединяются с надежностью, присущей RAID 1. Эти системы пригодны для обработки небольших объемов критичных данных с высокой производительностью. Минимальное количество дисков равно четырем.

В классе дисковых подсистем RAID 5 (Striping Array with Rotating Parity) также применяется striping-техника, но уже как для данных, так и для информации о контрольных суммах. Это позволяет выполнять несколько операций записи одновременно. Минимальное число дисков равно трем.

Предложения на рынке

Имеющиеся на рынке АТА RAID можно условно разделить на три класса: платы расширения с интерфейсом PCI и IDE-портами; RAID-контроллеры, интегрированные на системные платы; специализированные устройства, рассчитанные, например, на два жестких диска и аппаратно реализующие RAID-массивы класса RAID 1 или RAID 0. Компаний, занимающихся выпуском устройств первого и третьего типа, не так много, а вот поддержку ATA RAID на системные платы встраивают сейчас почти все крупные фирмы-производители.

Особо стоило бы отметить корпорацию Promise Technology (www.promise.com), которая работает в этой области более 12 лет и к 1999 г. сумела захватить примерно 90% рынка ATA RAID. С 1997 г. она изготавливает платы расширения типа FastTrak, кроме того, ее специализированные микросхемы применяют в своих изделиях и другие фирмы. Так, на системных платах Gigabyte GA-7ZXR и MSI 815EP Pro установлены наборы микросхем Promise PDC 20265 ATA100. Кристаллы c логотипом Promise Technology можно найти в изделиях Compaq, Gateway, Micron, Dell, Quantum, Maxtor, NEC, Fujitsu, Hitachi и т. д.

FastTrak представляет собой Ultra ATA RAID-контроллер, имеющий собственную BIOS и поддерживающий параллельную обработку потоков данных. Оба IDE-канала контроллера работают параллельно и позволяют распределить нагрузку между жесткими дисками под многозадачными операционными системами. Добавив второй контроллер FastTrak, можно получить четыре независимо работающих канала.

Система BIOS, установленная на контроллере, полностью берет на себя все функции дисковых прерываний (INT13). В частности, она позволяет организовать загрузку с любого из дисковых массивов, подключенных через FastTrak. В программе Setup BIOS этого контроллера можно легко создать, сконфигурировать и удалить любой дисковый массив класса RAID 0, 1 и 0/1.

На каждом диске, подключаемом к FastTrak, существует зарезервированная область, в которой прописываются конфигурация массива и информация о всех принадлежащих ему дисках. Таким образом, если один из дисков в массиве разрушается, то информация о конфигурации не теряется и берется с другого диска.

Сам по себе массив создается из двух или более дисков, которые система видит как один физический диск. За счет этого полученный диск обладает лучшей производительностью или лучше защищен от сбоев и потери данных. Первое достигается за счет разделения работы по чтению-записи на несколько винчестеров, второе - копированием одной и той же информации на несколько жестких дисков. Для оптимальной производительности, как правило, рекомендуется использовать в одном массиве одинаковые диски. Однако FastTrak может работать с дисками разных производителей и разных размеров.

Микросхема HPT370 ATA100

Единственным существенным различием между FastTrak и FastTrak66 является наличие у последнего более современного интерфейса Ultra DMA/66. Устройство базируется на наборе микросхем Promise PDC20262. Наряду с драйверами в комплект входит утилита FastCheck Monitoring, которая отображает подсоединенные диски, их каналы и соединения, а кроме того, ресурсы, занимаемые картой и IDE-каналами. В секции опций можно выбрать тип уведомления об ошибках, если откажет часть массива, а также уровень использования PCI и скорость перестройки массива. Можно запланировать автоматическую синхронизацию массива - форму ухода за массивом, подобную ежемесячной дефрагментации, способствующей оптимизации диска для производительности. Устройство автоматически перестраивает поврежденный массив, как только подсоединяется новый диск. Например, если в отсеке “горячей” замены произошел сбой основного диска, можно его удалить, заменив рабочим. Плата обнаружит появление нового диска, автоматически начнет зеркалирование данных с неповрежденных дисков, восстанавливая массив RAID 1.

Драйверы также снабжены опцией Rebuild Rate (“интенсивность перестройки”), которая позволяет отрегулировать скорость копирования данных на свежий диск. Скорость копирования может быть максимальной или иметь фоновое значение, чтобы данный процесс сильно не влиял на другие критичные приложения.

Плата контроллера FastTrak 100 обеспечивает совместимость интерфейсом PCI 2.1 и базируется на наборе микросхем Promise PDC20267. К ней могут подключаться диски с интерфейсами ATA/100, ATA/66 и ATA/33. Ею также поддерживается реализация RAID классов 0, 1 и 0/1. Благодаря объединению нескольких устройств в единый виртуальный массив можно довести его емкость до 128 Гб.

