Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknistaloudellinen tiedekunta Tietotekniikan koulutusohjelma Käyttöjärjestelmät Seminaarityö Matti Ali-Löytty Janne Karhu Antti Tiihala Esa Tuuri RAID Työn tarkastajana toimii prof. Heikki Kälviäinen
TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknistaloudellinen tiedekunta Tietotekniikan koulutusohjelma Matti Ali-Löytty Janne Karhu Antti Tiihala Esa Tuuri RAID Seminaarityö 2009 25 sivua, 2 kuvaa ja 3 taulukkoa Tarkastaja: Professori Heikki Kälviäinen Hakusanat: Tiedonhallinta, tiedonvarmistus, RAID, levyjärjestelmät Keywords: data management, data redundancy, RAID, disk systems Tässä työssä esittellään vikasietoisuuteen ja tehokkuuden nostoon tähtäävää RAID-tekniikkaa ja sen erilaisia variaatioita, käyttökohteita ja mahdollisia ongelmia. Otamme kantaa tekniikan soveltuvuuteen sekä palvelin- että kotikäytössä, ja käsittelemme tekniikalla saavutettavia etuja. Työ toteutettiin ryhmätyönä tutustumalla RAID-ratkaisujen toteutukseen ja etsimällä tietoa sen soveltuvuudesta erilaisiin käyttötarkoituksiin. RAID soveltuu etenkin palvelinympäristöjen vikasietoisuuden varmistamiseen, vaikka myös kotikäyttäjä voi lisätä kotikoneensa vikasietoisuutta järkevästi valitulla RAID-pohjaisella ratkaisulla. Kotikäyttöön riittää kevyt kahden levyn ratkaisu, kun taas palvelinkäytössä voidaan puhua jopa kymmenistä levyistä. ii
ABSTRACT Lappeenranta University of Technology Faculty of Technology Management Degree Program of Information Technology Matti Ali-Löytty Janne Karhu Antti Tiihala Esa Tuuri RAID Seminar work 2009 25 pages, 2 figures and 3 tables Examiner: Professor Heikki Kälviäinen Keywords: data management, data redundancy, RAID, disk systems In this seminar work we present the RAID-technology, which aims to increase fault tolerance and efficiency of computer systems, and its different variations, uses and possible problems. We comment on the technology s applicability to both server and home environments and discuss its possible gains. This seminar work was compiled as a group assignment by familiarizing ourselves with the possible RAID solutions searching information on its applicability to different uses. RAID is especially useful for ensuring the fault tolerance of server environments, although a home user can also increase his computer s fault tolerance by deploying a sensibly selected RAID-based solution. For home use a simple two-disk solution is enough, whereas servers may need more than ten disks. iii
ALKUSANAT Tämä seminaarityö on tehty osana Lappeenrannan teknillisen yliopiston Teknistieteellisen tiedekunnan Käyttöjärjestelmät kesäopintojakson 2009 suoritusta. Annettujen aiheiden joukosta ryhmämme valitsi tarkastelukohteeksi RAID-tekniikan. Valinnan taustalla olivat ryhmän jäsenten kiinnostus aihetta kohtaan, kuten myös henkilökohtaiset kokemukset kiintolevyjen rikkoontumisesta kotikäytössä. Toivomme tämän työn osaltaan lisäävän tietoisuutta tiedonvarmistuksen tärkeydestä ja mahdollisuuksista niin koti- kuin yrityskäytössäkin. Haluamme kiittää Professori Heikki Kälviäistä sekä opponoivaa ryhmää työn tarkastusvaiheessa saamistamme arvokkaista parannusehdotuksista. Lisäksi kiitämme Lappeenrannan Teknillisen yliopiston kirjaston ammattitaitoista henkilökuntaa avustamisessa tiedonhaussa. Lopuksi haluamme kiittää itseämme onnistuneesta ryhmätyöskentelystä. Matti Ali-Löytty Janne Karhu Antti Tiihala Esa Tuuri iv
SISÄLLYLUETTELO SYMBOLILUETTELO...2 1. JOHDANTO...3 1.1 TYÖN TAUSTA...3 1.2 TYÖN TAVOITTEET JA RAJAUKSET...3 1.2 TYÖN RAKENNE...3 2. RAID YLEISESTI...4 3. RAID-TASOT...6 4. RAID-LEVYJÄRJESTELMÄN OSAT...9 4.1 RAID-OHJAIMET...9 4.2 KIINTOLEVYJEN TYYPIT...10 4.3 KIINTOLEVYJEN LIITÄNTÄVÄYLÄT...10 5. RAID PALVELINYMPÄRISTÖSSÄ...12 5.1 NOPEUS JA TEHOKKUUS...12 5.2 VIKASIETOISUUS...13 6. RAID KOTIKÄYTÖSSÄ...18 7. YHTEENVETO...19 LÄHDELUETTELO...20 1
SYMBOLILUETTELO ATA IDE MTBF NVRAM RAID RAM SATA SCSI SSD AT Attachment Integrated Drive Electronics Mean Time Between Failures Non-Volatile RAM Redundant Array of Independent (Inexpensive) Disks Random Access Memory Serial ATA Small Computer System Interface Solid State Drive
1. JOHDANTO 1.1 TYÖN TAUSTA Yhteiskunnassa räjähdysmäisesti kasvanut informaation määrä on pakottanut kehittämään uudenlaisia tallennusratkaisuja vastaamaan kasvaneeseen tiedon tallennustarpeeseen. Perinteinen magnetismiin perustuva kiintolevy on kuitenkin vioistaan säilyttänyt vahvan asemansa tiedon tallennuksessa levyjen kapasiteetin kasvaessa. Mitä enemmän tietoa tallennetaan, sitä enemmän voidaan kiintolevyn rikkoutuessa menettää. Ratkaisuna tähän ongelmaan on pyritty keksimään vikasietoisia tallennusratkaisuja. Tässä seminaarityössä käsittelemme RAID (Redundant Array of Independent Disks) -tekniikan toteutuksen pääpiirteissään ja tarkastelemme sen tarjoamia mahdollisuuksia vastata haasteeseen. 1.2 TYÖN TAVOITTEET JA RAJAUKSET Työn tavoitteena on tutustua laaja-alaisesti RAID-tekniikkaan syventymättä kuitenkin tarkemmin esimerkiksi valmistajakohtaisiin ratkaisuihin tai epästandardeihin sovelluksiin. 1.2 TYÖN RAKENNE Työssä käydään aluksi läpi RAID:in perusperiaatteet alkuperäistä määrittelyä mukaillen, jonka jälkeen tarkastelemme RAID-ratkaisun soveltuvuutta palvelin- ja kotikäytössä.
