MEMORIAS SECUNDARIAS DISCOS RAID

Transcripción

1 MEMORIAS SECUNDARIAS DISCOS RAID RAID es el acrónimo de Redundant Array of Independent Disks, lo que 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 agrupando varias unidades en un único sistema de almacenaje de manera robusta, o bien mejorar el rendimiento o la fiabilidad (recuperación de fallos), o las tres cosas. Veremos a continuación diferentes configuraciones que tratan de lograrlo. Se utilizan en sistemas que requieren alta fiabilidad y prestaciones, en sistemas de alta disponibilidad normalmente servidores o estaciones de trabajo, aunque también se pueden configurar en ordenadores personales de alta gama. La gestión del RAID se puede basar tanto en el hardware como en el software, presentándose en ambos casos ventajas e inconvenientes. Pasemos a ver a continuación distintas configuraciones de discos RAID 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, puesto que si falla uno de los discos físicos, falla todo el conjunto. Es la configuración menos robusta. En caso de pérdida de información, deberíamos recurrir a copias de seguridad externas. 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. La probabilidad de fallo del conjunto es el producto de las probabilidades de fallo de cada uno de los discos físicos espejo. 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. 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 simultáneamente 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 replicar la información en cada una de las copias. Está indicado 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 RAID 4 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 tampoco. También se conocen como IDA (acceso independiente). Similar a los dos anteriores, pero se divide la información a nivel de bloques. Como la información se transmite por bloques, en principio podrían trabajar cada disco de forma independiente, y se podrían servir varias lecturas simultáneamente si la controladora lo permite. 2

3 El sistema es bueno en cuanto a fiabilidad, ya que el disco de paridad permite recuperar errores. 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 esta capacidad. 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 en tiempo. Si falla un disco, se puede recuperar el error, solo 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, por lo que 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 información almacenada en la caché. 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. Se necesita un mínimo de 4 discos. 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 distribuidos. 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. Existen otras muchas posibles configuraciones RAID, aunque todas ellas están basadas en algunas de las ya vistas. Y también hay configuraciones propietarias, que tienen alguna peculiaridad especial. 4

5 QUÉ CONFIGURACIÓN RAID ELEGIR La elección de una configuración u otra debe evaluarse en cada caso real, pues depende de una serie de parámetros: Coste económico Exigencias de rendimiento Nivel de fiabilidad Requerimientos de capacidad Existen calculadoras online que nos facilitan el trabajo de simular diferentes configuraciones RAID, como por ejemplo, la RAID-Calculator y la de ICC que nos ofrece además una representación gráfica del diseño elegido: En el website de IDATA podemos encontrar una amplia variedad de soluciones hardware Y también tenemos la posibilidad de montar un sistema RAID por software mediante particiones en un único disco (o más de uno). En Windows todo esto se gestiona desde el Administrador de Discos. Para Linux, hay una utilidad muy conocida denominada mdam APÉNDICE AL TEMA: CÓDIGOS DE DETECCIÓN Y RECUPERACIÓN DE FALLOS Los 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. Como su nombre indica, permiten o bien solo señalar que se ha producido una corrupción en la información o incluso reparar el error y restablecer los datos a su estado original. PARIDAD SIMPLE O PARIDAD HORIZONTAL Consiste en añadir un bit a la cadena de bits que se desea almacenar o transmitir para que el número total de unos presentes 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. Si se detecta en un momento posterior la existencia de un número impar de unos, se sabe que algún bit ha bailado y la información por tanto está corrupta. En caso de una transmisión de datos, la detección de una violación de paridad implicaría una solicitud de reenvío. Como principal inconveniente de este método, si se produjeran dos cambios en un byte, el sistema no detectaría nada y la información permanecería errónea. Por otra parte, si aún 5

6 detectando un error no fuera posible o resultara muy costoso volver a obtener el dato original desde la fuente original, se produciría una pérdida irreparable, que en ciertos casos de exigencia de fiabilidad, podría resultar intolerable. CÓDIGO HAMMING Es un método general de detección y de corrección de errores. Es bastante costoso en nº de bits y en tiempo de cálculo, pero muy seguro. Por cada número de bits m existe un Código Hamming de 2 m -1 bits que contiene m bits de paridad y 2 m -1-m bits de información. A la variable m se la denomina distancia hamming 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. Por ejemplo, con m=3, tendríamos un Código Hamming de 23-1=7 bits que tendría 3 bits de paridad y 4 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. La proporción en el caso del ejemplo resulta muy costosa, pero el coste baja conforme crece la distancia hamming. 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 6

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 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 parcial, si ambos bits pertenecen al mismo grupo de paridad. Sin embargo no es posible que pase desapercibido globalmente, 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. Si fallara un solo bit, se puede saber cual es y por tanto se puede restaurar a su valor original. Si fallaran dos, sólo se puede detectar, pero para poder repararlo sería necesario utilizar el Código Hamming extendido, que implica más bits de paridad y una lógica computacional más compleja. Sólo se utiliza en sistemas que requieran una extrema seguridad. Como ya se ha indicado, el coste relativo en espacio de almacenamiento desciende si la distancia hamming y el número de bits totales aumenta, pero el coste computacional es elevado, y se ralentiza la velocidad de respuesta en cada interacción con los datos. 7