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REDADA

RAID ( / r eɪ d / ; " matriz redundante de discos económicos " [1] o " matriz redundante de discos independientes " [2] ) es una tecnología de virtualización de almacenamiento de datos que combina múltiples componentes de unidades de disco físico en una o más unidades lógicas para con fines de redundancia de datos , mejora del rendimiento o ambos. Esto contrasta con el concepto anterior de unidades de disco de mainframe altamente confiables denominadas "disco único, grande y costoso" (SLED). [3] [1]

Los datos se distribuyen entre las unidades de varias maneras, denominadas niveles RAID, según el nivel requerido de redundancia y rendimiento. Los diferentes esquemas, o diseños de distribución de datos, se denominan con la palabra "RAID" seguida de un número, por ejemplo RAID 0 o RAID 1. Cada esquema, o nivel de RAID, proporciona un equilibrio diferente entre los objetivos clave: confiabilidad , disponibilidad , rendimiento y capacidad . Los niveles de RAID superiores a RAID 0 brindan protección contra errores de lectura de sectores irrecuperables , así como contra fallas de unidades físicas completas.

Historia

El término "RAID" fue inventado por David Patterson , Garth A. Gibson y Randy Katz en la Universidad de California, Berkeley en 1987. En su artículo de junio de 1988 "A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID)", presentado en En la Conferencia SIGMOD , argumentaron que las unidades de disco de mainframe de mayor rendimiento de la época podían ser superadas en rendimiento por una serie de unidades económicas que se habían desarrollado para el creciente mercado de computadoras personales . Aunque las fallas aumentarían en proporción al número de unidades, al configurarlas para redundancia, la confiabilidad de una matriz podría exceder con creces la de cualquier unidad grande. [4]

Aunque todavía no se utiliza esa terminología, las tecnologías de los cinco niveles de RAID mencionados en el artículo de junio de 1988 se utilizaron en varios productos antes de la publicación del artículo, [3] incluidos los siguientes:

Posteriormente, los fabricantes de la industria redefinieron el acrónimo RAID para que signifique "matriz redundante de discos independientes ". [2] [11] [12] [13]

Descripción general

Muchos niveles RAID emplean un esquema de protección contra errores llamado " paridad ", un método ampliamente utilizado en tecnología de la información para proporcionar tolerancia a fallas en un conjunto de datos determinado. La mayoría usa XOR simple , pero RAID 6 usa dos paridades separadas basadas respectivamente en la suma y la multiplicación en un campo de Galois particular o en la corrección de errores de Reed-Solomon . [14]

RAID también puede proporcionar seguridad de datos con unidades de estado sólido (SSD) sin el gasto de un sistema totalmente SSD. Por ejemplo, un SSD rápido se puede duplicar con un disco mecánico. Para que esta configuración proporcione una ventaja de velocidad significativa, se necesita un controlador adecuado que utilice el SSD rápido para todas las operaciones de lectura. Adaptec llama a esto "RAID híbrido". [15]

Niveles estándar

Servidores de almacenamiento con 24 unidades de disco duro cada uno y controladores RAID de hardware integrados que admiten varios niveles RAID

Originalmente, había cinco niveles estándar de RAID, pero han evolucionado muchas variaciones, incluidos varios niveles anidados y muchos niveles no estándar (en su mayoría propietarios ). Los niveles de RAID y sus formatos de datos asociados están estandarizados por la Storage Networking Industry Association (SNIA) en el estándar Common RAID Disk Drive Format (DDF): [16] [17]

RAID anidado (híbrido)

En lo que originalmente se denominó RAID híbrido , [25] muchos controladores de almacenamiento permiten anidar niveles de RAID. Los elementos de un RAID pueden ser unidades individuales o matrices en sí. Los arreglos rara vez están anidados a más de un nivel de profundidad.

La matriz final se conoce como matriz superior. Cuando la matriz superior es RAID 0 (como en RAID 1+0 y RAID 5+0), la mayoría de los proveedores omiten el "+" (lo que produce RAID 10 y RAID 50, respectivamente).