2. RAID YLEISESTI RAID-järjestelmällä tarkoitetaan teknistä mahdollisuutta käyttää kahta tai useampaa kiintolevyä yhdistettynä yhdeksi levyjärjestelmäksi. Yhdistetyt levyt näkyvät käyttäjälle loogisesti yhtenä levykokonaisuutena, vaikka fyysisesti ne sijaitsevat erillään. RAID -järjestelmää käyttämällä pyritään parantamaan järjestelmän vikasietoisuutta, parantamaan varsinkin suurten järjestelmien, kuten tietokantojen, suorituskykyä sekä kytkemään useat levyt yhdeksi loogiseksi suurikapasiteettiseksi levyksi. Monissa RAID-ratkaisuissa kaikki esitetyt edut yhdistyvät erilaisissa suhteissa, panostuksesta riippuen. RAID-järjestelmän käyttö lisää varsinkin hankintavaiheen suunnittelu- ja laitteistokustannuksia. Panostukset kannattavat lisääntyneen vikasietoisuuden vuoksi jo lyhyelläkin aikavälillä. (Patterson et al. 1988) RAID-määritys julkaistiin alun perin vuonna 1987 Kalifornian Berkeleyn-yliopiston tutkijoiden David A. Patterson, Garth A. Gibson ja Randy Katz tutkimuksen tuloksena. Tutkimuksessa määriteltiin viisi erilaista menetelmää toteuttaa vikasietoisia levyjärjestelmiä. Tutkimus ei käsitellyt käytettäviä tekniikoita, vaan toimi ylätason mallina toteutettaessa teknisiä ratkaisuja. Tutkimuksen taustalla oli tarve korvata suuret ja kalliit, erityisesti palvelinkäyttöön tarkoitetut kiintolevyt halvemmilla PC-käyttöön tarkoitetuilla levyillä ja lisätä samalla levyjärjestelmien luotettavuutta. Alun perin lyhenne RAID tuli sanoista Redundant Arrays of Inexpensive Disks, mutta myöhemmin Inexpensive korvattiin sanalla Independent. Nykyisin RAID:in kehittämistä ohjaa vuonna 1993 perustettu eri valmistajien yhteenliittymä RAB (RAID Advisory Board). (Wikipedia A 2009) Pienistä levyistä koostuvan loogisen yksikön levytoiminnot olisivat nopeampia kuin suurella levyllä jo levyjen pienemmän koon ansiosta, sillä pienellä levyllä lukupäitä ei tarvitse siirrellä yhtä pitkiä matkoja kuin suurella. Nopeusetua saadaan myös rinnakkaisuudesta, sillä kirjoitus- ja lukupyyntöjä voidaan toteuttaa eri levyille samanaikaisesti. Jos pyynnöt kohdistuvat eri levyillä oleviin tietoihin, kirjoitus- tai lukunopeus voi olla moninkertainen yksittäisen levyn nopeuteen verrattuna, kun useat levyt siirtävät tietoa yhtä aikaa. Suuren tiedonsiirtonopeuden hyödyntäminen tosin edellyttää riittävän nopeaa I/O-väylää ja muistiväylää. (Patterson et al. 1988, Stallings 2005 s. 501, 505) RAID-ratkaisuja käytetään yleisesti varsinkin palvelimissa, mutta sen käyttö on laajentunut kotikäyttöön tietomäärien kasvaessa ja integroitujen RAID-ohjainten yleistyessä kotikäyttöön tarkoitetuissa emolevyissä. RAIDista puhuttaessa käytetään usein termiä levypakka (array), joka kuvaa yhteenliitettyjen levyjen kokonaisuutta. Levypakoissa käytetyt levyt ovat yleensä samanlaisia tai ainakin kapasiteetiltaan samankokoisia. Vaativassa palvelinkäytössä saatetaan lisäksi käyttää
samassa valmistuserässä tehtyjä levyjä. Tässä on toisaalta riskinsä esimerkiksi koko valmistuserää koskevien valmistusvirheiden vuoksi, jolloin levyrikkojen esiintymisfrekvenssi ei jakaudu tasaisesti. (Patterson et al. 1988, Nikkilä 1998) RAID ei myöskään sellaisenaan ole varmuuskopiointimenetelmä, vaikka se varsinkin kotikäytössä helposti sellaiseksi mielletään. RAID suojaa levyrikkojen aiheuttamalta tietojen katoamiselta, mutta esimerkiksi tulipaloja, tietojen korruptoitumista ja käyttäjän virheitä vastaan se ei anna kunnollista suojaa. (Nikkilä 1998)
3. RAID-TASOT RAID-ohjaimista ja -levyistä puhuttaessa kuvataan erilaisia levykokoonpanoja tasoina. Tasojen numerointi ei kuvaa niiden keskinäistä paremmuutta, vaan pikemminkin niiden toimintatapaa. Levyrikon aiheuttama tietojen menetys vältetään RAID-järjestelmässä tallentamalla toisteista, periaatteessa ylimääräistä tietoa, mitä kuvaa lyhenteen R:n merkitys redundant, toisteinen. Tallennettava toistetieto on RAID-tasosta riippuen joko suora kopio tallennetusta tiedosta tai virheenkorjaus- tai pariteettikoodi. Toistetiedon tyyppi ja tallennustapa vaikuttavat erikseen järjestelmän luku-, kirjoitus- ja palautusnopeuteen, varmuuteen ja vikasietoisuuteen sekä toistetiedon tallentamiseen tarvittavien ylimääräisten levyjen määrään. (Stallings 2005 s. 502, 503) RAID 0 Taso nollan tarkoituksena on parantaa suorituskykyä ja yhdistää levykapasiteettia yhdeksi loogiseksi asemaksi. Tämä