Diskovna polja - RAID

Verjetno se je že marsikomu zgodilo, da je ob menjavi računalnika ali računalniških komponent ostal disk, ki je manjši in počasnejši v primerjavi z novim, obenem pa tudi prestar, da bi ga brez strahu pred okvaro še uporabljali. Rešitev? Svet polj RAID, s katerimi bomo pohitrili delovanje računalnika ali pa dodali varnostno kopijo dragocenih podatkov. Spoznali bomo različne tipe teh polj, razlike med njimi, pridobitve in izvedeli, kako naredimo RAID polje brez dodatnih stroškov.

Pred približno dvema desetletjema in pol se je ob vse večji potrebi po vedno večjih nosilcih podatkov rodila tehnologija polj RAID. Kratica RAID zelo poenostavljeno pomeni skupino diskov, združenih v eno logično diskovno enoto. Tehnologija RAID je bila v zametkih nastajanja zamišljena za nižanje stroškov za strežniške sisteme, saj so bili diski zelo dragi. Danes nam polje RAID ponuja predvsem varnost in hitrejši dostop do podatkov. Dotaknili se bomo treh različnih vrst teh polj, ki so po našem mnenju uporabna na domačem računalniku in tudi dovolj enostavna, da jih z malo truda vzpostavimo sami. Hkrati bomo priredili tekmovanje v hitrosti med strojnim in programskim RAID poljem. Za primerjavo strojnih in programskih RAID polj smo uporabili štiri nove Toshibine diske velikosti 2 TB (MK2002TSKB), dva res stara diska Western Digital 80 GB (WD800AAJS) in krmilnik RAID Adaptec 6405E.

Hitrostne razlike smo merili s programom Sandra Lite v. 2012.SP4 (18.45) v operacijskem sistemu Windows 7 Ultimate 64-bit.

Razlike med polji

RAID 0 (t. i. "striping")

Se programi ne zaženejo dovolj hitro in potrebujemo hitrejši pogon? Omislimo si polje RAID 0, za katero potrebujemo vsaj dva diska enake velikosti. S tem tipom RAIDa pridobimo na hitrosti zapisovanja in branja podatkov, ne izgubimo velikosti diskov (gigabajtov), a dodatno povečamo verjetnost izgube podatkov.

RAID 0 namreč deluje tako, da podatke deli na enako velike enote in jih enakomerno razporeja med sodelujoče diske. Torej - ob okvari enega izmed diskov izgubimo vse podatke. Zato tako kombinacijo uporabljamo predvsem, ko potrebujemo le in izključno hitrost, zanesljivost pa nas ne zanima (ker imamo zanesljivo varnostno kopijo, npr.). Ob hudi krizi so v spletu na voljo programska orodja, s katerimi je mogoče rešiti vsaj del podatkov.

RAID 0

Za: Hitrost, uporabimo lahko vso zmogljivost diskov.

Proti: Nevarnost izgube podatkov.

RAID 1 (zrcaljenje)

Dodajmo varovalko podatkom na disku in se izognimo težavam, ki nastanejo ob okvarah - potrebujemo dva diska enake velikosti. Ko vzpostavimo RAID 1 oz. zrcaljenje, sistem podatke hkrati zapisuje (in bere) na dva diska, ki pa sta v sistemu (npr. v Oknih) uporabniku vidna kot en sam. Z zrcaljenjem diskov pridobimo varnostno kopijo, izgubimo pa polovico prostora, ki smo ga kupili z dvema diskoma. Za malenkost se tudi upočasni zapisovanje podatkov, pri branju pa bolj ali manj ni razlik.

RAID 1

Za: Odlična varnostna kopija podatkov.

Proti: Izguba polovice zmogljivosti dveh diskov.

RAID 10 (zrcaljenje + "striping")

Kot zadnjo kombinacijo RAID polj, ki je uporabna v domačem okolju, smo izbrali tip 10. Ta inačica je nekoliko kompleksnejša od predhodnikov, saj vsebuje tako lastnosti RAID 1 kot RAID 0. Polje lahko ustvarimo, ko imamo na voljo (vsaj) štiri enake diske. Delovanje RAID 10 si lahko opišemo tako, da naredimo iz štirih diskov dva para. Najprej en par zvežemo v "striping" in ustvarimo zelo hitro polje, potem pa ta par "prezrcalimo" na drug par in to zelo hitro polje še zaščitimo pred izgubo podatkov. In seveda, spet, izgubimo polovico diskovnega prostora, ki smo ga kupili s posameznimi diski.

