Встраиваемые решения на базе RAID 1

Для построения современных корпоративных отказоустойчивых систем уже давно используются разнообразные технологии резервирования. Но в области встраиваемых решений технологии резервирования стали внедряться относительно недавно, с появлением твердотельных дисков (SSD – Solid-State Drive) и после миниатюризации элементной базы [1]. Компания Innodisk – одна из немногих, кто активно занимается разработками в этом сегменте. Она предлагает компактные и экономичные аппаратные RAID-решения (Redundant Array of Independent Disks – резервированный массив независимых дисков), предназначенные для встраиваемого рынка.
В отличие от традиционных корпоративных приложений перед встраиваемым решением стоит ряд специфических проблем: небольшое пространство, системные ограничения, проблемы с целостностью данных, тяжёлые условия работы. Эти проблемы делают невозможным использование типовых RAID-решений для большинства встроенных приложений.
Для встраиваемых систем нет единого решения, поэтому системный интегратор должен подобрать индивидуальное, но в то же время экономичное решение. И если произошёл сбой, крайне важно, чтобы оператор был проинформирован, а систему можно было бы восстановить без ущерба для целостности данных.
Цель данной статьи – более детально рассмотреть специфику встраиваемых систем и дать представление о надёжном и экономически эффективном решении.

Истоки проблем встраиваемых систем

Встраиваемые системы многообразны и находят применение в самых разных сферах. Тем не менее, есть общие проблемы, присущие различным отраслям. Благодаря распространению IoT (Internet of Things) постоянно растёт спрос на увеличение возможностей подключения устройств и модернизации системы. Независимо от того, являются ли эти устройства оборудованием специального назначения, аэрокосмической или автомобильной техникой, аппаратурой АСУ ТП, каждый раз, когда встаёт вопрос о расширении хранилища данных, эксплуатационный персонал сталкивается с однотипными трудностями: пространство на борту транспортного средства или платформы уже полностью используется, и для новых систем практически нет места. Таким образом, любое расширение или обновление может обойтись очень дорого.
В то же время у каждого заказчика возникают специфические проблемы в сфере надёжности, безопасности и доступности данных и т.д. Существует потребность в индивидуальной настройке решений, которая не предлагается более крупными поставщиками встраиваемых компонентов. Благодаря индивидуальному решению можно выполнить ограниченное вмешательство в уже находящиеся в эксплуатации системы, обеспечить безопасность данных, а последствия изменений в рамках всего комплекса будут незначительными.

Проблемы встраиваемых решений

Целостность данных

Целостность данных крайне важна во встраиваемых решениях, поскольку внезапный отказ может как привести к большим финансовым потерям из-за простоя, так и представлять опасность для персонала и выполнения техпроцесса. В случае сбоя диска должна быть система уведомлений, а также возможность лёгкой замены диска.

Ограничения по размеру

Стандартная конфигурация RAID для корпоративного сектора обычно включает хранилище большой ёмкости, отличающееся дороговизной и громоздкостью. Для системных интеграторов встраиваемых решений зачастую самыми главными являются ограничения по размерам, а затем идут требования к пропускной способности устройств.

Программные и аппаратные средства RAID

Стандартный RAID-массив обычно реализуется с помощью программного обеспечения, что означает, что поддержка RAID обрабатывается процессором. Тем не менее, во встраиваемых системах процессоры в первую очередь выбираются для повышения энергоэффективности и компактности – поддержка RAID может очень сильно повлиять на скорость обработки.

Тяжёлые условия эксплуатации

Промышленные системы предназначены для работы на удалённых объектах и в тяжёлых условиях окружающей среды. Для обеспечения целостности данных компоненты должны выдерживать большие колебания температуры, электромагнитные помехи, удары и вибрацию.

Возможности решения от Innodisk

RAID 1

Одной из основных проблем рынка встраиваемых систем является целостность данных. Чтобы решить эту проблему, можно использовать RAID первого уровня (RAID 1), который работает, просто зеркалируя два диска, поэтому в случае отказа одного диска все данные остаются неповреждёнными и доступными (рис. 1).
При этом скорость записи остаётся такой же, как и при установке одного диска. При чтении RAID 1 увеличивает скорость за счёт того, что имеется один и тот же набор данных, доступный на обоих дисках.

Компактность

Пространственные ограничения мож­но учесть, используя устройства в компактных форм-факторах. Для самой маленькой RAID-системы просто необходим модуль RAID с двумя встроенными SSD-дисками, что позволяет значительно упростить интеграцию.

Аппаратный RAID

Компания Innodisk предлагает аппаратный RAID (табл. 1), где RAID реализован в отдельном контроллере на модуле расширения. Это означает, что зеркалирование диска происходит без загрузки центрального процессора, что гарантирует отсутствие снижения производительности в других процессах (рис. 2).
Данный процесс полностью автоматизирован и начнётся, как только будет установлен новый модуль SSD.

Программное обеспечение для мониторинга

Благодаря эффективной системе мониторинга пользователь может получить доступ к SMART-информации SSD в любое время. Система уведомлений будет предупреждать пользователя, если произойдёт нештатная ситуация, что, в свою очередь, позволяет устранить проблему до потери данных.
Программное обеспечение iRAID от Innodisk предоставляет возможности мониторинга, логирования, доступа к SMART-информации и уведомлениям (табл. 2), а также позволяет осуществлять отдельный контроль до пяти модулей резервирования.

