GIỚI THIỆU:
Những năm qua, công nghệ RAID (Redundant Array of Independent Disks) phát triển từ sự lựa chọn dành cho các máy chủ chuyển sang nhu cầu bảo vệ dữ liệu. Ban đầu việc triển khai RAID trong thập niên 1990 là những bo mạch điều khiển đắt tiền với các bộ xử lý Vào/Ra hiệu năng cao, mạnh mẽ như CPU của thiết bị host. Thời điểm đó, khi giải pháp RAID dựa trên phần cứng là lựa chọn duy nhất, chi phí của bộ điều khiển RAID làm hạn chế việc sử dụng máy chủ.
Ngày nay, RAID được tìm thấy ở khắp nơi - từ chỗ là một tính năng phần mềm của hệ điều hành (HĐH) đến bộ điều khiển độc lập, giúp nâng cao tính toàn vẹn dữ liệu trong các hệ thống SAN cao cấp. Nó có thể được tìm thấy trong những môi trường di động như máy tính xách tay (laptop), máy tính để bàn (desktop), máy trạm (workstation), máy chủ (server) và các khay chứa gắn ngoài (external enclosure) với số lượng ổ cứng lớn hơn. Thậm chí RAID còn xuất hiện trong các bộ TV Set-top Box hoặc thiết bị lưu trữ cá nhân.
Bài viết này mang đến cái nhìn tổng quát về nhiều giải pháp RAID, bắt đầu bằng việc định nghĩa RAID cứng so với RAID mềm, giải thích cách làm việc, lợi ích của mỗi loại và giúp bạn quyết định giải pháp RAID nào là tốt nhất cho ứng dụng của bạn.
RAID là gì?
RAID; viết tắt của Redundant Array of Independent Disks, trước đây là Redundant Array of Inexpensive Disks; là một cách ảo hóa nhiều ổ cứng độc lập thành một hoặc nhiều mảng để cải thiện hiệu năng, dung lượng và độ tin cậy (tính sẵn sàng). Tổng dung lượng của mảng tùy thuộc vào loại RAID mà bạn xây dựng, cũng như số lượng và dung lượng ổ đĩa. Tổng dung lượng này không phụ thuộc vào RAID mềm hay RAID cứng mà bạn sử dụng. Bảng bên dưới so sánh các cấp độ RAID khác nhau; điểm mạnh, điểm yếu và tác động của chúng đến hiệu năng và hiệu quả hệ thống trong việc nâng cao tính sẵn sàng dữ liệu.
[Để tìm hiểu chi tiết về từng loại RAID, vui lòng đọc bài viết Giải thích các cấp độ RAID].
RAID MỀM (SOFTWARE RAID):
Cách đơn giản nhất để miêu tả RAID mềm đó là tác vụ RAID chạy trên CPU trong hệ thống máy tính của bạn.
Một số RAID mềm bao gồm một bo mạch phần cứng, thoạt nhìn trong nó giống như RAID cứng. Do đó, điều quan trọng cần phải hiểu là mã RAID mềm sử dụng sức mạnh tính toán của CPU. Mã này cung cấp các tính năng RAID chạy trên CPU hệ thống, chia sẻ sức mạnh tính toán với HĐH và tất cả những ứng dụng liên quan.
Triển khai RAID mềm:
RAID mềm có thể được triển khai bằng nhiều cách: 1) như một giải pháp phần mềm thuần túy, hoặc 2) như một giải pháp lai bao gồm một số phần cứng được thiết kế để tăng hiệu năng và giảm overhead CPU của hệ thống.
