Подсистемы внешней памяти высокой готовности

Первым шагом на пути обеспечения высокой готовности является защита наиболее важной части системы, а именно - данных. Разные типы конфигураций избыточной внешней памяти обеспечивают разную степень защиты данных и имеют разную стоимость.

Имеются три основных типа подсистем внешней памяти с высокой готовностью. Для своей реализации они используют технологию Избыточных Массивов Дешевых Дисков (RAID - Redundant Arrays of Inexpensive Disks). Наиболее часто используются следующий решения (более подробно об уровнях RAID см. разд. 9.3.2): RAID уровня 1 или зеркальные диски, RAID уровня 3 с четностью и RAID уровня 5 с распределенной четностью. Эти три типа внешней памяти в общем случае имеют практически почти мгновенное время восстановления в случае отказа. Кроме того, подобные устройства иногда позволяют пользователям смешивать и подбирать типы RAID в пределах одного дискового массива. В общем случае дисковые массивы представляются прикладной задаче как один диск.

Технология RAID уровня 1 (или зеркалирования дисков) основана на применении двух дисков так, что в случае отказа одного из них, для работы может быть использована копия, находящаяся на дополнительном диске. Программные средства поддержки зеркальных дисков обеспечивают запись всех данных на оба диска. Недостатком организации зеркальных дисков является удвоение стоимости аппаратных средств и незначительное увеличение времени записи, поскольку данные должны быть записаны на оба диска. Положительные стороны этого подхода включают возможность обеспечения резервного копирования в режиме on-line, а также замену дисков в режиме on-line, что существенно снижает плановое время простоя. Как правило, структура устройств с зеркальными дисками устраняет также единственность точки отказа, поскольку для подключения обоих дисков обычно предусматриваются два отдельных кабеля, а также два отдельных контроллера ввода/вывода.

В массивах RAID уровня 3 предусматривается использование одного дополнительного дискового накопителя, обеспечивающего хранение информации о четности (контрольной суммы) данных, записываемых на каждые два или четыре диска. Если один из дисков в массиве отказывает, информация о четности вместе с данными, находящимися на других оставшихся дисках, позволяет реконструировать данные, находившиеся на отказавшем накопителе.

Массив RAID уровня 5 является комбинацией RAID уровня 0, в котором данные расщепляются для записи на несколько дисков, и RAID уровня 3, в которых имеется один дополнительный диск. В RAID уровня 5 полезная информация четырех дисков и контрольная информация распределяется по всем пяти дискам так, что при отказе одного из них, оставшиеся четыре обеспечивают считывание необходимых данных. Методика расщепления данных позволяет также существенно увеличить скорость ввода/вывода при передаче больших объемов данных.

Диапазон возможных конструкций современных дисковых массивов достаточно широк. Он простираются от простых подсистем без многих дополнительных возможностей до весьма изощренных дисковых подсистем, которые позволяют пользователям смешивать и подбирать уровни RAID внутри одного устройства. Наиболее мощные дисковые подсистемы могут также содержать в своем составе процессоры, которые разгружают основную систему от выполнения рутинных операций ввода/вывода, форматирования дисков, защиты от ошибок и выполнения алгоритмов RAID. Большинство дисковых массивов снабжаются двумя портами, что позволяет пользователям подключать их к двум различным системам.

Добавка к стоимости дисковой подсистемы для организации зеркальных дисков стремится к 100%, поскольку требуемые диски должны дублироваться в избыточной конфигурации 1:1. Дополнительная стоимость дисков для RAID уровней 3 и 5 составляет либо 33% при наличии диска четности для каждых двух дисков, либо более часто 20% при наличии диска четности для каждых четырех накопителей. Кроме того, следует учитывать стоимость специального программного обеспечения, а также стоимость организации самого массива. Некоторые компании предлагают программные средства для организации зеркальных дисков при использовании обычных дисковых подсистем. Другие предлагают возможности зеркальной организации в подсистемах RAID, специально изготовленных для этих целей. Подсистемы, использующие RAID уровней 3 и 5, отличаются по стоимости в зависимости от своих возможностей.

Реализация внешней памяти высокой готовности может приводить также к увеличению системных накладных расходов. Например, основной процессор системы вынужден обрабатывать две операции при каждой записи информации на зеркальные диски, если эти диски не являются частью зеркального дискового массива, который имеет свои собственные средства обработки. Однако наиболее сложные дисковые массивы позволяют снизить накладные расходы за счет использования процессоров ввода/вывода, являющихся частью аппаратуры дискового массива.

В настоящее время для устройств внешней памяти характерна тенденция уменьшения соотношения стоимости на единицу емкости памяти (1, 0.5 и менее долларов за мегабайт). Эта тенденция делает сегодняшние избыточные решения по внешней памяти даже менее дорогими, по сравнению со стоимостью подсистем с обычными дисками, выпускавшимися только год назад. Поэтому использование подсистемы RAID очень быстро становится одним из базовых требований обычных систем, а не специальным свойством систем высокой готовности.