Czym jest macierz dyskowa?

Żyjemy w dobie nieustannie rozwijającej się technologii. Od czasu wynalezienia komputerów są one jej nieodłączną częścią. Czasami tylko wspierają rozwój, a czasami są częścią nowych rozwiązań. Skutkiem ubocznym jest fakt, że z każdym kolejnym rokiem rozwoju technologii zwiększa się również ilość danych przetwarzanych przez komputery. Powody tego są różne. Większa rozdzielczość zdjęć i filmów, większa ilość wiadomości do przesłania, zbieranie bardziej szczegółowych danych. Efektem tego jest większa ilość miejsca, które owe dane zajmują.

Znaczące zwiększenie ilości pamięci powoduje cały szereg problemów. Większe pliki oznaczają konieczność użycia mocniejszych procesorów, większa rozdzielczość znacząco obciąża procesory graficzne, wymaga to zwiększenia pamięci RAM i VRAM, a na koniec w celu przesyłania danych potrzebne jest szybsze łącze. To jednak nie wszystko. Najważniejszym elementem jest w końcu przechowywanie tych danych.

Pojemność dysków zawsze była dużym problemem dla konstruktorów. Wystarczy spojrzeć na to jak małe są obecnie dyski w stosunku do wielkości ich pamięci. Współczesne dyski do półprzewodnikowe mają porównywalną wielkość z kośćmi pamięci RAM. Podczas gdy RAM posiada najczęściej 8 lub 16 gigabajtów pamięci, dyski mają 128, 256 lub nawet 512 gigabajtów pojemności. I warto wspomnieć, że są to rozmiary dostępne dla przeciętnego użytkownika, ponieważ najlepsze konstrukcje mogą mieć 1024 lub nawet 2048 gigabajtów.

Konstrukcyjnie z dyskami są dwa problemy w kwestii zwiększania pojemności. Pierwsza to koszt, który sukcesywnie rośnie wraz z gęstością pamięci. Druga kwestia to szybkość. Generalnie pojemność dysku nie powinna wpływać na szybkość, chociaż zdarza się to w dyskach półprzewodnikowych, jednak w tym wypadku szybkość jest wyższa wraz ze wzrostem pojemności. Jednak problemem jest właśnie fakt, że dyski o większych pojemnościach wcale nie są szybsze, a korzystając z dużej ilości danych ta prędkość jest niezbędna.

I tutaj pojawia się rozwiązanie w postaci macierzy dyskowej. Najprościej można ją określić jako technologię łączenia dysków. Odbywa się to w różny sposób, ponieważ może to być tylko oprogramowanie, kontroler w chipsetcie komputera, a może być to zewnętrzne urządzenie. Ogólnie macierz dyskowa ma sprawić, że kilka dysków fizycznych będzie działało jak jeden dysk. Przynosi to pewne całkiem duże korzyści.

Najważniejsze cechy macierzy dyskowych

Jak wcześniej wspominałem macierze dyskowe zapewniają spore korzyści i w dodatku rozwiązują problemy, które wynikają z próby zastąpienia ich pojedynczym dyskiem. Warto nadmienić, że faktyczne korzyści wynikające z użycia macierzy dyskowych zależą od ich typu. Podział jaki jest obecnie stosowany scharakteryzuję w dalszej części artykułu, natomiast na obecne potrzeby przyjmę dwa najpopularniejsze zastosowania macierzy dyskowych.

Macierze są najczęściej wykorzystywane jako zabezpieczenie. Praktycznie każde urządzenie wykorzystywane do pracy z istotnymi danymi powinno posiadać takie rozwiązanie. Szczególnie w przypadku urządzeń pokroju serwerów lub dysków sieciowych jest to bardzo istotna opcja, ponieważ są to urządzenia, których dyski pracują w trybie ciągłym. Oznacza to, że są bardziej narażone na awarię. Tym bardziej jeżeli nie są to dyski przystosowane do użycia w serwerach, które mają gorszą wydajność, ale są przygotowane do takiego trybu pracy.

W celu zabezpieczenia danych można skonfigurować kopię zapasową. I to jest bardzo dobre rozwiązanie, ale pod warunkiem wykorzystania go równocześnie z macierzą dyskową. Macierz dyskowa działająca jako zabezpieczenie to minimum dwa dyski o takiej samej pojemności widziane przez komputer jako jeden, posiadający pojemność tylko jednego z dysków. Kontroler macierzy zapisuje na obu dyskach dokładnie to samo. W identyczny sposób może również te dane odczytać. Dla komputera nie ma żadnej różnicy, z którego dysku pobiera dane. W momencie jakiejkolwiek awarii czy błędu, dane z jednego dysku mogą być przeniesione na drugi. Jeżeli dojdzie do poważnej awarii i jeden z dysków przestanie działać, nie spowoduje to utraty danych, ani nawet nie przerwie działania sprzętu, ponieważ przełączy się on na drugi dysk. I to jest największa zaleta w stosunku do programowych kopii zapasowych. Poza tym w żadnym momencie nie odbywa się proceder kopiowania, ponieważ dane są równocześnie zapisywane na obu dyskach. Taka forma macierzy dyskowej nie powoduje zmian w szybkości działania dysków.

Drugim zastosowaniem macierzy dyskowych jest zwiększenie pamięci lub szybkości. A właściwie obu na raz. Jedną z form spinania dysków jest połączenie je w jeden dysk logiczny. Posiada on wtedy pamięć będącą sumą pamięci wszystkich dysków w macierzy. Ponadto podczas zapisu danych część z nich zapisywana jest na jednym z dysków, a część na drugim lub kolejnych. Dzięki temu dane mogą być zapisywane kilkukrotnie szybciej, ponieważ wykorzystują jednocześnie przepustowość wielu dysków.