Компания American Megatrends (AMI, www.ami.com) больше известна как разработчик микросхем BIOS для материнских плат, как изготовитель системных плат и серии SCSI RAID-контроллеров MegaRAID. Тем не менее эта компания выпускает PCI-платы ATA RAID и наборы микросхем для них (например, AMI 80649 ATA/100 IDE RAID).

Контроллер AMI HyperDisk имеет два канала IDE и конфигурируется из программы BIOS Setup. Интерфейс достаточно удобен, создаются массивы 0, 1 и 0/1, а также резервные диски (Spare Pool) для RAID классов 0 и 0/1. Размер блока - переменный (32-4096 Кб). Допускается автоконфигурирование, при котором формируется RAID класса 0. Вместе с драйвером устанавливается утилита HyperDisk, позволяющая отслеживать состояние дисков и запускать процесс перестройки массива. К особенностям HyperDisk относится останов загрузки системы при наличии новых подключенных дисков. В настоящее время компанией выпускается устройство HyperDisk 100 - аналогичный контроллер с интерфейсом ATA/100.

Компания ARCO Computers Products (www.arcoide.com) предлагает две линейки IDE RAID-контроллеров - DupliDisk и DupliDisk II. Продукты этих серий позволяют получать лишь массивы RAID класса 1, но зато имеются устройства, рассчитанные на шины ISA и PCI, а также подключаемые непосредственно к разъему IDE на системной плате (Direct Version) и не занимающие слота (No-Slot), причем последние могут быть выполнены в 5,25- или 3,5-дюймовых корпусах. Кроме того, некоторые продукты снабжаются выносными планками, на которых расположены индикаторы, отображающие режим эксплуатации и сигнализирующие о неполадках в функционировании дискового массива.

Компания HighPoint Technology (www.highpoint-tech.com) предлагает наборы микросхем, предназначенные для интеграции в системные платы ПК. Среди них IDE RAID-контроллеры HPT368 ATA66 и HPT370 ATA100, позволяющие организовывать дисковые массивы RAID классов 0, 1 и 0/1. Их охотно применяют многие фирмы - изготовители системных плат, например, Soyo (SY-6BA+ 100, HPT370), Abit (KT7-RAID, HPT370), EliteGroup (D6VAA, HPT370). А вот компания Iwill выпускает RAID-контроллер SIDE-RAID66, использующий чип HPT368, но в виде PCI-платы.

Лидер на рынке SCSI RAID-контроллеров корпорация Adaptec (www.adaptec.com) с прошлого года начала предлагать устройство Adaptec AAA-UDMA. Этот контроллер уникален во всех отношениях. Пожалуй, он единственный среди всех поддерживает RAID 5, а также позволяет наращивать кэш-память. AAA-UDMA - полноразмерная PCI-плата, содержащая разъем для DIMM-модуля памяти, который работает в качестве кэш-буфера. Его базовый объем (2 Мб) можно увеличивать до 64 Мб. Еще одна уникальная особенность Adaptec AAA-UDMA - наличие четырех IDE-каналов вместо традиционных двух. Число поддерживаемых дисков при этом не увеличивается, но отпадает необходимость в конфигурировании “управляющий - управляемый” (Master/Slave). Контроллер оснащен программой BIOS Setup, однако конфигурирование массивов можно выполнять DOS-утилитой ArrayConfig либо из Windows. Поддерживаются RAID-массивы классов 0, 1, 0/1 и 5, а также “горячий резерв”. Размер блока для RAID классов 0 и 5 варьируется в пределах от 8 до 128 Кб. В Windows работой AAA-UDMA ведают драйвер и утилита Adaptec CI/O Management Software.

В заключение хотелось бы отметить, что такие ОС, как Windows NT или Windows 2000, позволяют программно создавать RAID классов 0 и 1 либо пользоваться функцией Spanning. Но сделать этот массив загрузочным не удастся, поскольку сам он вновь начинает существовать только после загрузки ОС, а система должна стартовать с отдельного физического диска. С другой стороны, аппаратно реализованный массив выглядит как обычный жесткий диск. Напомним, что поддержка программного RAID-массива все-таки занимает часть ресурсов процессора. Кроме того, программная среда подвержена влияниям и вероятность сбоя выше, чем при аппаратной реализации.

Таким образом, по сравнению с устройствами SCSI RAID несомненными плюсами аппаратной реализации ATA RAID-массива являются низкая загрузка на процессор, высокая скорость работы, гибкая и простая настройка и меньшая стоимость.