Niveles no estándar

Son posibles muchas configuraciones además de los niveles RAID numerados básicos, y muchas empresas, organizaciones y grupos han creado sus propias configuraciones no estándar, en muchos casos diseñadas para satisfacer las necesidades especializadas de un pequeño grupo de nicho. Dichas configuraciones incluyen lo siguiente:

Implementaciones

La distribución de datos entre múltiples unidades se puede gestionar mediante hardware informático dedicado o mediante software . Una solución de software puede ser parte del sistema operativo, parte del firmware y los controladores suministrados con un controlador de unidad estándar (el llamado "RAID de software asistido por hardware"), o puede residir completamente dentro del controlador RAID de hardware.

Basado en hardware

Los controladores RAID de hardware se pueden configurar a través del BIOS de la tarjeta o de la ROM opcional antes de iniciar un sistema operativo y, después de iniciar el sistema operativo, el fabricante de cada controlador ofrece utilidades de configuración patentadas . A diferencia de los controladores de interfaz de red para Ethernet , que generalmente se pueden configurar y mantener completamente a través de paradigmas de sistemas operativos comunes como ifconfig en Unix , sin necesidad de herramientas de terceros, cada fabricante de cada controlador RAID generalmente proporciona sus propias herramientas de software patentadas. para cada sistema operativo que consideran compatible, lo que garantiza la dependencia del proveedor y contribuye a los problemas de confiabilidad. [33]

Por ejemplo, en FreeBSD , para acceder a la configuración de los controladores RAID de Adaptec , los usuarios deben habilitar la capa de compatibilidad de Linux y utilizar las herramientas de Linux de Adaptec, [34] comprometiendo potencialmente la estabilidad, confiabilidad y seguridad de su configuración, especialmente al adoptar una visión de largo plazo. [33]

Algunos otros sistemas operativos han implementado sus propios marcos genéricos para interactuar con cualquier controlador RAID y proporcionan herramientas para monitorear el estado del volumen RAID, así como facilitar la identificación de la unidad a través del parpadeo del LED, administración de alarmas y designaciones de discos de repuesto dinámicos desde dentro del sistema operativo sin tener que reiniciar en el BIOS de la tarjeta. Por ejemplo, este fue el enfoque adoptado por OpenBSD en 2005 con su pseudodispositivo bio(4) y la utilidad bioctl , que proporciona el estado del volumen y permite el control de LED/alarma/repuesto, así como los sensores (incluido el sensor de unidad). ) para el control de la salud; [35] NetBSD adoptó y amplió posteriormente este enfoque también en 2007. [36]

Basado en software

Muchos sistemas operativos modernos proporcionan implementaciones de software RAID . El software RAID se puede implementar como:

Algunos sistemas de archivos avanzados están diseñados para organizar datos en múltiples dispositivos de almacenamiento directamente, sin necesidad de la ayuda de un administrador de volúmenes lógicos de terceros:

Muchos sistemas operativos proporcionan implementaciones RAID, incluidas las siguientes:

Si falla una unidad de arranque, el sistema debe ser lo suficientemente sofisticado como para poder arrancar desde la unidad o unidades restantes. Por ejemplo, considere una computadora cuyo disco está configurado como RAID 1 (unidades reflejadas); Si falla la primera unidad de la matriz, es posible que un cargador de arranque de primera etapa no sea lo suficientemente sofisticado como para intentar cargar el cargador de arranque de segunda etapa desde la segunda unidad como alternativa. El cargador de arranque de segunda etapa para FreeBSD es capaz de cargar un kernel desde dicha matriz. [63]

Basado en firmware y controladores

Un controlador SATA 3.0 que proporciona funcionalidad RAID a través de firmware y controladores propietarios

