CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament d’Arquitectura de

CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament d’Arquitectura de Computadors RAID - Tolerancia a Fallos Tecnología RAID (Redundant array of independent disks): Soluciones Tolerantes al Fallo (Seminaris de CASO) Autors 46689897 Javier Morueco Torrecillas [email protected]

¿Qué es RAID? Significa matriz redundante de discos independientes. RAID es un método de combinación de varios discos duros para formar una única unidad lógica en la que se almacenan los datos de forma redundante. Ofrece mayor tolerancia a fallos y más altos niveles de rendimiento que un sólo disco duro o un grupo de discos duros independientes. En este método, la información se reparte entre varios discos, usando técnicas como el entrelazado de bloques (RAID nivel 0) o la duplicación de discos (RAID nivel 1) para proporcionar redundancia, reducir el tiempo de acceso, y/o obtener mayor ancho de banda para leer y/o escribir, así como la posibilidad de recuperar un sistema tras la avería de uno de los discos. Un RAID, para el sistema operativo, aparenta ser un sólo disco duro lógico (LUN). Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 2

¿Qué es RAID? La tecnología RAID protege los datos contra el fallo de una unidad de disco duro. Si se produce un fallo, RAID mantiene el servidor activo y en funcionamiento hasta que se sustituya la unidad defectuosa. RAID ofrece varias opciones, llamadas niveles RAID, cada una de las cuales proporciona un equilibrio distinto entre tolerancia a fallos, rendimiento y coste. Todos los sistemas RAID suponen la pérdida de parte de la capacidad de almacenamiento de los discos, para conseguir la redundancia o almacenar los datos de paridad. Los sistemas RAID profesionales deben incluir los elementos críticos por duplicado: fuentes de alimentación y ventiladores redundantes y Hot Swap. De poco sirve disponer de un sistema tolerante al fallo de un disco si después falla por ejemplo una fuente de alimentación que provoca la caída del sistema. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 3

Ventajas de RAID Tolerancia a fallos: RAID protege contra la pérdida de datos Mejora del Rendimiento/ Velocidad: RAID permite a varias unidades trabajar en paralelo, lo que aumenta el rendimiento del sistema. Mayor Fiabilidad: RAID emplea dos técnicas para aumentar la fiabilidad: La redundancia de los datos implica el almacenamiento de los mismos datos en más de una unidad.Es muy eficaz pero también es muy costoso. La paridad de datos se realiza mediante un algoritmo matemático. Es menos costoso que la redundancia, ya que no requiere el uso de un conjunto redundante de unidades de disco. Alta Disponibilidad: Se divide en dos aspectos: La integridad de los datos , capacidad de obtener los datos adecuados en cualquier momento.Reparación dinámica de sectores (debidos a errores de software) La tolerancia a fallos capacidad para mantener los datos disponibles en caso de que se produzcan uno o varios fallos en el sistema. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 4

Tipos de RAID Existen dos tipos de tecnología RAID: basada en software y basada en hardware. Cada uno de ellos tiene sus ventajas y sus inconvenientes. A su vez, el RAID basado en hardware puede ser basado en host o RAID externo. La ventaja de los RAID basados en hardware es su independencia de la plataforma o sistema operativo, ya que son vistos por éste como un gran disco duro más, y además son mucho más rápidos, entre otras ventajas. Los sistemas RAID software no son implementaciones adecuadas en la mayoría de los casos, y cada vez son menos empleados. El software RAID puede ser una opción apropiada cuando el factor de decisión es el coste inicial. Sistemas operativos de redes como NetWare y Windows NT incluyen software RAID integrado. Todas las funciones RAID son manejadas por la CPU, lo que puede ralentizar en exceso otras aplicaciones. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 5

Tipos de RAID Las soluciones RAID dependen del software para controlar la matriz. Sin embargo, las matrices basadas en software ejecutan todos los comandos de E/S y los algoritmos con numerosas operaciones matemáticas en la CPU del host. Esto puede ralentizar el rendimiento del sistema, ya que aumenta el tráfico del bus PCI del host y la utilización de interrupciones de la CPU. El uso del software RAID puede degradar el rendimiento del sistema hasta un nivel en el que resulta más costoso actualizar. A diferencia de las matrices basadas en software, las que están basadas en hardware utilizan controladores RAID que se conectan a una ranura PCI del host. Con tan sólo una diferencia mínima de precio con respecto al coste del controlador que se necesita para el software RAID, el hardware RAID ofrece ventajas significativas en lo que respecta a: Rendimiento, Integridad de los datos,Gestión de matrices. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 6

Tipos de RAID El hardware RAID basado en host supone un mayor rendimiento que el RAID basado en software, sin embargo la solución más profesional y de gama alta es la solución hardware RAID externa. En este caso, las operaciones RAID se llevan a cabo mediante un controlador situado en el subsistema de almacenamiento RAID externo, que se conecta al servidor mediante un adaptador de bus de host SCSI o Fibre Channel. Las soluciones RAID externas son independientes del sistema operativo, aportan mayor flexibilidad y permiten crear sistemas de almacenamiento de gran capacidad para servidores de gama alta. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 7

