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RAID

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 físicas en una o más unidades lógicas con el fin de lograr redundancia de datos , mejorar el rendimiento o ambos. Esto contrasta con el concepto anterior de unidades de disco de mainframe altamente confiables conocidas como "disco único grande y costoso" (SLED). [3] [1]

Los datos se distribuyen entre las unidades de una de varias maneras, denominadas niveles RAID, según el nivel de redundancia y rendimiento requerido. Los diferentes esquemas, o diseños de distribución de datos, se nombran con la palabra "RAID" seguida de un número, por ejemplo RAID 0 o RAID 1. Cada esquema, o nivel RAID, proporciona un equilibrio diferente entre los objetivos clave: confiabilidad , disponibilidad , rendimiento y capacidad . Los niveles 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 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 la Conferencia SIGMOD , argumentaron que las unidades de disco de mainframe de mayor rendimiento de la época podían ser superadas en rendimiento por una matriz de las unidades económicas que se habían desarrollado para el creciente mercado de las computadoras personales . Aunque los fallos aumentarían en proporción al número de unidades, al configurar la redundancia, la fiabilidad de una matriz podría superar con creces la de cualquier unidad individual de gran tamaño. [4]

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

Los fabricantes de la industria posteriormente redefinieron el acrónimo RAID para que significara "matriz redundante de discos independientes ". [2] [11] [12] [13]

Descripción general

Muchos niveles RAID emplean un esquema de protección de errores llamado " paridad ", un método ampliamente utilizado en tecnología de la información para proporcionar tolerancia a fallos en un conjunto determinado de datos. La mayoría utiliza XOR simple, pero RAID 6 utiliza dos paridades separadas basadas respectivamente en la adición 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, una SSD rápida se puede duplicar con una unidad mecánica. Para que esta configuración proporcione una ventaja de velocidad significativa, se necesita un controlador adecuado que utilice la SSD rápida para todas las operaciones de lectura. Adaptec lo denomina "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 surgido muchas variaciones, incluidos varios niveles anidados y muchos niveles no estándar (en su mayoría propietarios ). Los niveles 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 que los niveles RAID se aniden. Los elementos de un RAID pueden ser unidades individuales o matrices en sí mismas. Las matrices rara vez se anidan 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 da como resultado RAID 10 y RAID 50, respectivamente).

Niveles no estándar

Son posibles muchas configuraciones distintas a 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 especializado. Entre estas configuraciones se incluyen las siguientes:

Implementaciones

La distribución de datos entre varias unidades puede gestionarse 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 denominado "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 la ROM opcional antes de que se inicie un sistema operativo y, una vez que se inicia el sistema operativo, el fabricante de cada controlador dispone de utilidades de configuración patentadas . A diferencia de los controladores de interfaz de red para Ethernet , que normalmente se pueden configurar y reparar completamente a través de los paradigmas de sistema operativo comunes como ifconfig en Unix , sin necesidad de herramientas de terceros, cada fabricante de cada controlador RAID suele proporcionar sus propias herramientas de software patentadas para cada sistema operativo que considere compatible, lo que garantiza un bloqueo del proveedor y contribuye a los problemas de fiabilidad. [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 cuando se toma una visión a 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 para facilitar la identificación de la unidad a través del parpadeo de LED, la gestión de alarmas y las designaciones de discos de repuesto en caliente 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 en caliente, así como los sensores (incluido el sensor de unidad ) para el monitoreo de la salud; [35] este enfoque ha sido adoptado y ampliado posteriormente por NetBSD también en 2007. [36]

Basado en software

Muchos sistemas operativos modernos ofrecen implementaciones de RAID por software . El RAID por software 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, incluidos los 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 duplicadas); si falla la primera unidad de la matriz, entonces un cargador de arranque de primera etapa podría no ser lo suficientemente sofisticado como para intentar cargar el cargador de arranque de segunda etapa desde la segunda unidad como respaldo. El cargador de arranque de segunda etapa para FreeBSD es capaz de cargar un núcleo desde una matriz de este tipo. [63]