toteutetaan siten, että data tallennetaan kahdelle tai useammalle levylle lomitettuna, joten se on jakautunut kaikille levyille tasaisesti. Kokonaistallennuskapasiteetti on levyjen yhteenlaskettu kapasiteetti. RAID 0 huonontaa luotettavuutta, koska yhden levyn hajoaminen tuhoaa kaiken tiedon. Tästä johtuen tasoa nolla ei pidetä "aitona" RAIDina, koska se ei paranna luotettavuutta. Levyn suorituskyvyn, kirjoitus- ja lukunopeuden, tietyissä tehtävissä jopa merkittävä paraneminen tekee tästä kuitenkin käyttökelpoisen ratkaisun vähemmän kriittisissä järjestelmissä. (AC&NC 2009, Wikipedia A 2009) RAID 1 Tasossa yksi peilataan sama tieto useammalle kiintolevylle, joita tarvitaan kaksi tai enemmän. Kokonaistallennuskapasiteetti on pienimmän levyn kapasiteetti. Taso yhden tarkoituksena on kasvattaa luotettavuutta ja se on teknisesti yksinkertainen ratkaisu. Kirjoitusnopeus ei parane, mutta lukunopeus paranee kun samaa tiedostoa voidaan osissa eri levyiltä samanaikaisesti. (AC&NC 2009, Wikipedia A 2009) RAID 2 Kun toistetietona käytetään suoran kopion sijasta virheentunnistuskoodia, toistetieto mahtuu pienempään tilaan kuin varsinainen tieto. Näin ylimääräisiä levyjä tarvitaan vähemmän, mutta pariteettikoodin laskeminen hidastaa tiedon kirjoittamista RAID-järjestelmään ja vaatii suoritinaikaa. Myös tietojen palauttaminen levyrikon jälkeen on monimutkaisempaa ja hitaampaa
kuin suoran kopion käyttäminen. Bittitason virheenkorjauskoodia käytetään RAID-tasossa 2.(Silberschatz et al. 2003 s. 508, Patterson et al. 1988) Taso kaksi ei ole kaupallisessa käytössä, joten emme käsittele sitä tässä työssä laajemmin. Mainittakoon, että se mahdollistaa korkean tiedonsiirtokapasiteetin mm. levyjen synkronoitujen pyörimisnopeuksien ja lennosta tapahtuvan virheenkorjauksen avulla. Taso kolme tuo samat kaupalliset edut yksinkertaisemmalla toteutuksella. (AC&NC 2009, Wikipedia A 2009) RAID 3 Useimmat kiintolevyt osaavat ilmoittaa, onnistuiko luku tai kirjoitus. Tällöin RAID-järjestelmään tarvitaan vain yksi ylimääräinen kiintolevy toistetietoa varten, sillä virheen tunnistamiseen riittää yksi pariteettibitti databittien määrästä riippumatta. Virheen korjauksen vaatimia useita pariteettibittejä ei täten tarvita, sillä jos tiedetään, miltä levyltä ei saatu luettua oikeaa bittiä, bitin arvo saadaan helposti lasketuksi muiden bittien perusteella. RAID-järjestelmät perustuvat tasolta 3 alkaen kiintolevyjen antamaan virheilmoitukseen levytoiminnon epäonnistumisesta. (Stallings 2005 s. 507, Patterson et al. 1988, Silberschatz et al. 2003 s. 508) Taso kolme ei kuitenkaan ole kovin yleinen. Siinä tarvitaan vähintään kolme levyä, joista yksi tallentaa pariteettidataa. Muille levyille data on jakautunut tasaisesti. Dataa käsitellään tavuina eikä lohkoina. Yhden levyn hajoaminen ei hävitä dataa, koska puuttuva data voidaan laskea pariteettilevyn ja jäljellä olevien levyjen avulla. Pariteettilevyn hajoaminen yksistään ei hävitä itse dataa. Tasolla kolme saadaan suorituskykyyn samoja parannuksia kuin tasolla nolla. (AC&NC 2009, Wikipedia A 2009) RAID 4 Taso neljä on samanlainen kuin taso kolme, mutta dataa käsitellään lohkoina eikä tavuina. Lukunopeus on teoriassa parempi kuin tasossa kolme. (AC&NC 2009, Wikipedia A 2009) RAID 5 Taso viisi on yleisesti käytössä oleva. Se vaatii toimiakseen vähintään kolme kiintolevyä. Pariteettidatalle on varattu jokaisessa levyssä tilaa siten, että pariteettitilan yhteenlaskettu kapasiteetti on yhden kokonaisen levyn kapasiteetti. Pariteettidata on siis jakautunut eri levyille toisin kuin tasoissa kolme ja neljä, mikä estää pariteettilevyn ruuhkautumisen. Järjestelmä kestää yhden levyn hajoamisen ilman datan häviämistä. (AC&NC 2009, Wikipedia A 2009)
RAID 6 Taso kuusi parantaa luotettavuutta tasosta viisi siten, että pariteettidatalle on varattu kahden levyn verran tilaa. Se on jakaantunut tasaisesti jokaiselle levylle yhtä suuriksi osiksi tason viisi mukaisesti. Järjestelmä kestää kahden levyn hajoamisen ilman datan häviämistä. (AC&NC 2009, Wikipedia A 2009) MUUT TASOT Tasot nollasta kuuteen ovat RAIDin nykyisiä standarditasoja. Näitä yhdistelemällä saadaan esim. taso 10 (taso 1 ja 0 yhdistettynä), taso 50 (taso 5 ja 0 yhdistettynä), ja muita harvinaisempia yhdistelmiä. Näin saadaan luotua äärimmäisen luotettava, nopea tai nämä yhdistävä järjestelmä.