Niveles de RAID La elección de los diferentes niveles de RAID va a depender de las necesidades del usuario en lo que respecta a factores como seguridad, velocidad, capacidad, coste, etc. Cada nivel de RAID ofrece una combinación específica de tolerancia a fallos (redundancia), rendimiento y coste, diseñadas para satisfacer las diferentes necesidades de almacenamiento. La mayoría de los niveles RAID pueden satisfacer de manera efectiva sólo uno o dos de estos criterios. No hay un nivel de RAID mejor que otro; cada uno es apropiado para determinadas aplicaciones y entornos informáticos. De hecho, resulta frecuente el uso de varios niveles RAID para distintas aplicaciones del mismo servidor. Oficialmente existen siete niveles diferentes de RAID (06), definidos y aprobados por el el RAID Advisory Board (RAB). Luego existen las posibles combinaciones de estos niveles (10, 50, .). Los niveles RAID 0, 1, 0 1 y 5 son los más populares. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 8

Niveles de RAID - RAID 0 RAID 0: Disk Striping "La más alta transferencia, pero sin tolerancia a fallos". También conocido como "separación ó fraccionamiento/ Striping". Los datos se desglosan en pequeños segmentos y se distribuyen entre varias unidades. Este nivel de "array" o matriz no ofrece tolerancia al fallo. El fallo de cualquier disco de la matriz tendría como resultado la pérdida de los datos y sería necesario restaurarlos desde una copia de seguridad. Por lo tanto, RAID 0 no se ajusta realmente al acrónimo RAID. Consiste en una serie de unidades de disco conectadas en paralelo que permiten una transferencia simultánea de datos a todos ellos, con lo que se obtiene una gran velocidad en las operaciones de lectura y escritura. La velocidad de transferencia de datos aumenta en relación al número de discos que forman el conjunto. Esto representa una gran ventaja en operaciones secuenciales con ficheros de gran tamaño. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 9

Niveles de RAID - RAID 0 Por lo tanto, este array es aconsejable en aplicaciones de tratamiento de imágenes, audio, video o CAD/CAM, es decir, almacenamiento a gran velocidad pero que no requiera tolerancia a fallos. Se necesita un mínimo de dos unidades de disco para implementar una solución RAID 0. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 10

Niveles de RAID - RAID 1 RAID 1: Mirroring "Redundancia. Igual de rápido, pero más seguro” También llamado "Mirroring" o "Duplicación" (Creación de discos en espejo). Se basa en la utilización de discos adicionales sobre los que se realiza una copia en todo momento de los datos que se están modificando. RAID 1 ofrece una excelente disponibilidad de los datos mediante la redundancia total de los mismos. Para ello, se duplican todos los datos de una unidad o matriz en otra. De esta manera se asegura la integridad de los datos y la tolerancia al fallo, pues en caso de avería, la controladora sigue trabajando con los discos no dañados sin detener el sistema. Los datos se pueden leer desde la unidad o matriz duplicada sin que se produzcan interrupciones. RAID 1 es una alternativa costosa para los grandes sistemas, ya que las unidades se deben añadir en pares para aumentar la capacidad de almacenamiento. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 11

Niveles de RAID - RAID 1 RAID 1 es una buena solución para las aplicaciones que requieren redundancia cuando hay sólo dos unidades disponibles. Los servidores de archivos pequeños son un buen ejemplo. Se necesita un mínimo de dos unidades para implementar una solución RAID 1. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 12

Niveles de RAID - RAID 0 1/10 RAID 0 1/ ó RAID 10: Combinación de los arrays anteriores que proporciona velocidad y tolerancia al fallo simultáneamente. Al ser una variedad de RAID híbrida, RAID 0 1 combina las ventajas de rendimiento de RAID 0 con la redundancia que aporta RAID 1. La principal desventaja es que requiere un mínimo de cuatro unidades y sólo dos de ellas se utilizan para el almacenamiento de datos. Las unidades se deben añadir en pares cuando se aumenta la capacidad, lo que multiplica por dos los costes de almacenamiento. Se pueden obtener las mismas ventajas utilizando RAID 5 a un precio más reducido. Sin embargo, RAID 0 1 es el que ofrece el rendimiento más alto de todos los niveles RAID y es el único de los niveles RAID que puede tolerar de forma simultánea fallos en varias unidades. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 13

Niveles de RAID - RAID 0 1/10 RAID 0 1 es una excelente solución para cualquier uso que requiera gran rendimiento y tolerancia a fallos, pero no una gran capacidad. Se utiliza normalmente en entornos como servidores de aplicaciones, que permiten a los usuarios acceder a una aplicación en el servidor y almacenar datos en sus discos duros locales, o como los servidores web, que permiten a los usuarios entrar en el sistema para localizar y consultar información. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 14