El RAID implementado por software no siempre es compatible con el proceso de arranque del sistema y, por lo general, no resulta práctico para las versiones de escritorio de Windows. Sin embargo, los controladores RAID de hardware son caros y propietarios. Para llenar este vacío, se introdujeron "controladores RAID" económicos que no contienen un chip controlador RAID dedicado, sino simplemente un chip controlador de unidad estándar, o la función RAID incorporada en el chipset, con firmware y controladores propietarios. Durante el arranque temprano, el firmware implementa el RAID y, una vez que el sistema operativo se ha cargado por completo, los controladores toman el control. En consecuencia, es posible que dichos controladores no funcionen cuando la compatibilidad con controladores no esté disponible para el sistema operativo host. [64] Un ejemplo es la tecnología Intel Rapid Storage , implementada en muchas placas base de nivel de consumidor. [65] [66]

Debido a que se trata de un soporte mínimo de hardware, esta implementación también se denomina "RAID de software asistido por hardware", [67] [68] [69] RAID "modelo híbrido", [69] o incluso "RAID falso". [70] Si se admite RAID 5, el hardware puede proporcionar un acelerador XOR de hardware. Una ventaja de este modelo sobre el RAID de software puro es que, si se utiliza un modo de redundancia, la unidad de arranque está protegida contra fallas (debidas al firmware) durante el proceso de arranque, incluso antes de que los controladores del sistema operativo tomen el control. [69]

Integridad

La depuración de datos (denominada en algunos entornos lectura de patrulla ) implica la lectura y verificación periódicas por parte del controlador RAID de todos los bloques de una matriz, incluidos aquellos a los que no se accede de otro modo. Esto detecta bloques defectuosos antes de su uso. [71] La depuración de datos busca bloques defectuosos en cada dispositivo de almacenamiento en una matriz, pero también utiliza la redundancia de la matriz para recuperar bloques defectuosos en una sola unidad y para reasignar los datos recuperados a bloques de repuesto en otras partes de la unidad. [72]

Con frecuencia, un controlador RAID está configurado para "eliminar" una unidad de componente (es decir, asumir que una unidad de componente ha fallado) si la unidad no ha respondido durante aproximadamente ocho segundos; Esto podría provocar que el controlador de matriz descarte una unidad en buen estado porque a esa unidad no se le ha dado tiempo suficiente para completar su procedimiento de recuperación de errores internos. En consecuencia, el uso de unidades con RAID comercializadas para el consumidor puede ser riesgoso y las unidades denominadas de "clase empresarial" limitan este tiempo de recuperación de errores para reducir el riesgo. [ cita necesaria ] Las unidades de escritorio de Western Digital solían tener una solución específica. Una utilidad llamada WDTLER.exe limitó el tiempo de recuperación de errores de una unidad. La utilidad habilitó TLER (recuperación de errores por tiempo limitado) , que limita el tiempo de recuperación de errores a siete segundos. Alrededor de septiembre de 2009, Western Digital deshabilitó esta función en sus unidades de escritorio (como la línea Caviar Black), lo que hizo que dichas unidades no fueran adecuadas para su uso en configuraciones RAID. [73] Sin embargo, las unidades de clase empresarial Western Digital se envían de fábrica con TLER habilitado. Seagate, Samsung e Hitachi utilizan tecnologías similares. Por lo tanto, para uso no RAID, una unidad de clase empresarial con un tiempo de espera de recuperación de errores corto que no se puede cambiar es menos adecuada que una unidad de escritorio. [73] A finales de 2010, el programa Smartmontools comenzó a soportar la configuración de ATA Error Recovery Control, permitiendo a la herramienta configurar muchos discos duros de escritorio para su uso en configuraciones RAID. [73]

Si bien RAID puede proteger contra fallas de la unidad física, los datos aún están expuestos a la destrucción del operador, el software, el hardware y los virus. Muchos estudios citan la falla del operador como una fuente común de mal funcionamiento, [74] [75] como que un operador de servidor reemplace la unidad incorrecta en un RAID defectuoso y deshabilite el sistema (incluso temporalmente) en el proceso. [76]