4. RAID-LEVYJÄRJESTELMÄN OSAT 4.1 RAID-OHJAIMET RAID-järjestelmä näyttäytyy käyttäjälle yhtenä levynä. Järjestelmän toteutustapa voi olla laitteistopohjainen tai ohjelmallinen. Laitteistopohjaisessa toteutuksessa levyjärjestelmä näyttäytyy käyttöjärjestelmälle yhtenä levyasemana, kun taas ohjelmapohjaisen järjestelmän toteuttajana on yleensä käyttöjärjestelmä. Aikaisemmin käytettiin myös erillisiä ohjainohjelmistoja ohjelmallisen järjestelmän toteuttamiseen. (Flyktman 2002 s. 742, 743, Nikkilä 1998) RAID-järjestelmän keskus on ohjain, jonka ominaisuuksista käytettävissä olevat tasot riippuvat. Ohjain on suorittimen, mahdollisen välimuistin ja ohjelmiston kokonaisuus tai pelkkä ohjelmisto, joka käyttää tietokoneen keskussuoritinta. Näin ohjelmallinen toteutus usein hidastaa tietokoneen toimintaa käyttämällä suoritinaikaa, mutta suoritinaika ei välttämättä ole tietokoneen käytön nopeutta rajoittava tekijä. (Flyktman 2002 s.741, 743, Nikkilä 1998) Laitteistopohjainen RAID-ohjain on joko emolevyyn rakennettu laite tai erillinen ohjainkortti. Myös ulkoisia, RAID-ohjaimen ja kiintolevyt sisältäviä toteutuksia on olemassa, jotka liitetään tietokoneeseen esimerkiksi SCSI-liitännällä. RAID-ohjaimessa voi olla välimuistia, joka nopeuttaa levyjärjestelmästä lukua ja haluttaessa myös levyille kirjoittamista. Välimuisti on joko RAM- tai NVRAM-tyyppistä. Jos välimuistia käytetään kirjoitettaessa, käyttöjärjestelmä näkee välimuistiin kirjoitetun tiedon jo levylle kirjoitettuna, vaikka tieto on vasta välimuistissa eikä kokonaan levylle kirjoitettuna. Tällöin tietokoneen yllättävä sammuminen esimerkiksi sähkökatkoksen seurauksena voi kadottaa tietoa pysyvästi, jos koko RAM-välimuistin sisältöä ei ole ehditty kirjoittaa levyille. NVRAM-tyyppisestä välimuistista tietoa ei katoa, koska muisti on varmennettu paristoin. (Flyktman 2002 s. 741, 742, Nikkilä 1998, Silberschatz et al. 2003 s. 509, 515) Laitteistopohjaisen RAID-järjestelmän ohjausohjelma suoritetaan ennen käyttöjärjestelmän asennusta. Tällöin valitaan järjestelmään liitettävät kiintolevyt sekä käytettävä RAID-taso. Tämän jälkeen käyttöjärjestelmä näkee RAID-järjestelmän yhtenä kiintolevynä, joka osioidaan ja alustetaan tavalliseen tapaan. Täten myös käyttöjärjestelmän käynnistys- ja järjestelmätiedot voivat sijaita RAID-levyillä järjestelmässä käytetystä tasosta riippumatta. RAID-järjestelmän asetukset tallennetaan ohjaimen NVRAM-muistiin. Jos ohjaimen NVRAM-muisti tyhjenee esimerkiksi varmennuspariston kuluttua loppuun tai BIOS-päivityksen yhteydessä, järjestelmän asetukset katoavat. Tällöin kaikki kiintolevyille tallennettu tieto menetetään, koska järjestelmä ei enää osaa lukea tallennuksia. (Flyktman 2002 s. 748)
Ohjelmapohjaisen RAID-järjestelmän ohjaimena on nykyään yleensä käyttöjärjestelmä. Tällaista järjestelmää muodostettaessa järjestelmään liitettävät kiintolevyt osioidaan ja alustetaan ensiksi. Koska käyttöjärjestelmä ladataan ja käynnistetään ennen ohjelmallista RAID-ohjainta, käyttöjärjestelmän käynnistystiedot sisältävää osiota ei voi liittää ohjelmapohjaiseen raidoitukseen. Ohjelmapohjaisessa raidoituksessa ja peilauksessa osioiden ei tarvitse olla samankokoisia, mutta pienimmän osion koko on määräävä ja ylimääräinen tila menee hukkaan. Levyille voidaan kuitenkin määrittää samankokoiset osiot, mutta levyn muiden osioiden käyttö voi hidastaa RAIDkokonaisuuden toimintaa. RAID-tasot 2 ja 3 voidaan toteuttaa melko harvoin ohjelmallisesti, ja esimerkiksi Windows NT mahdollistaa vain tasojen 0, 1 ja 5 käytön ohjelmallisesti. (Flyktman 2002 s. 742, 744) 4.2 KIINTOLEVYJEN TYYPIT Magneettinen tiedontallennus on ollut hallitseva koko tietokoneiden historian ajan. Tällä hetkellä yleisin kiintolevy on 3,5 tuuman asema ja kapasiteetti vaihtelee 50 gigatavun ja yhden teratavun välillä. Viime aikoina perinteiset magneettiset kiintolevyt ovat saaneet kilpailijaksi muistipiireihin perustuvan SSD-muistin (Solid-State Drive), joka sinänsä ei ole uusi keksintö. Sen vahvuutena ovat nopeus, liikkuvien osien puute ja hiljaisuus. Lisäksi hinnat laskevat pikkuhiljaa kuluttajille sopivaksi. 4.3 KIINTOLEVYJEN LIITÄNTÄVÄYLÄT IDE/ATA Tämä on vanhin liityntä kotitietokoneissa, ja on jo väistymässä uudempien liitäntöjen tieltä. Kaapelina on leveä lattakaapeli. Nopeus on eri standardien myötä noussut taulukon 1 mukaisesti. ATA -> UltraATA-66 -IDE-kaapelit ovat 40-johtimisia, ja kahden nopeimman luokan IDE-kaapelit ovat 80-johtimisia. (Siirto Oy 2009) IDE-liitäntä on rinnakkaisväylä ja siihen voidaan liittää kaksi laitetta, joista toinen on asetettava isännäksi ja toinen orjaksi. Valinta tehdään perinteisesti kiintolevyissä olevien jumppereiden avulla. IDE-lattakaapelin liitännässä täytyy huomioida, kummin päin se kytketään laitteeseen. On olemassa kaapeleita, jotka on voinut kytkeä kiintolevyyn kummin päin vain, ja tämä on saattanut aiheuttaa laiterikkoja. Useimmissa kaapeleissa on kuitenkin väärinpäin kytkemisen estävä nystyrä.