Прочность

Для обеспечения работы в экстремальных условиях модули Innodisk тестируются для использования в промышленных диапазонах температур –40…+85°C, а также при вибрациях до 5g с частотой 7…2000 Гц и ударах до 50g в течение 0,05 мс.

Примеры применений RAID 1 во встраиваемых системах

Машинное зрение в фармацевтической промышленности

Сегодня упаковка и контроль фармацевтической продукции полностью автоматизированы. Фармацевтические компании автоматизировали весь технологический процесс и сократили расходы на производство. Также без участия человека требуется выполнять строгую дозировку и маркировку фармацевтической продукции. В поисках решения, которое объединило бы как высокую производительность, так и полную сохранность данных, немецкий производитель систем видеоконтроля (устройств машинного зрения) обратился за помощью к Innodisk. Перед компанией Innodisk стояли следующие задачи:

• обеспечение качества – любая ошибка в системе может привести к неправильной дозировке или к сбою в маркировке;
• предотвращение остановки производственного процесса – замена неисправных устройств может быть связана с дорогостоящим простоем оборудования;
• контроль системы – заказчику требовалось контролировать состояние устройств и своевременно делать профилактику до возникновения ошибок.

Соединив аппаратные средства с программным обеспечением собственной запатентованной разработки, компания Innodisk смогла предложить интегрированное решение.
Данное решение обладает следующими возможностями:

• резервирование хранения данных: применение RAID 1 с дублирующим SSD означает, что система остаётся работоспособной даже при выходе из строя одного из дисков;
• простота замены: в случае отказа устройства неисправный SSD можно быстро заменить, и RAID будет автоматически восстановлен после установки нового диска;
• контрольное ПО iRAID позволяет пользователю легко отслеживать состояние каждого устройства.

В решении использовался модуль E2SS-32R2 в формате 2,5ʺ с возможностью создания RAID-массива (RAID 0/1) на базе дисков формата M.2 (2×S80 3MG2-P SSD) с интерфейсом SATA III. Для управления массивом дисков применяется инструмент управления iRAID.
Решение компании Innodisk представляет собой хорошо управляемую систему со встроенным программным обеспечением для устранения любых непредвиденных ошибок и сбоев, с которыми сталкивается заказчик.

Системы безопасности на транспорте

Перевозчики на железнодорожном транспорте постоянно сталкиваются с новыми проблемами, когда речь заходит о контроле безопасности на подвижном составе и удовлетворённости пассажиров качеством сервиса. Наряду с повсеместным использованием электропитания через Ethernet (Power over Ethernet, PoE) и IoT железнодорожные операторы говорят о высоком спросе на постоянное Интернет-подключение, которое позволяет обеспечить конкурентоспособность. Это подключение необходимо для информационно-развлекательной системы, которая сообщит пассажирам обо всех изменениях в расписании, а также предоставит другую полезную и необходимую информацию, в то время как система контроля позволит машинисту быстро оценить и урегулировать нештатные ситуации в случае их возникновения. Но при огромном интересе к новой системе специалисты отмечают, что одним из главных препятствий для её внедрения остаётся отсутствие оптимального решения.

Компания Innodisk смогла предложить для данного сегмента оригинальное решение (рис. 3) в части резервирования, которое включает:

• RAID с двумя SSD – компактное решение для увеличения ёмкости диска, повышающее надёжность;
• кастомизированное программное обеспечение и систему восстановления данных для обеспечения сохранности информации и устойчивой работы диска.

Все модули протестированы и сертифицированы для эксплуатации в широком диапазоне рабочих температур.
Аппаратное и программное обеспечение системы:

• два SSD 3MG2-P (ёмкость до 2 Tбайт);
• RAID-модуль E2SS-32R1/32R2 (RAID 0, RAID 1);
• оптимизированное программное обеспечение на базе кастомизированной Linux OS для восстановления на главном сервере.

В результате с внедрением контроля беспроводных систем железнодорожный оператор перевозок сможет обеспечить устойчивую и надёжную систему связи и повысить удовлетворённость пассажиров предоставляемыми услугами.
Оператор имеет прекрасное оборудование, чтобы справиться с любой нештатной ситуацией, а также обеспечить высокий уровень безопасности.

Заключение

Каждое встраиваемое приложение уникально и требует уникального решения, но есть определённые проблемы, общие для различных отраслей, такие как небольшое пространство, системные ограничения и тяжёлые условия
работы. Благодаря установке компактного встраиваемого RAID 1 эти проблемы могут быть в значительной степени решены.
Аппаратный RAID практически не влияет на производительность системы, а программное обеспечение для мониторинга будет предупреждать пользователей о возможной нештатной ситуации и предоставлять оперативную информацию о состоянии дисков.
В то же время реализация решения в промышленном исполнении обеспечивает высокую надёжность работы системы. ●

Статья подготовлена по материалам компании Innodisk

Литература

1. Си Си Ву. Как сделать встраиваемый накопитель данных отказоустойчивым // Современные технологии автоматизации. – 2018. – № 2.

E-mail: ssacompany@mail.ru

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!