1. Kiểu phần mềm thuần túy - RAID mềm dựa trên HĐH:
Trong trường hợp này, RAID thực thi như một ứng dụng chạy trên host mà không cần bất kỳ phần cứng nào. Loại RAID mềm này sử dụng các ổ cứng được kết nối với hệ thống máy tính thông qua một giao tiếp Vào/Ra tích hợp sẵn, hoặc một Host Bus Adapter (HBA) không-có-bộ-xử-lý. RAID sẽ hoạt động ngay khi HĐH nạp driver RAID. Những giải pháp RAID mềm như vậy thường được tích hợp vào HĐH máy chủ và miễn phí cho người dùng. Chi phí thấp là ưu điểm chính của giải pháp này.
Những lợi ích và hạn chế của kiểu phần mềm thuần túy - RAID mềm dựa trên HĐH:
+ Chi phí thấp: Không phải tốn thêm tiền cho chức năng RAID, do nó đã được tích hợp vào HĐH. Khoản phí duy nhất đó là trang bị thêm ổ đĩa.
- Không được bảo vệ khi boot (không thể quản lý và bảo vệ dữ liệu khi boot): Hỏng ổ đĩa hoặc lỗi dữ liệu trong quá trình boot và trước khi RAID mềm được kích hoạt, dẫn đến hệ thống không thể hoạt động.
- Thêm tải hiệu năng trên máy chủ: Hiệu năng hệ thống bị ảnh hưởng bởi ứng dụng RAID. Số lượng ổ đĩa càng nhiều và hệ thống RAID càng phức tạp (như RAID 5), hiệu năng tổng thể chịu ảnh hưởng càng nhiều. Giải pháp này phù hợp nhất cho các loại RAID 0, 1, 10.
- Hạn chế di chuyển HĐH: Chức năng RAID bị giới hạn trong HĐH hiện hữu. Không có cách nào để di chuyển mảng RAID sang các HĐH khác, hoặc phiên bản khác của cùng HĐH (nếu không phải tất cả phiên bản của HĐH đều hỗ trợ chức năng RAID).
- Dễ bị nhiễm vi rút: Do RAID chạy như một ứng dụng trên hệ thống máy tính, vi rút và những phần mềm nguy hại khác có thể tác động đến chức năng RAID.
- Vấn đề về tính toàn vẹn dữ liệu do sự cố hệ thống: Các vấn đề phần mềm và phần cứng trên máy chủ có thể ảnh hưởng đến tính nhất quán và toàn vẹn dữ liệu.
- Không có cache write-back: RAID mềm chỉ chạy ở chế độ write-through, trong khi RAID cứng có thể chạy ở chế độ write-back nếu có pin dự phòng - góp phần bảo vệ dữ liệu trong trường hợp hệ thống mất nguồn đột ngột. Chế độ write-back cũng giúp nâng cao hiệu năng ghi của mảng RAID. Với RAID mềm, không có cách nào để bổ sung thêm pin dự phòng.
2. Kiểu lai - RAID mềm dựa trên phần cứng:
Mặc dù đây vẫn là RAID mềm, nhưng sự hỗ trợ của phần cứng giúp cải thiện vài điểm yếu của RAID mềm thuần túy. Giải pháp lai thường đi kèm một phần cứng (chẳng hạn như HBA có BIOS RAID, hoặc chỉ là BIOS RAID được tích hợp sẵn trên bo mạch chủ). BIOS này giúp chức năng RAID hoạt động khi hệ thống có nguồn, cung cấp khả năng dự phòng trong quá trình boot, hạn chế ảnh hưởng do lỗi RAID; nếu không, có thể dẫn đến hư hỏng dữ liệu hoặc hệ thống không thể hoạt động. Ngoài ra, phần lớn các giải pháp lai còn có một phần mềm thiết lập BIOS, hiện diện lúc boot hệ thống. Điều này cho phép thiết lập và bảo dưỡng mảng RAID dễ dàng mà không cần phải cài đặt hoặc boot HĐH từ ổ cứng hoặc CD-ROM. Thêm vào đó, RAID mềm dựa trên phần cứng thường có driver đa dạng cho hầu hết HĐH, do vậy nó độc lập với HĐH hơn là RAID mềm thuần túy.
