Για ασφαλή αποθήκευση δεδομένων και υψηλές αποδόσεις

Μία από τις βασικότερες παραμέτρους που πρέπει να λαμβάνει υπόψη του ο τεχνικός δικτύου κατά το στήσιμο ενός επαγγελματικού server, είναι η δυνατότητα αποθήκευσής του. Η τεχνολογία RAID αυξάνει την ταχύτητα εγγραφής και ανάγνωσης δεδομένων σε έναν σκληρό δίσκο, ενώ μπορεί ταυτόχρονα να προσφέρει και υψηλή ασφάλεια σε αυτά, εξασφαλίζοντας με αποτελεσματικό τρόπο την επιτυχημένη αποθήκευση όλων των αρχείων. 

Η τεχνολογία RAID εφαρμόζεται κυρίως σε υπολογιστικά συστήματα επαγγελματικών εταιριών ή κρατικών υπηρεσιών, όπου υπάρχει ανάγκη αποθήκευσης κρίσιμων δεδομένων. Μπορεί όμως να χρησιμοποιηθεί και από απλούς οικιακούς χρήστες που διαθέτουν τεράστια βάση δεδομένων από μουσική, ταινίες, φωτογραφίες και δεν επιθυμούν να χάσουν τα πολύτιμα για αυτούς αρχεία σε καμία περίπτωση. Χάρη στην τεχνολογία RAID τα δεδομένα παραμένουν ασφαλή και άμεσα προσβάσιμα ανά πάσα στιγμή, χωρίς την ανάγκη εκτέλεσης πολλαπλών backup σε εξωτερικά αποθηκευτικά μέσα.

PCI Express RAID Controller με 4 eSATA θύρες.

Τι είναι το RAID;

Ο όρος RAID προέρχεται από τα αρχικά της φράσης “Redundant Array of Independent Disks”, που σημαίνει “Πλεονάζουσα Συστοιχία Ανεξάρτητων Δίσκων” και επινοήθηκε το Δεκέμβριο του 1987 από τους David A. Patterson, Garth A. Gibson και Randy H. Katz στο Πανεπιστήμιο του Berkeley της California. Οι τρεις αυτοί επιστήμονες υποστήριξαν ότι είναι εφικτό να επιτευχθούν σημαντικά υψηλότερα επίπεδα αξιοπιστίας αποθήκευσης και μεγαλύτερες ταχύτητες πρόσβασης σε αρχεία, όταν χρησιμοποιείται μια συστοιχία οικονομικών σκληρών δίσκων, αντί για έναν ακριβό ενιαίο σκληρό δίσκο. Έτσι, ακόμα και ο απλούστερος server που διαθέτει σύστημα αποθήκευσης βασισμένο στην τεχνολογία RAID, θα περιλαμβάνει τουλάχιστον δύο σκληρούς δίσκους που θα λειτουργούν παράλληλα, όμως αυτοί θα διαβάζονται από το λειτουργικό σύστημα ως ένας ενιαίος λογικός σκληρός δίσκος. Επειδή η αύξηση της ασφάλειας και της ταχύτητας αυτού του ενιαίου δίσκου πραγματοποιείται με πολλούς τρόπους, το RAID περιλαμβάνει και διάφορα επίπεδα. Συνολικά, υπάρχουν 7 επίπεδα RAID, από το RAID 0 έως το RAID 6, ενώ αυτά που χρησιμοποιούνται περισσότερο είναι τα RAID 1, RAID 5 και RAID 6. Τα RAID 2, RAID 3 και RAID 4, έπειτα από διάφορες δοκιμές και πειραματισμούς προγραμματιστών κρίθηκαν μη επιτυχημένα και εγκαταλείφθηκαν.