Taulukko 1. ATA-väylien standardit. (Siirto Oy 2009) SATA Nykyisin yleisin kotitietokoneiden kiintolevyjen liitäntäväylä. SATA-liitännän käyttämä kaapeli on pienempi kuin IDE-kaapeli, sillä siinä on vain 6 tai 8 johdinta. Kaapeleita on IDE-lattakaapelia helpompi käsitellä, ja ne helpottavat johtosotkua koneen sisällä huomattavasti. Nopeus alunperin 150 Mt/s ja uudemman standardin mukaan 300 Mt/s. (Siirto Oy 2009) SCSI Tämä liitäntä on rinnakkaisväylä, joten siihen voidaan liittää ohjaimen lisäksi monta muuta laitetta. Tämä liitäntätyyppi on yleinen palvelimissa ja ammattilaiskäytössä. Taulukossa 2 nähdään kyseisen liitäntäväylän nopeudet ja muuta tietoa. (Siirto Oy 2009) Taulukko 2. SCSI-liitännän eri nopeuksia. (Wikipedia B, 2009)
5. RAID PALVELINYMPÄRISTÖSSÄ Palvelimet jaetaan useaan päätyyppiin käyttötarkoituksensa mukaan. On olemassa esimerkiksi sovelluspalvelimia, ohjelmapalvelimia ja tulostuspalvelimia. Muita palvelintyyppejä ovat esimerkiksi www-palvelin, sähköpostipalvelin ja vaikkapa nimipalvelin. Palvelimen RAIDjärjestelmä koostuu kiintolevyistä, levykehikosta ja RAID-ohjaimesta. Vaativassa palvelinkäytössä käytetään yksinomaan laitetason RAID-ohjaimia niiden tarjoaman nopeuden ja luotettavuuden vuoksi. Erillisen laiteohjaimen käyttö jättää varsinaiselle palvelinprosessorille resursseja suoriutua varsinaisesta tehtävästään. (Nikkilä 1998) Tässä kappaleessa käsittelemme ensisijaisesti tiedostopalvelinkäyttöön sovellettavia RAID-ratkaisuja, mutta sivuamme etenkin tietokantakäytössä vaadittavia tehokkuusvaatimuksia. Vaativassa palvelinkäytössä käytetään yleisesti SCSI-liitäntäisiä RAID-ratkaisuja. SCSI on tiedonsiirtoväylänä nopea ja myös SCSI-levyt ovat hieman nopeampia mahdollistavat monipuolisemman valikoiman eri RAID-leykonfiguraatioita. SCSI:n etuna verrattuna esimerkiksi IDE-väylään on, että samaan SCSI-väylään voidaan jopa 15 erillistä levyä. (Wikipedia B 2009) Nykyisin ovat yleistyneet myös erilaiset IDE/ATA- sekä SATA-pohjaiset RAID-ratkaisut lähinnä niiden edullisen hankintahinnan ja kasvaneen nopeuden vuoksi. Verrattaessa SCSI- ja esimerkiksi SATA-pohjaisia järjestelmäratkaisuja tehon ja hinnan suhteen voidaan todeta, että tehoero ei ole lähelläkään hintaeroa. SCSI-liitännän rinnalle on kehitetty sittemmin SSA-liitäntä (Serial Storage Architechture). SSAliitäntätapa perustuu perinteiseen kuparikaapeliin, kun taas valokaapelipohjaista ratkaisua edustaa FC-AL-liitäntä (Fiber Channel Arbitrated Loop) (Nikkilä 1998). Molemmat liitäntätavat ovat SCSIliitäntää nopeampia ja niissä laitteet on kytketty rengasmaisesti, kun taas SCSI:ssä liitäntä on tähtityyppinen. Ratkaisut ovat yleistyneet varsinkin raskaampaan käyttöön tarkoitetuissa palvelinkokoonpanoissa. 5.1 NOPEUS JA TEHOKKUUS Palvelinkäytössä, esimerkiksi tietokantapalvelimissa, laitteistolta vaaditaan yleensä hyvää suorituskykyä. Tietokantaan tehtyjen hakujen ja sen normaalin käsittelyn tulee olla nopeaa ja tehokasta. Ensisijaisesti tietokantapalvelimien toimintaa pyritään nopeuttamaan muistin lisäämisellä tai laitteiston muulla päivittämisellä sekä ohjelmistovalinnoin. Kun muut keinot on joko käytetty, eivät sovellu tilanteeseen tai yksinkertaisesti ei voida välttää lukuisia kirjoitus- ja lukutapahtumia
laitteiston kiintolevylle, täytyy huomioida myös levyjärjestelmän optimointimahdollisuudet. (Tietokone 2002) Levyliikenteen ylittäessä tietyn rajan muodostuu yksittäinen kiintolevy helposti pullonkaulaksi. Tämä ongelma ratkaistaan yleensä ottamalla käyttöön RAID-levyjärjestelmä, jolloin järjestelmästä saadaan järkevästi rakentaen myös vikasietoinen. Lienee sanomattakin selvää, että väärin valitulla RAID-tasolla tehdään hallaa sekä suorituskyvylle että vikasietoisuudelle: esimerkiksi tason 0 RAID-järjestelmä on varmuutta vaativissa palvelimissa, joiden käyttökatkoja pyritään minimoimaan, täysin kestämätön ratkaisu. (Tietokone 2002) Esimerkkimme tietokantapalvelin säilöö dataa kahdenlaisissa tiedostoissa, varsinaisissa datatiedostoissa ja lokitiedostoissa, joihin tieto välivarastoidaan avoimien transaktiotapahtumien ajaksi. Lokitiedostojen sisältämä tieto siirretään