Basado en firmware y controlador

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 es 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 inicial, el RAID es implementado por el firmware y, una vez que el sistema operativo se ha cargado más completamente, los controladores toman el control. En consecuencia, dichos controladores pueden no funcionar cuando no hay soporte de controladores disponible para el sistema operativo host. [64] Un ejemplo es Intel Rapid Storage Technology , implementado en muchas placas base de nivel de consumidor. [65] [66]

Debido a que se requiere un soporte mínimo de hardware, esta implementación también se denomina "RAID de software asistido por hardware", [67] [68] [69] RAID de "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 (debido 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 (conocida en algunos entornos como lectura de patrullaje ) implica la lectura y comprobación 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 comprueba si hay bloques defectuosos en cada dispositivo de almacenamiento de una matriz, pero también utiliza la redundancia de la matriz para recuperar bloques defectuosos en una sola unidad y reasignar los datos recuperados a bloques de repuesto en otras partes de la unidad. [72]

Con frecuencia, un controlador RAID se configura para "descartar" una unidad de componentes (es decir, asumir que una unidad de componentes ha fallado) si la unidad no ha respondido durante ocho segundos aproximadamente; esto puede hacer que el controlador de matriz descarte una unidad en buen estado porque a esa unidad no se le ha dado suficiente tiempo para completar su procedimiento interno de recuperación de errores. En consecuencia, el uso de unidades comercializadas para el consumidor con RAID puede ser riesgoso, y las llamadas unidades de "clase empresarial" limitan este tiempo de recuperación de errores para reducir el riesgo. [ cita requerida ] Las unidades de escritorio de Western Digital solían tener una solución específica. Una utilidad llamada WDTLER.exe limitaba el tiempo de recuperación de errores de una unidad. La utilidad habilitaba TLER (recuperación de errores limitada en el tiempo) , 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 hace que dichas unidades no sean adecuadas para su uso en configuraciones RAID. [73] Sin embargo, las unidades de clase empresarial de Western Digital se envían de fábrica con TLER habilitado. Seagate, Samsung e Hitachi utilizan tecnologías similares. Por lo tanto, para un uso que no sea RAID, una unidad de clase empresarial con un tiempo de recuperación de errores corto que no se pueda modificar es menos adecuada que una unidad de escritorio. [73] A fines de 2010, el programa Smartmontools comenzó a admitir la configuración de ATA Error Recovery Control, lo que permite que la herramienta configure muchos discos duros de clase de escritorio para su uso en configuraciones RAID. [73]

Si bien el RAID puede proteger contra fallas físicas de la unidad, los datos siguen estando expuestos a la destrucción por parte de operadores, software, hardware y virus. Muchos estudios citan la falla del operador como una fuente común de mal funcionamiento, [74] [75] como cuando un operador de servidor reemplaza la unidad incorrecta en un RAID defectuoso y desactiva el sistema (incluso temporalmente) en el proceso. [76]

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

Debilidades

Fallas correlacionadas

En la práctica, las unidades suelen tener la misma antigüedad (con un desgaste similar) y están sujetas al mismo entorno. Dado que muchas fallas de las unidades se deben a problemas mecánicos (que son más probables en unidades más antiguas), esto viola los supuestos de una tasa de fallas idéntica e independiente entre unidades; de hecho, las fallas están correlacionadas estadísticamente. [11] En la práctica, las probabilidades de una segunda falla antes de que se haya recuperado la primera (lo que causa pérdida de datos) son mayores que las probabilidades de fallas aleatorias. En un estudio de aproximadamente 100.000 unidades, la probabilidad de que dos unidades en el mismo clúster fallaran en una hora fue cuatro veces mayor que la predicha por la distribución estadística exponencial , que caracteriza los procesos en los que los eventos ocurren de manera continua e independiente a una tasa promedio constante. La probabilidad de dos fallas en el mismo período de 10 horas fue el doble de grande que la predicha por una distribución exponencial. [78]