Những lợi ích và hạn chế của kiểu lai - RAID mềm dựa trên phần cứng:
+ Chi phí vừa phải: Chỉ cần một HBA (card plug-in) hoặc một bộ nhớ flash bổ sung cho BIOS trên bo mạch chủ; nó cũng có thể bao gồm một phần cứng tăng tốc XOR nếu bộ điều khiển có hỗ trợ RAID 5.
+ Được bảo vệ khi boot: Dữ liệu không bị ảnh hưởng gì khi ổ đĩa boot bị lỗi hoặc hỏng hoàn toàn.
+ Có giao diện đồ họa người dùng (GUI) và phần mềm riêng: Dễ dàng thiết lập và bảo dưỡng mảng RAID.
- Thêm tải hiệu năng trên máy chủ: Hiệu năng hệ thống bị ảnh hưởng bởi ứng dụng RAID. Số lượng ổ đĩa càng nhiều và hệ thống RAID càng phức tạp (như RAID 5), hiệu năng tổng thể chịu ảnh hưởng càng nhiều. Giải pháp này phù hợp nhất cho các loại RAID 0, 1, 10.
- Hạn chế di chuyển HĐH: Chức năng RAID vẫn phụ thuộc vào HĐH do driver chạy trực tiếp trên HĐH. Tuy nhiên, driver đa dạng dành cho nhiều HĐH cho phép việc di chuyển sang các HĐH mới hơn (chẳng hạn phiên bản mới của HĐH có thể cần driver RAID mới - driver RAID phức tạp hơn driver HBA, vì vậy, mất nhiều thời gian hơn để phát triển chúng).
- Dễ bị nhiễm vi rút: Do RAID chạy như một ứng dụng trên hệ thống máy tính, vi rút và những phần mềm nguy hại khác có thể tác động đến chức năng RAID.
- Vấn đề về tính toàn vẹn dữ liệu do sự cố hệ thống: Các vấn đề phần mềm và phần cứng trên máy chủ có thể ảnh hưởng đến tính nhất quán và toàn vẹn dữ liệu.
- Không có cache write-back: RAID mềm dựa trên phần cứng chỉ chạy ở chế độ write-through, trong khi RAID cứng có thể chạy ở chế độ write-back nếu có pin dự phòng - góp phần bảo vệ dữ liệu trong trường hợp hệ thống mất nguồn đột ngột. Chế độ write-back cũng giúp nâng cao hiệu năng ghi của mảng RAID. Với RAID mềm dựa trên phần cứng, không có cách nào để bổ sung thêm pin dự phòng.
RAID CỨNG (HARDWARE RAID):
Giải pháp RAID cứng có bộ xử lý và bộ nhớ riêng để chạy ứng dụng RAID. Trong cách triển khai này, hệ thống RAID là một hệ thống máy tính con độc lập chỉ dành cho ứng dụng RAID, giúp giảm tải khỏi hệ thống host.
RAID cứng có thể được tìm thấy như một phần không thể thiếu của hệ thống (được tích hợp vào bo mạch chủ) hoặc như một card add-in. Nếu phần cứng cần thiết đã được tích hợp vào hệ thống, khi đó RAID cứng có thể trở thành một bản nâng cấp phần mềm cho hệ thống hiện tại của bạn. Do đó giống như RAID mềm, RAID cứng có thể không được nhận diện theo thoạt nhìn ban đầu.
Cách đơn giản nhất để nhận diện một hệ thống là RAID mềm hay RAID cứng, đó là đọc thông số kỹ thuật hoặc datasheet của nó. Nếu hệ thống có bộ xử lý (thường được gọi là bộ xử lý Vào/Ra, bộ xử lý hoặc đôi khi là ROC - tức "RAID-on-Chip"), thì nó là hệ thống RAID cứng. Nếu không có bộ xử lý, nó là giải pháp RAID mềm.