Un arreglo puede verse abrumado por una falla catastrófica que exceda su capacidad de recuperación y todo el arreglo corre el riesgo de sufrir daños físicos por incendio, desastres naturales y fuerzas humanas; sin embargo, las copias de seguridad se pueden almacenar fuera del sitio. Una matriz también es vulnerable a fallas del controlador porque no siempre es posible migrarla a un controlador nuevo y diferente sin pérdida de datos. [77]

Debilidades

Fallos correlacionados

En la práctica, las transmisiones suelen tener la misma edad (con un desgaste similar) y estar sujetas al mismo entorno. Dado que muchas fallas de las unidades se deben a problemas mecánicos (que son más probables en las unidades más antiguas), esto viola los supuestos de una tasa de falla idéntica e independiente entre las unidades; De hecho, los fracasos están estadísticamente correlacionados. [11] En la práctica, las posibilidades de que se produzca un segundo fallo antes de que se haya recuperado el primero (lo que provocará la pérdida de datos) son mayores que las posibilidades de fallos aleatorios. En un estudio de alrededor de 100.000 unidades, la probabilidad de que dos unidades del mismo grupo fallaran en una hora era cuatro veces mayor de lo previsto por la distribución estadística exponencial , que caracteriza los procesos en los que los eventos ocurren de forma continua e independiente a un ritmo promedio constante. La probabilidad de dos fallas en el mismo período de 10 horas era dos veces mayor de lo predicho por una distribución exponencial. [78]

Errores de lectura irrecuperables durante la reconstrucción

Los errores de lectura irrecuperables (URE) se presentan como fallas de lectura del sector, también conocidos como errores de sector latente (LSE). Por lo general, se garantiza que la medida de evaluación de medios asociada, la tasa de error de bit irrecuperable (UBE), es menos de un bit entre 10 15 [ disputado – discutir ] para unidades de clase empresarial ( SCSI , FC , SAS o SATA), y menos de uno bit en 10 14 [ disputado – discutir ] para unidades de escritorio (IDE/ATA/PATA o SATA). El aumento de las capacidades de las unidades y las grandes instancias de RAID 5 han provocado que las tasas máximas de error sean insuficientes para garantizar una recuperación exitosa, debido a la alta probabilidad de que se produzca un error de este tipo en una o más unidades restantes durante la reconstrucción de un conjunto RAID. [11] [ fuente obsoleta ] [79] Al reconstruir, los esquemas basados ​​en paridad como RAID 5 son particularmente propensos a los efectos de los URE, ya que afectan no solo al sector donde ocurren, sino también a los bloques reconstruidos que utilizan ese sector para el cálculo de la paridad. . [80]

Los esquemas basados ​​en paridad de doble protección, como RAID 6, intentan abordar este problema proporcionando redundancia que permite fallas de doble unidad; Como desventaja, estos esquemas sufren una penalización de escritura elevada: la cantidad de veces que se debe acceder al medio de almacenamiento durante una sola operación de escritura. [81] Los esquemas que duplican (duplican) datos de unidad a unidad, como RAID 1 y RAID 10, tienen un menor riesgo de URE que aquellos que utilizan cálculo de paridad o duplicación entre conjuntos seccionados. [24] [82] La depuración de datos, como proceso en segundo plano, se puede utilizar para detectar y recuperarse de URE, lo que reduce de manera efectiva el riesgo de que ocurran durante las reconstrucciones de RAID y causen fallas en las unidades dobles. La recuperación de URE implica la reasignación de los sectores del disco subyacentes afectados, utilizando el grupo de reasignación de sectores de la unidad; En el caso de que se detecten URE durante la depuración en segundo plano, la redundancia de datos proporcionada por un conjunto RAID completamente operativo permite reconstruir y reescribir los datos faltantes en un sector reasignado. [83] [84]