Errores de lectura irrecuperables durante la reconstrucción

Los errores de lectura irrecuperables (URE) se presentan como fallas de lectura de sector, también conocidos como errores de sector latentes (LSE). La medida de evaluación de medios asociada, la tasa de error de bit irrecuperable (UBE), generalmente se garantiza que sea menor a un bit en 10 15 [ disputado – discutir ] para unidades de clase empresarial ( SCSI , FC , SAS o SATA), y menor a un bit en 10 14 [ disputado – discutir ] para unidades de clase de escritorio (IDE/ATA/PATA o SATA). El aumento de las capacidades de las unidades y las grandes instancias RAID 5 han llevado a que las tasas de error máximas sean insuficientes para garantizar una recuperación exitosa, debido a la alta probabilidad de que dicho error ocurra en una o más unidades restantes durante una reconstrucción de 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 usan ese sector para el cálculo de paridad. [80]

Los esquemas basados ​​en paridad de doble protección, como RAID 6, intentan abordar este problema al proporcionar 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 una manera de unidad a unidad, como RAID 1 y RAID 10, tienen un riesgo menor de URE que aquellos que usan el cálculo de paridad o la duplicación entre conjuntos seccionados. [24] [82] La depuración de datos, como un proceso en segundo plano, se puede utilizar para detectar y recuperarse de URE, reduciendo efectivamente el riesgo de que sucedan durante las reconstrucciones RAID y causen fallas de doble unidad. La recuperación de URE implica la reasignación de los sectores de disco subyacentes afectados, utilizando el grupo de reasignación de sectores de la unidad; en caso de URE detectados durante la depuración en segundo plano, la redundancia de datos proporcionada por un conjunto RAID completamente operativo permite reconstruir los datos faltantes y reescribirlos en un sector reasignado. [83] [84]

Aumento del tiempo de reconstrucción y probabilidad de fallo

La capacidad de las unidades 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 o días en reconstruirse, tiempo durante el cual otras unidades pueden fallar o pueden aparecer errores de lectura aún no detectados. El tiempo de reconstrucción también es limitado si toda la matriz sigue en funcionamiento a capacidad reducida. [85] Dado un arreglo con sólo una unidad redundante (que se aplica a los niveles RAID 3, 4 y 5, y al RAID 1 "clásico" de dos unidades), un segundo fallo de unidad causaría un fallo completo de la matriz. Aunque el tiempo medio entre fallos (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 un fallo de una sola unidad, así como la posibilidad de un segundo fallo durante una reconstrucción, han aumentado con el tiempo. [22]

Algunos comentaristas han declarado que RAID 6 es sólo una "curita" en este sentido, porque sólo retrasa un poco el problema. [22] Sin embargo, según el estudio de NetApp de 2006 de Berriman et al., la probabilidad 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 de disco de consumo. [86] [ cita no encontrada ] Sin embargo, si las tendencias tecnológicas observadas actualmente permanecen sin cambios, en 2019 una matriz RAID 6 tendrá la misma probabilidad de fallo que su contraparte RAID 5 en 2010. [86] [ ¿ fuente poco fiable? ]

Los esquemas de duplicación como RAID 10 tienen un tiempo de recuperación limitado, ya que requieren la copia de una sola unidad defectuosa, en comparación con los esquemas de paridad como RAID 6, que requieren la copia de todos los bloques de las 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 de unidad adicional durante este largo tiempo de reconstrucción. [86] [ ¿ Fuente poco confiable? ]

Atomicidad

Una falla del sistema u otra interrupción de una operación de escritura puede generar 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 se pueda usar para la recuperación en caso de una falla del disco. Esto se denomina comúnmente 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 desorganización de las escrituras en el disco. [87] El agujero de escritura se puede abordar de varias maneras:

El agujero de escritura es un modo de falla poco comprendido y rara vez mencionado para los 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" (Actualizar en el lugar es una manzana envenenada) durante los primeros días de la comercialización de bases de datos relacionales. [95]

Fiabilidad de la caché de escritura

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

Véase también

Referencias

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Enlaces externos

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