Μέθοδοι δημιουργίας RAID

Η δημιουργία ενός συστήματος RAID υλοποιείται με δύο μεθόδους, Hardware RAID και Software RAID, καθεμιά από τις οποίες έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Το Hardware RAID χρησιμοποιεί ξεχωριστό RAID controller για τη διαχείριση των δίσκων και διαθέτει το πλεονέκτημα της προσθαφαίρεσής τους κατά τη διάρκεια λειτουργίας του συστήματος. Διαθέτει αυτόνομο επεξεργαστή και δική του μνήμη RAM, ενώ επειδή δε χρειάζεται υποστήριξη από το λειτουργικό σύστημα μπορεί να εγκατασταθεί σε οποιοδήποτε δίσκο, κάτι που δίνει τη δυνατότητα να έχουμε Dual Boot σύστημα με Windows και Linux. Από την άλλη πλευρά, η αγορά ενός RAID controller είναι εξαιρετικά δαπανηρή και δεν απευθύνεται στους απλούς χρήστες, ενώ σε περίπτωση που χαλάσει απαιτείται ειδικό λογισμικό για την ανάκτηση των αρχείων. Αντίθετα, το Software RAID αποτελεί την πιο οικονομική λύση για τη δημιουργία ενός συστήματος RAID, καθώς χρησιμοποιεί μόνο τον SATA controller της μητρικής κάρτας και τους σκληρούς δίσκους που θα συνδεθούν σε αυτόν. Παρέχει τεράστια ευελιξία στον τύπο RAID που μπορούμε να δημιουργήσουμε κυρίως σε συστήματα Linux, κάτι που εξαρτάται φυσικά και από τις διαθέσιμες θύρες SATA της μητρικής κάρτας, ενώ στα Windows 7 μπορούμε να φτιάξουμε RAID 1 και στα Windows 8/10 να φτάσουμε μέχρι το RAID 5. Μειονέκτημα του Software RAID είναι το γεγονός ότι η διαχείριση του RAID εκτελείται από τον επεξεργαστή του συστήματος. Δηλαδή για παράδειγμα, αν η μητρική κάρτα διαθέτει 8 θύρες SATA και θέλουμε να δημιουργήσουμε RAID με ισάριθμους σκληρούς δίσκους, η συνολική επιβάρυνση που θα δεχτεί ο επεξεργαστής θα είναι σημαντική.

RAID 0

Το RAID 0 απαιτεί τουλάχιστον δύο ίδιους σκληρούς δίσκους και ακολουθεί μέθοδο striping (διαγράμμιση), κατά την οποία τα δεδομένα χωρίζονται σε μπλοκ που γράφονται τμηματικά σαν λωρίδες σε όλες τις μονάδες δίσκου της συστοιχίας. Είναι ιδανικό για περιπτώσεις που μας ενδιαφέρει μόνο η ταχύτητα και όχι η αποθήκευση δεδομένων, οπότε η χρήση του προτείνεται μόνο για εγκατάσταση λειτουργικού συστήματος και προγραμμάτων. 

Πλεονεκτήματα

• Το RAID 0 προσφέρει μέγιστη απόδοση τόσο σε λειτουργία ανάγνωσης, όσο και σε λειτουργία εγγραφής δεδομένων, καθώς οι ταχύτητες ανάγνωσης και εγγραφής όλων των δίσκων της συστοιχίας λειτουργούν προσθετικά.
• Σε συστοιχία δίσκων ίσης χωρητικότητας χρησιμοποιείται το πλήρες σύνολο αυτών, καθώς το άθροισμά τους μας δίνει το συνολικό χώρο αποθήκευσης. Αν έχουμε δηλαδή 4 δίσκους των 750MB, η συστοιχία θα έχει μέγεθος 3TB. Αν όμως έχουμε δίσκους διαφορετικής χωρητικότητας, ο συνολικός χώρος αποθήκευσης του RAID 0 θα είναι ίσος με το μέγεθος του μικρότερου δίσκου επί τον αριθμό των δίσκων της συστοιχίας. Δηλαδή, αν για παράδειγμα έχουμε μια συστοιχία 8 δίσκων με το μικρότερο από αυτούς να είναι 500GB, τότε ο χώρος αποθήκευσης θα είναι 8x500GB=4TB και η υπόλοιπη χωρητικότητα που περισσεύει από τους δίσκους θα μείνει εκτός RAID.
• Είναι εύκολο στην εφαρμογή του και διαθέτει μεγάλη επεκτασιμότητα, καθώς μπορούμε να δημιουργήσουμε μια συστοιχία RAID 0 με όσους σκληρούς δίσκους επιθυμούμε.

Μειονεκτήματα

• Το RAID 0 έχει μηδενική ανοχή σε σφάλματα, που σημαίνει ότι παρέχει και μηδενική ασφάλεια. Αν δηλαδή χαλάσει ένας δίσκος, τότε θα χαθούν οριστικά όλα τα αποθηκευμένα αρχεία από ολόκληρη τη συστοιχία.