datatiedostoihin vasta tapahtumaa suljettaessa. Näillä tiedostoilla on erilaiset vaatimukset levynkäytön suhteen, mikä aiheuttaa päänvaivaa myös levyjärjestelmän suunnittelijoille. Lokitiedostoihin kohdistuu melko tasapuolisesti luku- ja kirjoitusoperaatioita, jolloin optimaalisin taso on suorituskykyvaatimuksista riippuen RAID 1 tai RAID 10, jälkimmäisen ollessa suorituskyvyltään parempi. Usein käytetty jaetun pariteetin RAID 5 ei suhteellisen hitaan kirjoitusnopeutensa vuoksi sovellu lokitiedostoille yhtä hyvin, vaikka onkin yleisesti käytetty. (Tietokone 2002) RAID 5 soveltuukin paremmin datatiedostoille, sillä niihin kohdistuu yleensä enemmän luku- kuin kirjoitustapahtumia. Se on myös kustannustehokkain, vain yhden levysetin tilan mennessä hukkaan, kun taas tasot 1 ja 10 käyttävät levyjen tilasta hyödykseen vain puolet. Toisaalta mahdollisimman monesta levystä koostuva RAID 10 -pakka on myös datatiedostojen tallentamiseen suorituskykyisin ratkaisu, koska sen avulla levyjen luku- ja kirjoitusnopeudet saadaan mahdollisimman suuriksi. Tällöin vastaan tulevat tosin usein taloudelliset seikat. (Tietokone 2002) Kustannustehokkain ratkaisu onkin varustaa tietokantapalvelin vähintään kolmella RAID-levyllä, joista yhdelle (RAID 1) asennetaan käyttöjärjestelmä, toiselle (RAID 1) tulevat lokitiedostot ja kolmannelle (RAID 5 tai RAID 10) datatiedostot. (Tietokone 2002) 5.2 VIKASIETOISUUS Vikasietoisuudella tarkoitetaan yleisellä tasolla järjestelmän kykyä jatkaa toimintaa vikaantuessaan. Vikasietoisuus on tärkeä monissa järjestelmissä, ja riippuen järjestelmän tärkeydestä voi vikasietoisuus olla varmistettu moninkertaisestikin. Vikasietoisuuteen liittyy aina redundanssi eli
varmennus. Varmennuksella tarkoitetaan käytännössä esimerkiksi levyjärjestelmien yhteydessä, että tieto on jaettu eri levyille fyysisen levyrikon varalta. Varmentamisesta syntyy kustannuksia, mutta samalla se lisää järjestelmän vikasietoisuutta. (Wikipedia C 2009, Hämäläinen 1996) Vikasietoisuudella nostetaan käytettävyysastetta. Vaadittua vikasietoisuutta määritettäessä on huomioitava käyttökatkoksista aiheutuneet välittömät ja välilliset kustannukset ja tämän perusteella arvioitava vikasietoisuuden parantamiseen käytettävää pääomaa. (Hämäläinen 1996) Vikasietoisuuden lisäämiseksi varsinkin palvelinympäristössä käytetään yleisesti RAID-tekniikkaa. Palvelinympäristössä jatkuvasti päällä olevat kiintolevyt muodostavat suurimman vikaantumisriskin. Keskimäärin 55 % palvelimien laiterikoista liittyy kiintolevyihin ja niiden oheiskomponentteihin. Levyillä oleva tieto on monesti palvelimien kriittisintä sisältöä, joten tiedon varmistaminen ja käyttöasteen ylläpito on ensiarvoisen tärkeää. Palvelinympäristössä täyteen levyjärjestelmän vikasietoisuuteen kuuluu esimerkiksi myös jokaisen kiintolevyn virransaannin erillinen turvaaminen. (Hämäläinen 1996) Luotettavuutta ja sitä kautta vikasietoisuutta voidaan kuvata erilaisilla luotettavuustekniikan sovellusalueeseen liittyvillä termeillä. Yksittäisten komponenttien vikaantumisfrekvenssiä voidaan kuvata MTBF-luvulla (Mean Time Between Failures), joka ilmoittaa komponentin keskimääräisen vikaantumisvälin tunteina. MTBF-luku on tilastollinen määre, eikä sen avulla voida tarkasti määrittää yksittäisen komponentin ikää. (Wikipedia D 2009) Kiintolevyille luvatut MTBF-ajat ovat tavallisesti jopa miljoonan tunnin suuruisia, mikä vastaa käytännössä noin sadan vuoden yhtämittaista käyttöä. Käytännössä levyjen vikaantumisväli on huomattavasti tiheämpi, mikä kertoo osaltaan MTBF-luvun soveltumattomuudesta yksittäisten tapausten tarkasteluun. Yleisimpiä RAID -ratkaisuja palvelinympäristössä ovat jo aiemmin tässä työssä esitellyt RAID 5 ja 6 tason ratkaisut. Molemmat ovat kustannus- sekä suoritustehokkaita sekä vikasietoisuudeltaan monesti riittäviä. Seuraavassa tarkastelemme RAID 5 ja RAID 6-tason käytännön eroja palvelinkäytössä niin tehokkuuden kuin vikasietoisuuden näkökulmasta. Taulukossa 3 on esitetty havainnollisesti RAID 5 ja 6 -kokoonpanojen pariteettiosioiden koon ja järjestelmän kokonaiskapasiteetin kasvu levypakan levymäärää lisättäessä.