Điều này quan trọng cho sự lựa chọn của bạn, bởi vì hệ thống sẽ tác động đến việc triển RAID mềm hay RAID cứng. Những tác động này bao gồm:
Việc sử dụng và hiệu năng CPU khi các ứng dụng khác đang chạy.
Khả năng mở rộng ổ đĩa để bổ sung vào hệ thống.
Dễ khôi phục trong trường hợp mất dữ liệu.
Khả năng quản lý / khảo sát dữ liệu nâng cao.
Khả năng quản lý tính nhất quán của ổ đĩa trên các HĐH khác nhau.
Khả năng bổ sung tùy chọn pin dự phòng, cho phép cache ghi trên bộ điều khiển nhằm nâng cao hiệu năng ghi của hệ thống.
Triển khai RAID cứng:
RAID cứng có thể được triển khai bằng nhiều cách: 1) như một card điều khiển RAID rời, hoặc 2) như phần cứng tích hợp dựa trên công nghệ ROC.
1. Card điều khiển RAID rời:
Đây là card mở rộng thường tích hợp một bộ xử lý RAID (bộ xử lý Vào/Ra) và có giao tiếp riêng với ổ đĩa (bộ điều khiển Vào/Ra). Nó thường được cắm vào khe PCI-X hoặc PCIe trên bo mạch chủ hệ thống máy tính. Những card plug-in này thường có giá đắt nhất, nhưng cũng là giải pháp RAID linh hoạt nhất và hiệu năng tốt nhất. Ở đây, chức năng RAID hoàn toàn độc lập với host (hệ thống máy tính). Đặc tính của card rời này cho phép sử dụng bộ xử lý Vào/Ra hiệu năng cao nhất và bộ nhớ nhanh nhất. Card RAID giúp giảm tải hoàn toàn tác vụ tạo ra một tiểu hệ thống lưu trữ dự phòng từ hệ thống máy tính và không ảnh hưởng đến hiệu năng của toàn hệ thống, ngay cả trong trường hợp hỏng ổ đĩa. Những cấp độ RAID phức tạp và hiệu quả dung lượng hơn (như RAID 5 hoặc RAID 6) có thể được dùng mà không ảnh hưởng gì đến hệ thống.
Giao tiếp Vào/Ra bổ sung trên card thường cho phép mở rộng hệ thống lớn hơn (thêm nhiều ổ cứng hơn và nhiều dung lượng hơn). Thậm chí nhiều mảng RAID không hề ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống host. Chúng có thể được di chuyển dễ dàng sang HĐH khác, hoặc hệ thống host hay nền tảng khác.
Những lợi ích và hạn chế của card điều khiển RAID rời:
+ Được bảo vệ khi boot: Dữ liệu không bị ảnh hưởng gì khi ổ đĩa boot bị lỗi hoặc hỏng hoàn toàn.
+ Hiệu năng tải làm việc độc lập trên máy chủ: Bộ nhớ nhanh, bộ xử lý nhanh và không ảnh hưởng đến hiệu năng của các ứng dụng đang chạy trên hệ thống host.
+ Ứng dụng RAID độc lập với host: Không gặp vấn đề về tính toàn vẹn dữ liệu khi hư hỏng hệ thống.
+ Nâng cao khả năng bảo vệ trong trường hợp mất nguồn: Các giải pháp RAID cứng thường thực thi tiến trình ghi trên phần cứng bất biến. Các giải pháp RAID mềm thiếu đi sự bảo vệ này, khiến nó khó phục hồi khi bị mất nguồn trong quá trình ghi.
+ Không dễ bị nhiễm vi rút: Mảng RAID hoàn toàn độc lập với hệ thống host và HĐH. Không xảy ra vấn đề về tính toàn vẹn dữ liệu khi sự cố hệ thống.
+ Giảm tải tác vụ RAID khỏi host: Phù hợp nhất với loại RAID 5 hoặc RAID 6, thường cho tỷ lệ chi phí / hiệu năng tốt nhất.