Zwiększenie prędkości dysków poprzez macierz może być również doskonałym sposobem na zmniejszenie kosztów. Ponieważ szybkie dyski SSD są drogie i oferują małe pojemności, okazuje się, że często lepiej jest wykorzystać kilka dysków twardych spiętych w macierz dyskową. To rozwiązanie eliminuje największą wadę dysków talerzowych - niską prędkość odczytu i zapisu, a jest kilkukrotnie tańsze od dysku lub dysków SSD o zbliżonej pojemności.

Ponadto różne typy macierzy dyskowych można łączyć ze sobą i posiadać zarówno dyski o większej prędkości i pojemności, jak i dyski zabezpieczające.

Rodzaje macierzy

Macierze dyskowe określa się skrótem RAID, czyli Redundant Array of Independent Drives, co znaczy Nadmiarowa Macierz Niezależnych Dysków. Technologia ta posiada kilka różnych rodzajów (poziomów).

RAID 0 lub “stripping” to klasyczne łączenie dysków fizycznych w jeden logiczny. Zwiększa prędkość oraz pojemność. Najlepiej jeżeli są to takie same dyski. Pojemność i szybkość macierzy zależy od najmniejszego oraz najwolniejszego dysku. Można ją łatwo określić poprzez pomnożenie ilości pamięci najmniejszego dysku przez ilość dysków. Rozwiązanie to nie posiada żadnej odporności na awarię, a wręcz powoduje zwiększone ryzyko utraty danych - jeżeli jeden z dysków ulegnie uszkodzeniu to cała macierz przestaje działać.

RAID 1 lub “mirroring” to połączenie dysków, w którym dodatkowy lub dodatkowe dyski są odbiciem lustrzanym podstawowych. Jest to forma zabezpieczenia, natomiast nie ma wpływu na szybkość. Wadą jest konieczność posiadania dokładnie takiej samej ilości miejsca na dyskach dodatkowych. Wolumin posiada pojemność najmniejszego z dysków w macierzy.

RAID 2 to bardziej zaawansowany mechanizm. Polega on na “cięciu” danych na kawałki i zapisywaniu ich na różnych dyskach według specjalnego algorytmu. Algorytm ten może odbudować dowolny dysk z pozostałych w przypadku utraty danych. Zaletą jest odporność na awarię bez utraty ilości miejsca, jednak taka macierz działa dosyć wolno i wymaga minimum trzech dysków.

RAID 3 to macierz działająca na zasadzie RAID 0 jednak z dodatkowym dyskiem przechowującym sumy kontrolne obliczane na bazie danych. Na ich podstawie możliwa jest rekonstrukcja danych podczas awarii jednego dysku. Takie rozwiązanie zmniejsza trochę wydajność, a rekonstrukcja jest bardzo czasochłonnym procesem, ale chroni dane i jest sporo szybsza niż RAID 2.

RAID 4 jest macierzą działająca na tej samej zasadzie jak RAID 3, tylko wykorzystującą inny schemat dzielenia plików. Zdecydowanie lepiej radzi sobie z dużymi plikami i odbudowa danych jest szybsza, ale podczas pracy z małymi oferuje gorszą wydajność. Może być dobrym rozwiązaniem przy przechowywaniu zarchiwizowanych danych.

RAID 5 to macierz działająca podobnie do RAID 4, ale nie korzysta z dodatkowego dysku na zapisywanie sum kontrolnych, tylko rozprasza je po pozostałych dyskach. Takie rozwiązanie oferuje dużą szybkość odczytu, porównywalną z najszybszym RAID 0, i odporność na awarię jednego dysku, jednak ma przez to znacznie pogorszoną prędkość zapisu i rekonstrukcja danych jest bardzo czasochłonna.

RAID 6 to macierz oparta na RAID 5, jednak działająca według innego schematu, który umożliwia rekonstrukcję danych nawet podczas jednoczesnej awarii dwóch dysków. Jest jednak droższa we wdrożeniu, ponieważ wymaga czterech dysków.

RAID 0+1/1+0 to sposoby łączenia macierzy RAID 0 i 1. Oferują one najlepsze parametry pracy, ale wymagają największej ilości dysków, przez co są najdroższe we wdrożeniu. Różnica pomiędzy nimi polega na tym, że w przypadku 0+1 dane są najpierw klonowane i rozdzielane na dwie macierze, a potem ich części są zapisywane jednocześnie na dwóch dyskach w dwóch macierzach. W przypadku 1+0 najpierw są one dzielone i zapisywane na dwóch różnych macierzach, a potem klonowane na dwa różne dyski. Jest to najlepse rozwiązanie jedenak wymaga minimum czterech dysków o takiej samej pojemności, oferując pojemność tylko dwóch.

Zapraszamy do zapoznania się z kilkoma macierzami dyskowymi, dostępnymi w naszej ofercie:

- C8R17A - HP 2040 SAN DC SAS SFF 21.6TB Bundle

- AW523A - HP D2600 600GB 6G SAS LFF 7.2TB Bundle

- AW525A - HP D2700 300GB 6G SAS SFF 7.5TB Bundle

Jeżeli są Państwo zainteresowani macierzami dyskowymi to zapraszamy do kontaktu. Nasi konsultanci zapewnią Państwu profesjonalne doradztwo i dopasują rozwiązania do Państwa potrzeb.