DISCOS RAID. Se considera que todos los discos físicos tienen la misma capacidad, y de no ser así, en el que sea mayor se desperdicia la diferencia.

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1 DISCOS RAID Raid: redundant array of independent disks, quiere decir conjunto redundante de discos independientes. Es un sistema de almacenamiento de datos que utiliza varias unidades físicas para guardar la información lógica, distribuyéndola y/o replicándola. Normalmente se trata de discos duros, pero también podrían ser ssd. El objetivo de un raid es o bien aumentar la capacidad de almacenamiento, o bien mejorar el rendimiento o la fiabilidad, o las tres cosas. Veremos a continuación diferentes configuraciones que tratan de lograrlo. Se utilizan en ordenadores que requieren alta fiabilidad y prestaciones, normalmente servidores o estaciones de trabajo, aunque tambien se pueden configurar en ordenadores personales de alta gama. La gestion del raid se puede basar tanto en el hardware como en el software, presentánose en ambos casos ventajas e inconvenientes. RAID 0 Los datos se distribuyen en dos o más discos con objeto, o bien de aumentar el rendimiento o bien de generar un disco virtual muy grande a partir de un número de discos de menor capacidad. Se considera que todos los discos físicos tienen la misma capacidad, y de no ser así, en el que sea mayor se desperdicia la diferencia. No incluyen ningún tipo de redundancia en los datos ni controles de paridad, por lo que tienen muy baja tolerancia a fallos. Además, el mtbf (tiempo medio entre fallos) es inversamente proporcional al número de discos, pues si falla uno de los discos físicos, falla todo el conjunto. 1

2 RAID 1 Consiste en tener dos discos (ó 4 ó 6) de manera que cada disco físico tiene un duplicado llamado espejo o mirror. El punto fuerte de esta disposición es la fiabilidad, pues si falla uno de los discos, hay un duplicado exacto con el que se puede seguir trabajando con normalidad. La probabilidad de fallo del conjunto es el producto de las probabilidades de fallo de cada uno de los discos físicos. Su principal inconveniente es el coste. El rendimiento en las lecturas se multiplica en función del número de copias, ya que con dos discos se puede leer simultánemente desde los dos. Se tendrían incluso dos controladoras de disco independientes. En la escritura se mantienen los tiempos sin mejora, ya que escribir en uno de los discos implica tener que duplicar la información en cada una de las copias. Se utiliza en aquellas situaciones en las que la tolerancia a fallos es crítica. RAID 2 Se usa muy poco en la práctica. Consiste en dividir la información a nivel de bits y tener un disco de paridad dedicado con uso de código hamming para la corrección de errores. No tiene un buen rendimiento, se producen cuellos de botella y no se pueden paralelizar operaciones. RAID 3 De manera análoga al anterior, divide la información, pero a nivel de byte y tiene discos dedicados a la paridad. La controladora sincroniza los discos y permite un nivel de transferencia alto, pero ni en este ni en el anterior se pueden simultanear operaciones de lectura de datos. Actualmente no se usa. RAID 4 También se conocen como ida (acceso independiente). Similar a los dos anteriores, pero dividiendo la información a nivel de bloques. Como la información se transmite por bloques, en principio podrían trabajar cada disco independientemente, y se pueden servir varias lecturas simultaneamente si la controladora lo permite. 2

3 El principal problema que comparte con los raid 2 y 3 es que si el disco que falla es el que contiene la información redundante, se pierde la capacidad de recuperación de errores. RAID 5 Se dividen los datos a nivel de bloque como en la anterior, pero se distribuye también la paridad entre todos los discos del conjunto. Al grupo de todos los bloques que pertenecen al mismo nivel horizontal, se le llama stripe. Es relativamente barato en relación con la redundancia, ya que implementa un sistema hardware para el cálculo de la paridad. Se necesitan al menos 3 discos Cada vez que se escribe un bloque de datos o se modifica algún dato del bloque, se recalcula la paridad y se vuelve a escribir en el bloque de paridad del stripe. La escritura por tanto resulta costosa. Si falla un disco, se puede recuperar el error, si fallan dos, la perdida de datos es total. El rendimiento no es bueno en caso de que el número de escrituras menores al tamaño de un bloque sea elevada, ya que la paridad debe ser recalculada. Se suelen utilizar caches para mejorar el rendimiento Si se produce un fallo durante un proceso de escritura sin haberse calculado la paridad y haberse grabado se produce un error denominado agujero de escritura, que se solventa con la concurrencia de cachés. RAID 6 Supone una ampliación del raid 5, con otro control de paridad secundario, distribuyéndose estos dos niveles de paridad entre todos los discos del conjunto. Es ineficiente si se usa un número reducido de discos, debido a la alta redundancia incluida, pero a medida que el número aumenta, lo hace el rendimiento, aunque también la probabilidad de que fallen dos discos simultáneamente. La lectura no está penalizada, pero la escritura sí debido a los cálculos necesarios para mantener la paridad. Resulta lento y muy caro. Apenas se implementa. 3

