Менеджер томов vinum

Независимо от типа дисков, всегда существуют потенциальные проблемы. Диски могут быть слишком малы, слишком медленны или недостаточно надежны для соответствия требованиям системы. Хотя диски становятся больше, требования к хранению данных также растут. Часто требуется файловая система, размер которой превышает емкость одного диска. Были предложены и реализованы различные решения этих проблем.

Один из методов заключается в использовании нескольких, а иногда и избыточных дисков. Помимо поддержки различных карт и контроллеров для аппаратных систем RAID (Redundant Array of Independent Disks), базовая система FreeBSD включает менеджер томов vinum, драйвер блочных устройств, который реализует виртуальные диски и решает эти три проблемы. vinum обеспечивает большую гибкость, производительность и надежность по сравнению с традиционными системами хранения данных, а также реализует модели RAID-0, RAID-1 и RAID-5 как по отдельности, так и в комбинации.

Эта глава предоставляет обзор потенциальных проблем с традиционным дисковым хранилищем и введение в менеджер томов vinum.

Современные системы часто нуждаются в доступе к данным в условиях высокой параллельности. Например, крупные FTP- или HTTP-серверы могут поддерживать тысячи одновременных сеансов и иметь несколько 100 Мбит/с соединений с внешним миром, что значительно превышает устойчивую скорость передачи большинства дисков.

Современные дисковые накопители могут передавать данные последовательно со скоростью до 70 МБ/с, но это значение имеет мало значения в среде, где множество независимых процессов обращаются к накопителю и могут достичь лишь доли этих значений. В таких случаях более интересно рассмотреть проблему с точки зрения дисковой подсистемы. Важным параметром является нагрузка, которую передача данных создаёт на подсистему, или время, в течение которого передача занимает задействованные накопители.

При любом переносе данных на диск сначала необходимо позиционировать головки, дождаться, пока первый сектор окажется под считывающей головкой, а затем выполнить перенос. Эти действия можно считать атомарными, так как их прерывание не имеет смысла.

Рассмотрим типичную передачу около 10 КБ: современные высокопроизводительные диски могут позиционировать головки в среднем за 3,5 мс. Самые быстрые диски вращаются со скоростью 15 000 об/мин, поэтому средняя задержка вращения (половина оборота) составляет 2 мс. При скорости 70 МБ/с сама передача занимает около 150 мкс, что почти ничто по сравнению с временем позиционирования. В таком случае эффективная скорость передачи падает до чуть более 1 МБ/с и явно сильно зависит от размера передачи.

Традиционное и очевидное решение этой проблемы — «больше дисков»: вместо одного большого диска использовать несколько дисков меньшего размера с тем же общим объёмом хранилища. Каждый диск способен позиционироваться и передавать данные независимо, поэтому эффективная пропускная способность увеличивается почти пропорционально количеству используемых дисков.

Фактическое увеличение пропускной способности меньше, чем количество задействованных дисков. Хотя каждый диск способен передавать данные параллельно, нет возможности гарантировать равномерное распределение запросов между дисками. Неизбежно нагрузка на один диск будет выше, чем на другой.

Равномерность нагрузки на диски сильно зависит от способа распределения данных по накопителям. В дальнейшем обсуждении удобно представлять дисковое хранилище как большое количество секторов данных, адресуемых по номерам, подобно страницам в книге. Наиболее очевидный метод — разделить виртуальный диск на группы последовательных секторов размером с отдельные физические диски и хранить их таким образом, как если бы большую книгу разорвали на меньшие разделы. Этот метод называется _ объединением (конкатенацией)_ и имеет преимущество в том, что диски не требуют каких-либо определённых соотношений размеров. Он хорошо работает, когда доступ к виртуальному диску равномерно распределён по его адресному пространству. Если доступ сосредоточен на меньшей области, улучшение менее заметно. Организация методом объединения иллюстрирует последовательность выделения блоков хранения в организации методом объединения.

Альтернативный метод распределения заключается в разделении адресного пространства на меньшие равные по размеру компоненты и их последовательном хранении на разных устройствах. Например, первые 256 секторов могут храниться на первом диске, следующие 256 секторов — на следующем диске и так далее. После заполнения последнего диска процесс повторяется, пока все диски не будут заполнены. Такой метод называется чередованием (striping) или RAID-0.