RAID 1

Και το RAID 1 απαιτεί τουλάχιστον δύο σκληρούς δίσκους, ενώ ακολουθεί μέθοδο mirroring (κατοπτρισμού), με την οποία τα δεδομένα που εγγράφονται σε ένα δίσκο εγγράφονται αυτόματα και στους υπόλοιπους δίσκους της συστοιχίας. Έτσι, σε περίπτωση που χαλάσει ένας σκληρός δίσκος, το σύστημα εξακολουθεί να λειτουργεί χωρίς κανένα πρόβλημα με τις υπόλοιπες μονάδες δίσκων της συστοιχίας. Είναι ιδανικό για αποθήκευση κρίσιμων αρχείων, όπως για παράδειγμα σε λογιστικά συστήματα, ενώ στην πιο απλή του μορφή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και από οικιακούς χρήστες, επιτρέποντάς τους να αποθηκεύουν τα πολύτιμα αρχεία τους σε δύο διαφορετικούς δίσκους ταυτόχρονα.

Πλεονεκτήματα

• Το RAID 1 προσφέρει εξαιρετική ταχύτητα ανάγνωσης που μπορεί να είναι ίση με το άθροισμα της ταχύτητας των δίσκων της συστοιχίας, καθώς η ανάγνωση δεδομένων σε αυτούς γίνεται ταυτόχρονα και ανεξάρτητα.
• Παρέχει τεράστια ασφάλεια δεδομένων, η οποία είναι πολλαπλάσια σε σύγκριση με αυτή που δίνει ένας μεμονωμένος δίσκος, ανάλογα με τον αριθμό των δίσκων που περιλαμβάνει η συστοιχία. Όσο περισσότερους δίσκους έχουμε δηλαδή, τόσο μεγαλύτερη είναι η ασφάλεια των δεδομένων μας.
• Είναι μια πολύ απλή τεχνολογία με μεγάλες δυνατότητες επεκτασιμότητας, καθώς μπορούμε να προσθέσουμε όσους σκληρούς δίσκους επιθυμούμε.

Μειονεκτήματα

• Επειδή η εγγραφή των δεδομένων γίνεται ταυτόχρονα και με την ίδια ταχύτητα σε όλους τους δίσκους της συστοιχίας, το RAID 1 γράφει με την ταχύτητα εγγραφής του πιο αργού δίσκου.
• Χάνεται ένα πολύ μεγάλο ποσοστό της συνολικής χωρητικότητας αποθήκευσης. Σε συστοιχία δύο δίσκων ίδιου μεγέθους χάνεται το 50% της συνολικής χωρητικότητας, ενώ αν το μέγεθός τους είναι διαφορετικό η χωρητικότητα του RAID 1 θα είναι ίση με το μέγεθος του μικρότερου, οπότε η απώλεια θα είναι μεγαλύτερη. Δηλαδή, με δύο δίσκους του 1TB θα έχουμε συνολική χωρητικότητα 1TB, ενώ αν έχουμε έναν δίσκο των 2GB και έναν των 500GB η συνολική χωρητικότητα του RAID 1 θα πέσει στα 500GB. Επιπλέον, όσο περισσότερους σκληρούς δίσκους περιλαμβάνει η συστοιχία, τόσο περισσότερο αυξάνεται και το μέγεθος της απώλειας της χωρητικότητας.
• Για την αντικατάσταση μιας χαλασμένης μονάδας δίσκου είναι απαραίτητη η απενεργοποίηση του συστήματος.