RAID 10

Za: Hitrost, varnostna kopija podatkov.

Proti: Izguba polovice zmogljivosti dveh diskov. Potrebujemo veliko diskov.

Defragmentirajmo!

Dotaknimo se še fragmentacije podatkov na našem disku. Fragmentacija? Da, podatki na disku prej ali slej postanejo "razmetani" oz. "fragmentirani", zato jih sistem veliko počasneje bere in na disk veliko počasneje zapisuje nove. Posebni programi, "defragmentatorji", poskrbijo za to, da so podatki na disku spet zapisani linearno, v enem kosu, in tako hitreje berljivi. Svetujemo torej pogosto defragmentiranje. Po drugi strani pa je v Windows 7 skrb za optimalno zapisovanje podatkov odveč, saj je Microsoft defragmentacijo vključil v ozadje delovanja operacijskega sistema Windows 7.

Kako se ga lotimo?

Za polja RAID seveda potrebujemo dovolj priključkov za priklop diskov (danes so to največkrat priključki SATA), najdemo pa jih tako na sami matični plošči kot na posebnem krmilniku. Če bomo uporabili priključke na matični plošči, bo za delovanje s poljem RAID največkrat moral poskrbeti sam operacijski sistem (Windows, Linux ...), čeprav so na nekatere matične plošče vgrajeni tudi posebni čipi/krmilniki, ki lahko za to poskrbijo strojno.

Tako, programsko polje RAID, ki ga ustvarimo ob pomoči operacijskega sistema, ima svoje prednosti in slabosti. Prednost je predvsem v ceni, saj za delovanje ne potrebuje dodatne strojne opreme. Kot slabost bi mu lahko pripisali obremenitev sistemskih komponent. Dejstvo, da je hitrost delovanja takega polja odvisna predvsem od obremenjenosti našega sistema, lahko danes že zanemarimo, saj so današnji procesorji tako zmogljivi, da za delovanje RAIDa potrebujemo zelo majhen odstotek sistemskih virov.

Programsko RAID polje v Oknih ustvarimo kar prek sistemskega orodja, imenovanega Upravljavec diskov (disk management). Nastavitev je enostavna, z desnim klikom prostega razdelka pridemo do menuja in na njem izbiramo med preprostim, razširjenim, RAID 0 ali RAID 1 poljem. Med nastavljanjem in preizkušanjem smo ugotovili, da je Microsoft onemogočil podporo RAID 10. Tako kot tudi bolj zmogljivi RAID 5, ki se ponavadi uporablja v strežniških okoljih in ga zato podpira le Windows Server. Neuspešen je bil tudi preizkus prenosa polja RAID 0 med Windows XP na Windows 7. Preneseno polje so novejša okna sicer zaznala, vendar uvoz tuje skupine diskov (import foreign disk group) ni bil uspešen.

Strojno polje RAID

Strojno polje RAID je običajno nekoliko dražja možnost, saj potrebujemo krmilnik RAID (ali pa, kot rečeno, uporabimo krmilnik na matični plošči, če ga imamo). No, strošek ni gromozanski - krmilniške kartice stanejo od 30 evrov naprej. Krmilnik si lahko predstavljamo kot samostojno enoto, ki ima svoj "BIOS", pomnilnik, procesor (in še bi lahko naštevali) in ob delovanju naj ne bi obremenjeval delovanja našega sistema. Samostojni vmesnik, ki je neodvisen od operacijskega sistema, nam ponuja nastavitev različnih tipov RAID polj, katere sistem kasneje prepozna kot samostojno enoto. Ponavadi z diski in polji upravljamo kar v krmilnikovem BIOSu, čeprav zmogljivejši modeli premorejo tudi okenski program, ki je uporabniško prijaznejši. Mimogrede, preizkus prenosa RAID polj med Windows XP in Windows 7 nismo mogli opraviti, saj za naš krmilnik RAID nismo našli potrebnih gonilnikov za Windows XP. Zanimivo je, da smo z našimi meritvami ugotovili, da so lahko strojni krmilniki (vsaj tisti za "domačo" uporabo, v nekaterih primerih tudi precej počasnejši od programskega polja RAID, ki ga upravlja sam procesor, oz. Okna.