+ Có GUI và phần mềm riêng: Dễ dàng thiết lập và bảo dưỡng mảng RAID.
+ Dễ di chuyển và thay thế: Card có thể được cắm vào bất kỳ hệ thống nào và dễ thay thế hoặc nâng cấp bằng biến thể mới nhất, tốt nhất. Cũng dễ dàng hơn trong việc di chuyển từ một HĐH này sang HĐH khác.
+ Hỗ trợ các tính năng RAID nâng cao: Điển hình như cắm nóng ổ đĩa (hot plug), di chuyển toàn mảng và mở rộng dung lượng trực tuyến.
+ Bộ nhớ cache trên bộ điều khiển: Tăng tốc độ truy cập bằng cách sử dụng bộ nhớ cache, bao gồm khả năng sử dụng cache write-back nếu bộ nhớ được bảo vệ bằng pin.
- Chi phí cao nhất: Bộ xử lý Vào/Ra và bộ nhớ bổ sung trên card plug-in làm tăng thêm chi phí.
2. Giải pháp tích hợp RAID cứng dựa trên công nghệ RAID-on-Chip (ROC):
Đối với giải pháp ROC, bộ xử lý RAID, bộ điều khiển bộ nhớ, giao tiếp host, giao tiếp Vào/Ra để kết nối ổ cứng và đôi khi là bộ nhớ, tất cả đều nằm bên trong một con chip duy nhất. Con chip này được tích hợp vào bo mạch chủ và cung cấp chức năng RAID cứng với chi phí giảm đáng kể (chỉ cần một con chip ASIC chuyên dụng).
ROC thay thế chip giao tiếp Vào/Ra mà bạn tìm thấy trên nhiều bo mạch chủ của máy chủ (chẳng hạn như chip điều khiển SCSI). Điều này có nghĩa là giải pháp ROC tích hợp nhiều thứ hơn chứ không chỉ là kết nối dành cho các ổ cứng.
Những lợi ích và hạn chế của RAID cứng dựa trên công nghệ ROC:
+ Được bảo vệ khi boot: Dữ liệu không bị ảnh hưởng gì khi ổ đĩa boot bị lỗi hoặc hỏng hoàn toàn.
+ Ứng dụng RAID độc lập với host: Không gặp vấn đề về tính toàn vẹn dữ liệu khi hư hỏng hệ thống.
+ Không dễ bị nhiễm vi rút: Mảng RAID hoàn toàn độc lập với hệ thống host và HĐH. Không xảy ra vấn đề về tính toàn vẹn dữ liệu khi sự cố hệ thống.
+ Nâng cao khả năng bảo vệ trong trường hợp mất nguồn: Các giải pháp RAID cứng thường thực thi tiến trình ghi trên phần cứng bất biến. Các giải pháp RAID mềm thiếu đi sự bảo vệ này, khiến nó khó phục hồi khi bị mất nguồn trong quá trình ghi.
+ Giảm tải tác vụ RAID khỏi host: Phù hợp nhất với loại RAID 5 hoặc RAID 6, thường cho tỷ lệ chi phí / hiệu năng tốt nhất.
+ Có GUI và phần mềm riêng: Dễ dàng thiết lập và bảo dưỡng mảng RAID.
+ Hỗ trợ các tính năng RAID nâng cao: Điển hình như cắm nóng ổ đĩa (hot plug), di chuyển toàn mảng và mở rộng dung lượng trực tuyến.
+ Bộ nhớ cache trên bộ điều khiển: Tăng tốc độ truy cập bằng cách sử dụng bộ nhớ cache, bao gồm khả năng sử dụng cache write-back nếu bộ nhớ được bảo vệ bằng pin.