RAID 5

Το RAID 5 είναι το πιο συνηθισμένο επίπεδο ασφαλείας RAID. Απαιτεί τουλάχιστον τρεις μονάδες δίσκου, αλλά μπορεί να λειτουργήσει με έως και 16. Χρησιμοποιεί μέθοδο striping για το διαχωρισμό των δεδομένων σε μπλοκ, τα οποία αποθηκεύονται σε όλους τους δίσκους. Σε κάθε μπλοκ δεδομένων δημιουργείται ένα parity (ισοτιμία), το οποίο χρησιμοποιεί ο controller για να μπορεί να υπολογίσει εκ νέου τα δεδομένα ενός μπλοκ που πλέον δεν είναι διαθέσιμα. Με τον τρόπο αυτό λοιπόν, το RAID 5 υπολογίζει με ακρίβεια τα μπλοκ δεδομένων που περιείχε ένας χαλασμένος δίσκος της συστοιχίας. Αυτό σημαίνει ότι μια συστοιχία RAID 5 μπορεί να αντέξει την αποτυχία μίας μονάδας, χωρίς να χαθούν τα δεδομένα και η πρόσβαση σε αυτά. Για να διατηρηθεί η ασφάλεια των δεδομένων θα πρέπει να αντικατασταθεί άμεσα ο χαλασμένος δίσκος, καθώς σε περίπτωση αποτυχίας και δεύτερου τα δεδομένα χάνονται οριστικά. Το RAID 5 είναι ένα ολοκληρωμένο σύστημα που συνδυάζει αποδοτική αποθήκευση με εξαιρετική ασφάλεια και αξιοπρεπή απόδοση. Υλοποιείται με τη χρήση ενός RAID controller που με τη μνήμη του βελτιώνει την απόδοση εγγραφής. Είναι ιδανικό για διακομιστές αρχείων και εφαρμογών που διαθέτουν περιορισμένο αριθμό μονάδων δίσκου δεδομένων.

Πλεονεκτήματα

• Το RAID 5 προσφέρει μεγάλη ταχύτητα ανάγνωσης, καθώς οι ταχύτητες των δίσκων λειτουργούν αθροιστικά.
• Η συνολική ταχύτητα εγγραφής δεν μπορεί να υπολογιστεί με ακρίβεια, επειδή εξαρτάται από την ταχύτητα που υπολογίζει ο RAID controller το parity. Είναι όμως αυξημένη σε σύγκριση με αυτή που παρέχει ένας ενιαίος δίσκος, καθώς προστίθενται οι ταχύτητες όλων των δίσκων μείον του ενός. Αν υποθέσουμε δηλαδή ότι χρησιμοποιούμε 5 δίσκους ίδιας ταχύτητας, η ταχύτητα εγγραφής της συστοιχίας τετραπλασιάζεται.
• Παρέχει υψηλό επίπεδο ασφάλειας, καθώς αν χαλάσει μια μονάδα δίσκου εξακολουθούμε να έχουμε πρόσβαση σε όλα τα δεδομένα, ακόμα και κατά τη διάρκεια της αντικατάστασής της που ο RAID controller επαναφέρει τα δεδομένα στη νέα μονάδα δίσκου.

Μειονεκτήματα

• Επειδή οι πληροφορίες του parity μοιράζονται ισόποσα σε όλους τους δίσκους, η συνολική χωρητικότητα του RAID 5 προκύπτει από το γινόμενο της χωρητικότητας του μικρότερου δίσκου, επί τον αριθμό των δίσκων της συστοιχίας μείον ένα. Αν υποθέσουμε δηλαδή ότι έχουμε έναν δίσκο των 500GB και τέσσερις του 1TB, η συνολική χωρητικότητα θα είναι 500GB x (5-1) = 2TB. Αν αυτοί οι πέντε δίσκοι είναι ίδιου μεγέθους χάνεται το 20% από το σύνολο της χωρητικότητάς τους, ενώ αν οι δίσκοι είναι δέκα το ποσοστό που χάνεται πέφτει στο 10% και αν είναι τρεις αυξάνεται στο 33,3%. Δηλαδή, όσο περισσότερους δίσκους περιλαμβάνει η συστοιχία, μειώνεται το ποσοστό της συνολικής χωρητικότητας που χάνεται. Από την άλλη μεριά όμως, επειδή κάποια στιγμή ένας δίσκος χαλάει, όταν χρησιμοποιούμε μεγάλο αριθμό δίσκων αυξάνεται η πιθανότητα ταυτόχρονης διπλής αποτυχίας τους που θα προκαλέσει οριστική απώλεια όλων των δεδομένων.
• Όταν ένας δίσκος χαλάσει και αντικατασταθεί, ο χρόνος που θα χρειαστεί για την επαναφορά (rebuild) των δεδομένων μπορεί να είναι μεγάλος, γεγονός που καθιστά ευάλωτη τη συστοιχία σε πρόσθετη αποτυχία δεύτερου δίσκου. Επίσης, κατά τη διάρκεια του rebuild η απόδοση του συστήματος υποβαθμίζεται.