4 RAID 10 Es en realidad un raid 1+0. Se trata de una construcción en dos niveles. En el primer nivel, el nivel 1, se duplican los datos, mientras que en el nivel 0 se produce una repartición de la información entre 2 ó más discos. En cada división raid 1 pueden fallar todos los discos menos uno sin que se produzca pérdida, ya que todos son espejos. Si el único que no falla no se reemplazara, éste sería el punto débil del sistema. No incluye mecanismos de paridad adicionales, por lo que tiene un alto rendimiento, pero si lo que se quiere es una mayor fiabilidad, se suelen mejorar con configuraciones híbridas, como el 0+1+5, con paridad única ó con paridad doble. RAID 30 Supone una combinación de raid 3 y raid 0. Tiene un rendimiento elevado y una alta fiabilidad, pero es caro. Se suelen combinar dos conjuntos raid 3 con los datos distribuido. Se necesitan como mínimo 6 discos. RAID 50 Combina división a nivel de bloques típica de raid 0 con control de paridad distribuida propio de raid 5. Se permite que falle un disco de cada conjunto raid 5 sin pérdida de información Se necesitan al menos 6 discos, y según la configuración, la tolerancia a fallos es mayor o menor Tiene mejor rendimiento que el raid 5, y mejor tolerancia a fallos que un raid de un nivel y se usa en situaciones que necesiten una gran tolerancia a fallos, capacidad y rendimiento. 4

5 Existen otras muchas configuraciones raid, y todas ellas están basadas en algunas de las ya vistas. También hay configuraciones propietarias, que tienen alguna peculiaridad especial. APÉNDICE: CÓDIGOS DE DETECCIÓN Y RECUPERACIÓN DE FALLOS Son técnicas que permiten mantener la integridad de la información binaria cuando es almacenada en un dispositivo o transmitida por un canal de comunicaciones. PARIDAD SIMPLE O PARIDAD HORIZONTAL Consiste en añadir un bit a la cadena de bits que se desea almacenar o transmitir para que Es un método general de detección y corrección de errores. Es costoso en nº de bits y en tiempo de cálculo, pero muy seguro. Por cada número entero m existe un código de hamming de 2 m -1 bits que contiene m bits de paridad y 2 m -1-m bits de información. En este código, los bits de paridad y los bits de información se encuentran entremezclados de la siguiente forma: Si se numeran las posiciones de los bits desde 1 hasta 2 m -1, los bits en la posición 2 k, siendo k un número entre 1 y m, son los bits de paridad y los bits restantes son bits de información. El valor de cada bit de paridad se escoge de modo que el total de unos en un número específico de bits sea par, y estos grupos se escogen de tal forma que ningún bit de información se cubra con la misma combinación de bits de paridad. Es lo anterior lo que proporciona al código su capacidad de corrección. Veámoslo mejor en un ejemplo:el total de unos sea par. Generalmente el bit de paridad acompaña a un grupo de 7 bits de datos, formando un byte en total. Por ejemplo, si la cadena que hay que almacenar es : X Se añade en la posición X un bit para que el total de unos sea par, en este caso, un 0. Este sistema permite detectar la existencia de un número impar de cambios en los datos, pero enmascara los cambios que se producen por pares. Tampoco permite conocer cual es el bit erróneo, por lo que el dato se corrompe. 5

6 CÓDIGO HAMMING Es un método general propuesto por R. W Hamming usando una distancia mínima m. Con este método, por cada entero m existe un código de hamming de 2 m -1 bits que contiene m bits de paridad y 2 m -1-m bits de información. En este código, los bits de paridad y los bits de datos se encuentran entremezclados de la siguiente forma: Si se numeran las posiciones de los bits desde 1 hasta 2 m -1, los bits en la posición 2 k, donde, son los bits de paridad y los bits restantes son bits de información. El valor de cada bit de paridad se escoge de modo que el total de unos en un número específico de bits sea par, y estos grupos se escogen de tal forma que ningún bit de información se cubra con la misma combinación de bits de paridad. Es lo anterior lo que proporciona al código su capacidad de corrección x x x x x x x x x x x x Si la distancia hamming es de 3, tendremos 3 bits de paridad y de datos, esto es, 4. Los bits de paridad están en las posiciones 1, 2 y 4, que son las potencias de dos que están entre 1 y Cada bit de paridad corresponde con el grupo de bits marcados con una x, por lo que: el de la posición 1, corresponde a los bits 3,5 y 7 el de la posición 2, a los bits 3, 6 y 7 el de la posición 4, a los bits 5, 6 y 7 Como 111 es la representación binaria de 7, el bit de información en la posición 7 se usa para calcular el valor de los tres bits de paridad. Similarmente, el bit de información en la posición 6 se usa para calcular el valor de los bits de paridad en las posiciones 4 y 2; el bit de información en la posición 5 se usa se usa para calcular el valor de los bits de paridad en las posiciones 4 y 1. Finalmente, el bit de información en la posición 3 se usa para calcular el valor de los bits de paridad en las posiciones 2 y 1. De acuerdo con estos grupos de paridad, el valor del bit de paridad de la posición 1 tiene que elegirse de modo que el número de unos en las posiciones 7, 5, 3, 1 sea par, mientras el bit de paridad en la posición 2 hace el número de unos par 7, 6, 3, 2 y el valor del bit de paridad en la posición cuatro hace el número de unos par en las posiciones 7, 6, 5, 4. Es fácil observar que, en estas condiciones, la distancia mínima es 3, o sea que tienen que haber al menos tres cambios de un bit para convertir una palabra de código en otra. Para probar que un cambio de un bit siempre genera una palabra que no pertenece al código, hay 6

7 que observar que un cambio de un bit en una palabra del código afecta al menos un bit de paridad. Por otra parte, un cambio de dos bits en una palabra del código no cambia el valor del bit de paridad si ambos bits pertenecen al mismo grupo de paridad. Sin embargo ello no es posible ya que para dos posiciones cualquiera de una palabra del código siempre hay un grupo de paridad que no incluye ambas posiciones. En otras palabras, como dos bits cualquiera deben estar en distintas posiciones, sus números binarios deben diferir al menos en un bit, así que siempre hay al menos un grupo de paridad con un solo bit cambiado, lo cuál da lugar a una palabra que no pertenece al código con al menos un valor de paridad incorrecto. 7

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