- Chi phí trung bình: Số lượng chip ít hơn giúp giảm chi phí và tăng độ tin cậy so với giải pháp RAID cứng rời. Nhưng do tích hợp bộ xử lý và các giao tiếp Vào/Ra ở mật độ cao trong một con chip duy nhất, tần số xung clock của những con chip phức tạp này hiện tại có thể bị giới hạn. Các giải pháp ROC thế hệ tiếp theo có lẽ sẽ khắc phục được điểm này.
- Tính linh hoạt & di chuyển bị hạn chế: Việc di chuyển RAID sang các hệ thống khác chỉ có thể khi chúng được trang bị giải pháp ROC tương tự (tương thích).
RAID cứng hay RAID mềm là tốt nhất cho ứng dụng của bạn?
Bây giờ bạn đã hiểu những lợi ích và hạn chế của từng giải pháp RAID khác nhau, chúng ta có thể xem xét một số tình huống triển khai máy chủ điển hình và tối ưu hệ thống RAID để đáp ứng mục tiêu giá thành / hiệu năng của máy chủ nói chung.
Giải pháp RAID mềm thuần túy: Hai cấp độ entry-level RAID 0 hoặc RAID 1 dành cho nhu cầu về hiệu năng và tính sẵn sàng dữ liệu là chính. Tuy nhiên, RAID mềm không thể sử dụng ổ đĩa boot do chức năng RAID không hiện diện cho đến khi HĐH boot xong. Ứng dụng hướng tới: 1. Máy trạm không đòi hỏi lưu trữ dữ liệu lớn. 2. Máy chủ entry-level không đòi hỏi khả năng bảo vệ khi boot.
Giải pháp lai: Giải pháp có chi phí vừa phải tương tự như RAID mềm thuần túy, nhưng đòi hỏi khả năng boot. Ứng dụng hướng tới: 1. Máy chủ entry-level không đòi hỏi lưu trữ dữ liệu lớn. 2. Những cỗ máy tính toán kết nối với lưu trữ mạng.
Giải pháp RAID cứng: Giải pháp giàu tính năng nhất và hiệu năng cao nhất. Nó có thể được triển khai dưới dạng RAID trên bo mạch chủ (RAID on the Motherboard - ROMB) hoặc bằng card plug-in để nâng cao hiệu năng và tính sẵn sàng. Ứng dụng hướng tới: 1. Máy trạm hiệu năng cao đòi hỏi lưu trữ dữ liệu lớn. 2. Máy chủ từ entry-level đến doanh nghiệp, đòi hỏi hiệu năng và khả năng mở rộng từ hệ thống lưu trữ.
Nói chung, RAID cứng đem lại nhiều lợi ích hơn so với RAID mềm, nhất là các thuật toán RAID phức tạp. Chẳng hạn, nhiều phép đo đã chỉ ra rằng RAID 6 mềm tạo ra tải nặng lên nguồn tài nguyên tính toán của hệ thống, đặc biệt ở chế độ suy cấp (degraded mode). Điều này khiến RAID cứng hấp dẫn đối với những cấu hình như vậy.
KẾT LUẬN:
Bài viết này cho thấy những lợi ích mà RAID cứng mang lại so với RAID mềm.
Sự tiến bộ của công nghệ silicon đang cho phép tích hợp các bộ xử lý cần thiết cho RAID cứng vào giải pháp chip đơn và sẽ sớm có trong các chipset của máy chủ commodity, giúp giảm bớt chi phí triển khai. Chi phí giảm cho phép triển khai rộng rãi hơn các giải pháp RAID cứng trong những máy chủ giá thành thấp, tạo điều kiện để chúng đến tay nhiều người dùng hơn.
Hiện tại, các cấp độ bảo vệ và quản lý dữ liệu mới đã xuất hiện - ví dụ như RAID 6 bảo vệ hư hỏng và mã hóa dữ liệu đến hai ổ đĩa. Trong nhiều trường hợp, những hệ thống RAID cứng này có thể cung cấp các giải pháp hiệu năng cao hơn và giá thành thấp hơn so với các cấu hình RAID gắn ngoài.