Taulukko 3. RAID 5 ja RAID 6-kokoonpanojen vertailu tallennuskapasiteetin ja pariteettitiedon määrän suhteen. Levypakan kapasiteetistä pariteettitiedon tallennukseen (%) Tallennuskapasiteetti (%) Levymäärä RAID 5 RAID 6 RAID 5 RAID 6 3 33,3 Ei mahdollinen 66,7 Ei mahdollinen 4 25,0 50,0 75,0 50,0 8 12,5 25,0 87,5 75,0 Yleisimmin palvelinkäytössä käytössä oleva RAID-taso on RAID 5. RAID 5-järjestelmässä redundanttia tietoa on yhden levyn kapasiteetin verran eli käytännössä levypakan kokonaiskapasiteetistä menetetään yhden yksittäisen levyn koko. RAID 5 -konfiguraatio kestää yhden levyn menetyksen ilman informaation häviämistä tai käyttökatkoa. Tehokkuudeltaan RAID 5 -konfiguraatio on esimerkiksi yksittäistä levyä nopeampi, koska tieto on jakautunut usealle levylle ja sitä luetaan samanaikaisesti monelta levyltä. Kirjoittaminen sitä vastoin on yksittäistä levyä hitaampaa, koska kirjoitusvaiheessa täytyy laskea pariteetti ja kirjoittaa se usealle levylle. (Wikipedia A 2009, Kotilainen 2007) RAID 5 sopii hyvin esimerkiksi tiedostopalvelimille, jossa palvelimelle kohdistuu lähinnä lukupyyntöjä (Nikkilä 1998). Kuvassa 1 on esitetty nelilevyisen RAID 5 -pakan datan ja pariteettitiedon jakautuminen levyjen kesken. Kuva 1. Pariteettitiedon jakautuminen neljän levyn RAID 5 -kokoonpanossa. (Wikipedia A 2009)
Vaadittaessa äärimmäisen hyvää vikasietoisuutta voidaan käyttää myös RAID 6 -tason konfiguraatiota. 6-tason erona tasoon 5 on, että kirjoitettava pariteettitieto kaksinkertaistuu. Redundantin tiedon määrä siis kaksinkertaistuu, mikä sallii kahden levyn yhtäaikaisen menetyksen ilman käyttökatkoa tai tiedon menetystä, mutta samalla vie myös kahden yksittäisen levyn kapasiteetin. 5-tasoon verrattuna 6-tason konfiguraatiolla ei saavuteta luettaessa enää varteenotettavaa nopeudenlisäystä. Sitä vastoin kirjoitusnopeus hidastuu entisestään, koska vaaditaan kahden erilaisen pariteettitiedon laskentaoperaatio. Tämä lisää osaltaan RAID-ohjaimelta vaadittavaa suorituskykyä. (Kotilainen 2007) Kuvassa 2 on esitetty viisilevyisen RAID 6 -pakan datan ja pariteettitiedon jakautuminen levyjen kesken. Kuva 2. Pariteettitiedon jakautuminen viiden levyn RAID 6 -kokoonpanossa. (Wikipedia A 2009) Tarve siirtyä RAID 5 -kokoonpanoista kohti RAID 6 -tason järjestelmiä johtuu kasvaneen tallennustarpeen aiheuttamasta levypakkojen levymäärien lisääntymisestä. Samoin siirtyminen palvelinkäytössä esimerkiksi halvempiin ja samalla vikaherkempiin SATA-levyihin lisää riskiä yksittäisen levyjen rikkoutumisiin. (Kotilainen 2007) Esimerkkinä RAID 5 ja 6 -järjestelmien vikasietoisuutta verrattaessa kuvaa Intelin 60 levyn RAID 6 -pakka. RAID 5 -kokoonpanoa käytettäessä kahden levyn yhtäaikainen hajoaminen ja tietojen menetys tapahtuisi tilastollisesti 300000 tunnin MTBF-luvun huomioiden keskimäärin jopa puolen vuoden välein. RAID 6 -kokoonpanolla kolmen levyn yhtäaikainen hajoaminen tapahtuisi sitä vastoin vain kerran sadassa vuodessa. (Kotiainen 2007) Oleellista RAID-järjestelmien käytössä on, että levyn vikaantuessa järjestelmä jatkaa toimintaansa. Vikaantunut levy tulee luonnollisesti korvata ehjällä levyllä mahdollisimman nopeasti. Esimerkiksi RAID 5 -kokoonpanoa käytettäessä toisen levyn rikkoutuminen johtaa tietojen katoamiseen.
Rikkinäisen levyn korvaaminen ei välittömästi palauta järjestelmän vikasietoisuutta, koska uusi levy täytyy regeneroida, eli rakentaa rikkoutuneen levyn tiedot ehjien levyjen tietojen perusteella. Regenerointi vie resursseja muilta levytoiminnoilta ja sen prioriteettitasoa voidaan monissa järjestelmissä säätää tarpeen mukaan. RAID-järjestelmän vikasietoisuutta voidaan parantaa asentamalla järjestelmään tyhjiä varalevyjä valmiiksi. Levyn rikkoutuessa järjestelmä osaa palauttaa hajonneen levyn sisällön varalevylle automaattisesti. Näin järjestelmästä ei menetetä tietoja heti toisen levyn hajotessa, vaan järjestelmän ylläpitäjällä on aikaa korvata hajonnut levy uudella vaarantamatta tallennettuja tietoja. Lisäksi rikkoutuneen levyn tietojen automaattinen regenerointi varalevylle estää järjestelmän käytön huomattavan hidastumisen, sillä ilman varalevyä jokainen levytoiminto vaatisi kaikkien säilyneiden levyjen käsittelyä. (Patterson et al. 1988, Silberschatz et al. 2003 s. 510, 511) Rikkinäinen levy voidaan korvata manuaalisesti järjestelmää sulkematta, mistä käytetään termiä Hot Swap. Tällöin levyt on yleensä asennettu levykehikkoon. Huomattavasti turvallisempi keino on kuitenkin käyttää Hot Spare -levyjä. Näin levyn vikaantuminen ei aiheuta välitöntä vaihtotarvetta, sillä levykehikkoon valmiiksi asennettu varalevy otetaan vikatilanteessa automaattisesti käyttöön. (Wikipedia A 2009)
6. RAID KOTIKÄYTÖSSÄ RAID-ratkaisujen hyödystä kotikäytössä on kiistelty paljon, ja etenkin 0-tasoa pidetään useiden alan verkkosivustojen testien mukaan kotikäytössä täysin hyödyttömänä: sen antamaa nopeuslisää ei käytännössä edes huomaa normaalissa kotikäytössä (toimisto-ohjelmat, pelit ja muu vastaava käyttö). (Anandtech 2004, Storagereview 2006) Vikasietoisuutta tarjoavat RAID-ratkaisut sitä vastoin ovat hyödyllisiä myös kotikäyttäjälle, joka haluaa turvata senhetkisen käyttöympäristönsä laiterikoilta. Monille riittäisi pelkkä varmuuskopiointi, mutta jostain syystä varmuuskopioiden teko muistetaan valitettavan usein vasta sitten, kun vahinko on jo tapahtunut. Tässä mielessä RAID on hyvä lisä satunnaiseenkin varmuuskopiointiin, se antaa oikein käytettynä muistutuksen kovalevyjen haavoittuvuudesta, ja ehkä kannustaa varmuuskopiointiin yhden levyn rikkoutuessa. Toisaalta RAID voi myös antaa vääränlaisen turvallisuudentunteen, jolloin käyttäjä kuvittelee tietojensa olevan täysin turvassa. RAID ei kuitenkaan suojele esimerkiksi viruksen aiheuttamaa tietojen häviämistä vastaan, eikä siitä liiemmin ole iloa, jos vahingossa poistaa tärkeän tiedoston. Näissä tilanteissa varmuuskopiot ovat ainoa toimiva keino. Perinteisin ratkaisu kotikäytössä on peilaava RAID 1. Se antaa kotikäyttöön riittävän suojan yhden levyn rikkoutumista vastaan, ja kykenee hyvän ohjaimen avulla myös nopeuttamaan lukutapahtumia lukemalla molemmilta levyiltä samanaikaisesti avattavan tiedoston eri osia. Se on myös kohtuullisen halpa toteuttaa, sillä monet hieman vanhemmatkin emolevyt sisältävät jo sitä tukevan RAID-ohjaimen, ja kiintolevyjen hinnat ovat nykyään melko alhaisella tasolla. Käytännössä tämäntasoinen ratkaisu täyttää kaikki kotikäyttäjän tarpeet, koska koneella tehtävät toimet eivät normaalisti ole niin kriittisiä, että vaatisivat ehdotonta vikasietoisuutta ilman käyttökatkoja. Jos on valmis sijoittamaan kiintolevyihinsä enemmän rahaa, voivat erilaiset tasot 0 ja 1 yhdistävät mallit tulla myös kysymykseen.