RAID предлагает различные формы отказоустойчивости, хотя RAID-0 несколько вводит в заблуждение, так как не обеспечивает избыточности. Разделение данных требует несколько больше усилий для их поиска и может создавать дополнительную нагрузку ввода-вывода, когда передача распределяется по нескольким дискам, но также может обеспечить более равномерную нагрузку на диски. Организация методом чередования иллюстрирует последовательность, в которой организуется распределение блоков хранения с чередованием.

Последняя проблема с дисками заключается в их ненадёжности. Хотя надёжность значительно повысилась за последние годы, дисковые накопители остаются наиболее вероятным компонентом сервера, который может выйти из строя. Когда это происходит, последствия могут быть катастрофическими, а замена вышедшего из строя диска и восстановление данных могут привести к простою сервера.

Один из подходов к этой проблеме — зеркалирование, или RAID-1, при котором данные хранятся в двух экземплярах на разных физических носителях. Любая запись на том записывается на оба диска; чтение может выполняться с любого из них, поэтому при отказе одного диска данные остаются доступны на другом.

Зеркалирование имеет две проблемы:

Альтернативным решением является четность, реализованная в уровнях RAID 2, 3, 4 и 5. Из них RAID-5 представляет наибольший интерес. В реализации vinum это вариант организации с чередованием, где один блок каждой полосы выделяется под четность одного из других блоков. В реализации vinum плекс RAID-5 аналогичен плексу с чередованием, за исключением того, что он реализует RAID-5, включая блок четности в каждую полосу. Как требуется в RAID-5, расположение этого блока четности меняется от одной полосы к другой. Числа в блоках данных обозначают относительные номера блоков.

По сравнению с зеркалированием, RAID-5 имеет преимущество в виде значительно меньшего требуемого объема хранилища. Скорость чтения аналогична таковой при чередующейся организации, но скорость записи значительно ниже — примерно 25% от скорости чтения. Если один диск выходит из строя, массив может продолжать работу в деградировавшем режиме, при котором чтение с оставшихся доступных дисков продолжается в обычном режиме, а чтение с отказавшего диска пересчитывается из соответствующих блоков всех оставшихся дисков.

Для решения этих проблем vinum реализует четырёхуровневую иерархию объектов:

Следующие разделы статьи описывают, каким образом эти объекты обеспечивают функциональность, требуемую для vinum.

vinum поддерживает базу данных конфигурации, которая описывает объекты, известные конкретной системе. Первоначально пользователь создает базу данных конфигурации из одного или нескольких конфигурационных файлов с помощью gvinum(8). vinum хранит копию своей базы данных конфигурации на каждом устройстве диска, находящемся под его управлением. Эта база данных обновляется при каждом изменении состояния, так что перезапуск точно восстанавливает состояние каждого объекта vinum.

vinum назначает стандартные имена для плексов и поддисков, хотя их можно изменить. Не рекомендуется изменять стандартные имена, так как это не дает значительных преимуществ и может вызвать путаницу.

Имена могут содержать любые непустые символы, но рекомендуется ограничиваться буквами, цифрами и символами подчёркивания. Имена томов, плексов и поддисков могут быть длиной до 64 символов, а имена дисков — до 32 символов.

Объектам vinum назначаются узлы устройств в иерархии /dev/gvinum. Приведённая выше конфигурация приведёт к тому, что vinum создаст следующие узлы устройств:

Например, рассмотрим следующий конфигурационный файл:

После обработки этого файла gvinum(8) создает следующую структуру в /dev/gvinum:

Хотя рекомендуется не назначать конкретные имена плексам и поддискам, диски vinum должны быть именованными. Это позволяет переместить диск в другое место и по-прежнему автоматически его распознавать. Имена дисков могут быть длиной до 32 символов.

Ядро GENERIC не содержит vinum. Можно собрать пользовательское ядро с включённым vinum, но это не рекомендуется. Стандартный способ запуска vinum — в качестве модуля ядра. Команда kldload(8) не требуется, так как при запуске gvinum(8) проверяет, загружен ли модуль, и если нет, загружает его автоматически.

Для машины с полностью зеркалированными файловыми системами с использованием vinum, желательно также зеркалировать корневую файловую систему. Настройка такой конфигурации менее тривиальна, чем зеркалирование произвольной файловой системы, потому что:

В следующих разделах термин "корневой том" обычно используется для описания тома vinum, который содержит корневую файловую систему.