RAID 6

Το RAID 6 χρησιμοποιεί παρόμοια μέθοδο με το RAID 5, με τη διαφορά ότι περιλαμβάνει ένα δεύτερο parity block που κατανέμεται σε όλους τους δίσκους της συστοιχίας. Για την υλοποίησή του απαιτούνται τουλάχιστον τέσσερις μονάδες δίσκου, ενώ λόγω του πρόσθετου parity η συστοιχία συνεχίζει να λειτουργεί ακόμα και αν δύο δίσκοι χαλάσουν ταυτόχρονα. Ωστόσο, η πρόσθετη αυτή προστασία έχει και κάποιο τίμημα, καθώς οι συστοιχίες RAID 6 έχουν υψηλότερο κόστος ανά GB και έχουν χαμηλότερη απόδοση εγγραφής από τις συστοιχίες RAID 5. Το RAID 6 είναι ένα ολοκληρωμένο σύστημα που συνδυάζει αποτελεσματική αποθήκευση, άριστη ασφάλεια και ικανοποιητική απόδοση. Σε σχέση με το RAID 5, είναι ιδανικότερο για διακομιστές αρχείων και εφαρμογών που χρησιμοποιούν πολλούς μεγάλους δίσκους αποθήκευσης δεδομένων.

Πλεονεκτήματα

• Το RAID 6 προσφέρει μεγάλη ταχύτητα ανάγνωσης, καθώς όπως και στο RAID 5 οι ταχύτητες των δίσκων λειτουργούν αθροιστικά.
• Ακόμα και δύο μονάδες δίσκου να αποτύχουν, εξακολουθούμε να έχουμε πρόσβαση σε όλα τα δεδομένα. Έτσι, το RAID 6 είναι πολύ πιο ασφαλές από το RAID 5, καθώς οι πιθανότητες να χαλάσουν ταυτόχρονα τρεις δίσκοι είναι ασύγκριτα λιγότερες σε σχέση με αυτές της αποτυχίας δύο δίσκων.

Μειονεκτήματα

• Λόγω του πρόσθετου υπολογισμού των δεδομένων του parity, η συνολική ταχύτητα εγγραφής είναι κατά 20% χαμηλότερη σε σχέση με την αντίστοιχη του RAID 5.
• Όπως και στο RAID 5, ο απαιτούμενος χρόνος για το rebuild μπορεί να είναι μεγάλος, ενώ κατά τη διάρκειά του μειώνεται η απόδοση ολόκληρης της συστοιχίας.

RAID 10 (1+0)

Πρόκειται για μια υβριδική διαμόρφωση RAID, η οποία συνδυάζει τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των RAID 1 και RAID 0 σε ένα ενιαίο σύστημα. Παρέχει ασφάλεια αντικατοπτρίζοντας (mirroring) όλα τα δεδομένα σε δευτερεύουσες μονάδες δίσκου, χρησιμοποιώντας μέθοδο striping σε κάθε σετ μονάδων δίσκου για να επιταχύνει τη μεταφορά των δεδομένων. Είναι ιδανικό για εταιρίες και οργανισμούς που διαχειρίζονται βάσεις δεδομένων κρίσιμης σημασίας.

Πλεονεκτήματα

• Σε περίπτωση που χαλάσει ένας από τους δίσκους σε μια διαμόρφωση RAID 10 ο χρόνος ολοκλήρωσης του rebuild είναι πολύ γρήγορος, καθώς χρειάζεται μόνο η αντιγραφή όλων των δεδομένων από το mirror στη νέα μονάδα δίσκου. Η διαδικασία αυτή μπορεί να διαρκέσει μόλις 30 λεπτά για δίσκους χωρητικότητας 1TB.

Μειονεκτήματα

• Το ήμισυ της χωρητικότητας αποθήκευσης χρησιμοποιείται για το mirroring, κάτι που σε σύγκριση με τις μεγάλες συστοιχίες RAID 5 ή RAID 6 αυξάνει το κόστος για πλεονασμό στο RAID 10.

Γράφει ο Χάρης Ματθαίου