7. YHTEENVETO Magnetismiin perustuvat mekaaniset kiintolevyt ovat yhä selvästi käytetyin ja kustannustehokkain tallennuksen muoto. Liikkuvien osien myötä niihin liittyy aina fyysisen vahingoittumisen riski, jota vastaan on pyritty kehittämään ratkaisuja. Yksi vikasietoisuutta parantava malli on RAID-pakan käyttö, joka oikein käytettynä antaa suojaa rikkoutuvia kiintolevyjä vastaan. RAID-tekniikasta on hyötyä etenkin palvelinkäytössä, jossa tietojen jatkuva saatavuus ja järjestelmän vikasietoisuus ovat avainasemassa, mutta myös kotikäyttäjä voi saada lisää mielenrauhaa käyttämällä kevyttä RAIDratkaisua. Tekniikan käyttäjien tulee kuitenkin aina pitää mielessä, ettei RAID ole yhtä kuin varmuuskopiointi, eikä se suojaa viruksilta, käyttäjän virheiltä tai muilta vastaavilta ei-mekaanisilta vioilta. Myös RAID-järjestelmästä tulee ottaa säännöllisiä varmuuskopioita, jos haluaa varmistaa tietojensa taatun säilymisen parhaalla mahdollisella tavalla. Tulevaisuudessa siintävät SSD-levyt, jotka liikkuvien osien puutteensa vuoksi ovat nykylevyjä varmempia, ja toisaalta niiden avulla voidaan saavuttaa suuria lukunopeuksia monen levyn pakassa. Toistaiseksi yksittäisten levyjen hinta kokoon nähden on ollut reilusti perinteisiä levytekniikoita suurempi, mikä on hidastanut niiden yleistymistä. Aika näyttää, mihin suuntaan teknologia kehittyy!
LÄHDELUETTELO AC&NC. 2009. RAID.edu. Get to Know RAID. [verkkodokumentti]. [viitattu 3.8.2009] Saatavissa: http://www.acnc.com/raid.html Anandtech. 2004. Are two drives better than one? [verkkodokumentti]. [viitattu 4.8.2009] Saatavissa: http://www.anandtech.com/storage/showdoc.aspx?i=2101&p=1 Flyktman, R. 2002. Inside PC-laitetekniikka. Helsinki, Edita Prima. 1115 s. ISBN 951-826-595-X Hämäläinen, P. 1996. Vikasietoisuus. Tietokone nro 12/1996. [verkkodokumentti]. [viitattu 2.8.2009] Saatavissa: http://www.tietokone.fi/lukusali/artikkelit/96tk12/vkolu.htm Kotilainen, S. 2007. Tehokkaimmat neliydinpalvelimet. Tietokone nro 4/2007. [verkkodokumentti]. [viitattu 4.8.2009] Saatavissa: http://www.tietokone.fi/lukusali/artikkelit/2007tk04/neliydin_raid.htm Nikkilä, E. 1998. Ultra Wide SCSI -RAID-ohjaimet: Kätevää käytettävyyttä. Tietokone nro 4/1998. [verkkodokumentti]. [viitattu: 5.8.2009] Saatavissa: http://www.tietokone.fi/lukusali/artikkelit/98tk04/raid.htm Patterson, D. A., Gibson, G. & Katz R. H. 1988. A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID). 24 s. [verkkodokumentti]. [viitattu 6.8.2009] Saatavissa: http://www.eecs.berkeley.edu/pubs/techrpts/1987/csd-87-391.pdf
Siirto Oy. 2009. Opas - Kiintolevyt. [verkkodokumentti]. [viitattu 3.8.2009] Saatavissa: http://www.siirto.fi/opas/levyt.htm Silberschatz, A., Galvin, P. B. & Gagne G. 2003. Operating System Concepts. New York, John Wiley & Sons. 867 s. ISBN 0-471-26272-2 Stallings, W. 2005. Operating Systems Internals and Design Principles. Upper Saddle River, New Jersey, Pearson Education. 723 s. ISBN 0-13-127837-1 Storagereview. 2006. Single Drive vs. Raid 0. [verkkodokumentti]. [viitattu 4.8.2009] Saatavissa: http://www.storagereview.com/php/tiki/tiki-index.php?page=singledrivevsraid0 Tietokone nro 9/2002. Tietokannan suorituskyky kohdalleen. [artikkelin kirjoittajaa ei mainittu] [verkkodokumentti]. [viitattu 4.8.2009] Saatavissa: http://www.tietokone.fi/lukusali/artikkelit/2002tk09/verkkovert_tietokan.htm Wikipedia A. 2009. RAID. [verkkodokumentti]. [viitattu 3.8.2009] Saatavissa: http://en.wikipedia.org/wiki/raid Wikipedia B. 2009. SCSI. [verkkodokumentti]. [viitattu 3.8.2009] Saatavissa: http://fi.wikipedia.org/wiki/scsi Wikipedia C. 2009. Redundanssi. [verkkodokumentti]. [viitattu 3.8.2009] Saatavissa: http://fi.wikipedia.org/wiki/redundanssi Wikipedia D. 2009. MTBF. [verkkodokumentti]. [viitattu 3.8.2009] Saatavissa: http://fi.wikipedia.org/wiki/mtbf