Aumento del tiempo de reconstrucción y la probabilidad de fallas

La capacidad de la unidad ha crecido a un ritmo mucho más rápido que la velocidad de transferencia y las tasas de error sólo han disminuido un poco en comparación. Por lo tanto, las unidades de mayor capacidad pueden tardar horas, si no días, en reconstruirse, tiempo durante el cual otras unidades pueden fallar o incluso pueden aparecer errores de lectura no detectados. El tiempo de reconstrucción también es limitado si todo el conjunto todavía está en funcionamiento a capacidad reducida. [85] Dada una matriz con una sola unidad redundante (que se aplica a los niveles RAID 3, 4 y 5, y al RAID 1 "clásico" de dos unidades), una segunda falla de la unidad causaría una falla completa de la matriz. Aunque el tiempo medio entre fallas (MTBF) de las unidades individuales ha aumentado con el tiempo, este aumento no ha seguido el ritmo del aumento de la capacidad de almacenamiento de las unidades. El tiempo para reconstruir la matriz después de una falla de una sola unidad, así como la posibilidad de una segunda falla durante una reconstrucción, han aumentado con el tiempo. [22]

Algunos comentaristas han declarado que RAID 6 es sólo una "curita" a este respecto, porque sólo adelanta el problema un poco más adelante. [22] Sin embargo, según el estudio de NetApp de 2006 de Berriman et al., la posibilidad de fallo disminuye en un factor de aproximadamente 3.800 (en relación con RAID 5) para una implementación adecuada de RAID 6, incluso cuando se utilizan unidades básicas. [86] [ cita no encontrada ] Sin embargo, si las tendencias tecnológicas observadas actualmente permanecen sin cambios, en 2019 una matriz RAID 6 tendrá las mismas posibilidades de falla que su contraparte RAID 5 en 2010. [86] [ ¿ fuente no confiable? ]

Los esquemas de duplicación como RAID 10 tienen un tiempo de recuperación limitado ya que requieren la copia de una única unidad fallida, en comparación con los esquemas de paridad como RAID 6, que requieren la copia de todos los bloques de unidades en un conjunto de matrices. Se han sugerido esquemas de triple paridad, o triple duplicación, como un enfoque para mejorar la resiliencia ante una falla adicional de la unidad durante este largo tiempo de reconstrucción. [86] [ ¿ fuente poco confiable? ]

Atomicidad

Un fallo del sistema u otra interrupción de una operación de escritura puede dar lugar a estados en los que la paridad sea inconsistente con los datos debido a la falta de atomicidad del proceso de escritura, de modo que la paridad no pueda usarse para la recuperación en caso de una falla del disco. Esto comúnmente se denomina agujero de escritura , que es un problema conocido de corrupción de datos en RAID más antiguos y de gama baja, causado por la interrupción de la interrupción de las escrituras en el disco. [87] El problema de la escritura se puede abordar de varias maneras:

El agujero de escritura es un modo de falla poco comprendido y rara vez mencionado para sistemas de almacenamiento redundantes que no utilizan funciones transaccionales. El investigador de bases de datos Jim Gray escribió "Update in Place is a Poison Apple" durante los primeros días de la comercialización de bases de datos relacionales. [95]

Fiabilidad de caché de escritura

Existen preocupaciones sobre la confiabilidad de la caché de escritura, específicamente con respecto a los dispositivos equipados con una caché de reescritura , que es un sistema de almacenamiento en caché que informa que los datos se escriben tan pronto como se escriben en la caché, a diferencia de cuando se escriben en la caché no. -medio volátil. Si el sistema experimenta una pérdida de energía u otra falla importante, los datos pueden perderse irrevocablemente del caché antes de llegar al almacenamiento no volátil. Por esta razón, las buenas implementaciones de caché de reescritura incluyen mecanismos, como energía de batería redundante, para preservar el contenido de la caché en caso de fallas del sistema (incluidas fallas de energía) y para vaciar la caché en el momento de reiniciar el sistema. [96]

Ver también

Referencias

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enlaces externos

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