Niveles de RAID - RAID 5 RAID 5: "Comprobación y rapidez. Seguridad y velocidad. Acceso independiente con paridad distribuida.” Este array ofrece tolerancia al fallo, pero además, optimiza la capacidad del sistema permitiendo una utilización de hasta el 80% de la capacidad del conjunto de discos. Esto lo consigue mediante el cálculo de información de paridad y su almacenamiento alternativo por bloques en todos los discos del conjunto. Si cualquiera de las unidades de disco falla, se puede recuperar la información en tiempo real, sobre la marcha, mediante una simple operación de lógica de O exclusivo, sin que el servidor deje de funcionar. Así pues, para evitar el problema de cuello de botella que plantea el RAID 4 con el disco de comprobación, el RAID 5 no asigna un disco específico a esta misión sino que asigna un bloque alternativo de cada disco a esta misión de escritura. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 15

Niveles de RAID - RAID 5 Al distribuir la función de comprobación entre todos los discos, se disminuye el cuello de botella y con una cantidad suficiente de discos puede llegar a eliminarse completamente, proporcionando una velocidad equivalente a un RAID 0. RAID 5 es el nivel de RAID más eficaz y el de uso preferente para las aplicaciones de servidor básicas para la empresa. Comparado con otros niveles RAID con tolerancia a fallos, RAID 5 ofrece la mejor relación rendimiento-coste en un entorno con varias unidades. Este nivel de array es especialmente indicado para trabajar con sistemas operativos multiusuarios. Se necesita un mínimo de tres unidades para implementar una solución RAID 5. Su resultado óptimo de capacidad se obtiene con siete o más unidades. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 16

Niveles de RAID - RAID 5 RAID 5 es la solución más económica por megabyte, que ofrece la mejor relación de precio, rendimiento y disponibilidad para la mayoría de los servidores. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 17

Bibliografia www.monografias.com/trabajos6/sira/sira.shtml http://www.acnc.com/04 01 00.html http://www.espe.edu.ec/publicaciones/articulos/sistemas/ raid/raid.htm http://enete.us.es/docu enete/nt4/indice raid.asp Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 18

Anexo RAID 2: "Acceso paralelo con discos especializados. Redundancia a través del código Hamming” El RAID nivel 2 adapta la técnica usada para detectar y corregir errores en memorias de estado sólido. RAID 2 no ha sido a penas implementado en productos comerciales, lo que también es debido a que requiere características especiales en los discos y no usa discos estándares. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 19

Anexo RAID 3: "Acceso síncrono con un disco dedicado a paridad” Dedica un único disco al almacenamiento de información de paridad. La información de ECC (Error Checking and Correction) se usa para detectar errores. La operación I/O accede a todos los discos al mismo tiempo. Se necesita un mínimo de tres unidades para implementar una solución RAID 3. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 20

Anexo RAID 4: "Comprobación. Acceso Independiente con un disco dedicado a paridad.” Dedica un disco para guardar la información de paridad de los otros discos. Este nivel de RAID se implementa poco comercialmente. Se necesita un mínimo de tres unidades para implementar una solución RAID 4. La diferencia con el RAID 3 está en que se puede acceder a los discos de forma individual. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 21

Anexo RAID 6: "Acceso independiente con doble paridad” Similar al RAID 5, pero incluye un segundo esquema de paridad distribuido por los distintos discos. Tolerancia extremadamente alta a los fallos y a las caídas de disco, ofreciendo dos niveles de redundancia. Coste de implementación es mayor al de otros niveles RAID y controladoras más complejas y caras que las de otros niveles RAID. Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 22

Anexo RAID 7: Optimized Asynchrony for High I/O Rates as well as High Data Transfer Rates Characteristics/Advantages Overall write performance is 25% to 90% better than single spindle performance and 1.5 to 6 times better than other array levels Host interfaces are scalable for connectivity or increased host transfer bandwidth Write performance improves with an increase in the number of drives in the array Access times decrease with each increase in the number of actuators in the array No extra data transfers required for parity manipulation Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 23

Anexo Disadvantages One vendor proprietary solution Extremely high cost per MB Very short warranty Not user serviceable Power supply must be UPS to prevent loss of cache data Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 24

Anexo RAID 53: High I/O Rates and Data Transfer Performance Characteristics/Advantages RAID 53 should really be called "RAID 03” because it is implemented as a striped (RAID level 0) array whose segments are RAID 3 arrays RAID 53 has the same fault tolerance as RAID 3 as well as the same fault tolerance overhead High data transfer rates are achieved thanks to its RAID 3 array segments High I/O rates for small requests are achieved thanks to its RAID 0 striping Maybe a good solution for sites who would have otherwise gone with RAID 3 but need some additional performance boost Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 25

Anexo Disadvantages Very expensive to implement All disk spindles must be synchronized, which limits the choice of drives Byte striping results in poor utilization of formatted capacity Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 26

Anexo Acrónimos RAID Redundant Array of independent Disks SLED Single Large Expensive Disk HD Hard Disk MTBDL Mean Time before Data Loss MTBF Mean Time Between failures DSA Data Striping Without Parity MDA Mirrored Disk Array PDA Parallel Disk Array IDA Independient Disk Array Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 27

Anexo Maximas y minimas cantidades de Hd que se pueden ordenar para los diferentes niveles de RAID. Nivel de Raid 5 4 3 2 1 0 Minimo 3 3 3 N/A 2 2 Maximo 16 N/A N/A N/A 2 16 Seminaris de CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 28