V računalnik smo vgradili krmilnik Adaptec RAID 6405E, s polji pa smo upravljali prek njegovega BIOSa.

Zaklenjenost

Kot zelo slabo lastnost strojnega RAID polja bi poudarili predvsem nezdružljivost med različnimi izdelovalci RAID krmilnikov. Ob okvari krmilnika smo zavezani k nakupu nove enote iste znamke in ne nujno enakega modela (prej moramo preveriti združljivost).

Kaj smo izmerili

Zanimala nas je primerjava hitrosti med programskim in strojnim RAID poljem, dogajanje, ko nam odpove eden izmed diskov, in vpliv programskega RAIDa na porabo sistemskih virov (procesorja). Tako strojni kot programski način dela s polji sta dovolj preprosta, da v primeru, ko imamo diske že vgrajene v računalnik, za nastavitev porabimo zgolj nekaj minut.

Ko smo simulirali okvaro (na poljih RAID 1 in RAID 10) in odklopili enega izmed diskov, nas je krmilnik RAIDz neprijetnim piskanjem opozoril, da je z našo strojno opremo nekaj narobe, in nam ponudil vstop v vmesnik za odpravo napake. Ob ponastavitvi informacije o skupini diskov v RAID 1 ali 10 smo ob zagonu operacijskega sistema spet brez težav dostopali do podatkov.

V programskem načinu je bila odprava napake za ušesa prijetnejša, saj smo v upravljavcu diskov z enim klikom aktivirali delujočo diskovno enoto in takoj dostopali do podatkov.

Hitrostne rezultate si lahko ogledate grafikonih.

Ugotovitve

Rezultati iz primerjave nazorno kažejo, da s strojnim krmilnikom RAID nismo pridobili prav veliko. Pravzaprav so bili rezultati nekoliko nasprotni od pričakovanj, saj se je programski RAID odrezal hitrostno primerljivo in v nekaterih primerih celo precej bolje od strojnega. Do ozkega grla na strojnem polju pride predvsem zaradi nerazumno podaljšanega dostopnega časa do podatkov. Iz rezultatov na strojnem RAIDu lahko namreč opazimo, da se je v primeru, ko smo postavili RAID 0, naključni dostopni čas povečal za več kot 4-krat, če primerjamo rezultat enega diska na istem krmilniku. Ugotovili smo še, da je Microsoft očitno zelo dobro poskrbel za optimizacijo datotečnega sistema in je obremenitev centralno procesne enote pri programskem polju RAID enostavno zanemarljiva.

Opravili smo še primerjavo krmilnikov in izmerili, da je Adaptecov krmilnik opazno hitrejši od tistega, ki je bil vgrajen v našo matično ploščo. Treba pa je upoštevati, da je cena Adaptecovega krmilnika nekoliko manj od 210 evrov, cena celotne matične plošče, na kateri smo preizkušali, pa je nekaj manj kot 70 evrov.

Za priboljšek smo na koncu preizkusili tudi dva starejša diska velikosti 80 GB in ugotovili, da prirastek k hitrosti, zaradi polja RAID, ni zanemarljiv. V RAID 0 so se hitrosti zaporednega branja zvišale za 37 odstotkov, hitrosti zaporednega pisanja pa za 30 odstotkov. Tako zelo staro polje RAID 0 je tako postalo hitrostno skorajda primerljivo najnovejšemu Toshibinemu disku.

Če povzamemo celotno zgodbo, lahko rečemo, da za varnost ali pohitritev datotečnega sistema na domačem računalniku ne potrebujemo velikega finančnega vložka in posebnega predznanja. Če bi radi dodali varovalko dragocenim podatkom, si bomo omislili zrcaljeno RAID polje, saj je reševanje podatkov ob odpovedi enega izmed diskov v polju dovolj enostavno, da ga lahko opravimo tudi sami. Ko potrebujemo dodatno hitrost in varnostni faktor ni pomemben, pa si bomo omislili RAID 0 ali pa premislili o nakupu diska SSD.