Tecnologia RAID

Tecnologia RAID (Redundant Array of Independent Disks), também conhecido como “Redundant Array of Inexpensive Disks”, “Conjunto Redundante de Discos Independentes”, “Conjunto Redundante de Discos Econômicos” ou “Arranjo Redundante de Discos Independentes”, é um método de criar um subsistema de armazenamento composto por vários discos individuais, com o objetivo de aumentar a segurança e o desempenho.

RAID consiste em dois ou mais discos rígidos operando simultaneamente para um propósito comum, como um espelhamento simples, rápido e confiável entre dois discos, permitindo o backup de um disco no outro.

Embora o RAID ofereça segurança e confiabilidade ao adicionar redundância e prevenir falhas de discos, ele não protege contra falhas de energia ou erros operacionais. Falhas de energia, códigos de núcleo incorretos ou erros operacionais podem causar danos irreversíveis aos dados.

O conceito de RAID foi proposto em 1988 por David A. Patterson, Garth A. Gibson e Randy H. Katz na publicação “A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID)”, apresentada na Conferência SIGMOD de 1988: pp. 109–116.

As vantagens do RAID são:

– Ganho de desempenho no acesso;

– Redundância em caso de falha em um dos discos;

– Uso múltiplo de várias unidades de discos;

– Facilidade em recuperação de conteúdo “perdido”;

– Aumento de Segurança.

Na implementação via software, o sistema operacional gerencia o RAID através da controladora de discos, sem a necessidade de um controlador de RAIDs, tornando-a mais barata.

Nesse tipo de implementação, todo o processamento necessário para o gerenciamento do RAID é feito pela CPU. Toda movimentação de dados(leitura e escrita) é feita por uma camada de software que faz a abstração entre a operação lógica (RAID) e os discos físicos, e é controlada pelo sistema operacional.

A configuração do RAID via software é feita pelo sistema operacional, que precisa ter implementado no próprio núcleo a utilização de RAIDs via software. É possível criar RAIDs via software no Mac OS X, Linux, FreeBSD, OpenBSD e no Windows Server.

Alternativamente, podem ser criados com algum software especialmente dedicado a manutenção de discos rígidos do fabricante da placa-mãe (quando há suporte para RAID).

Controladoras RAID em hardware usam layouts de disco proprietários (e diferentes). Por isso, normalmente não é possível misturar controladoras de fabricantes diferentes.

Eles não utilizam recursos do processador. O BIOS (Basic Input/Output System) pode dar boot (iniciar) por ela, e uma integração maior com o driver de dispositivo pode oferecer um melhor tratamento de erros.

Na implementação de RAID via hardware, é requerido, pelo menos, uma controladora especialmente dedicada para isso. Em uma estação de trabalho (PC comum) isso pode ser uma placa de expansão PCI, PCI-e ou uma placa integrada à placa-mãe.

Controladoras utilizando a maioria dos tipos de drive podem ser usadas – IDE/ATA, Serial ATA, SCSI, SSA, Fibre Channel, e às vezes uma combinação.

A controladora e os discos utilizados devem estar isolados. Podem estar conectados diretamente ao computador, ou conectados via SAN. A controladora gerencia os drives e faz os cálculos de paridade necessários pelo nível de RAID escolhido.

RAID 1:

RAID-1 é o nível de RAID que implementa o espelhamento de disco, também conhecido como mirror. Para esta implementação são necessários no mínimo dois discos.

O funcionamento deste nível é simples: todos os dados são gravados em dois discos diferentes; se um disco falhar ou for removido, os dados preservados no outro disco permitem a não descontinuidade da operação do sistema.

RAID 2:

O RAID 2 surgiu no final dos anos 1980, onde os HDs não possuíam checagem de erros. Assim, pode-se dizer que o RAID 2 é similar ao RAID 4, mas possuindo algoritmos de Hamming ECC (Error Correcting Code), que é a informação de controle de erros, no lugar da paridade.

Além disso, pode-se ter várias configurações, como 10 discos normais + 4 discos somente para ECC. Este fato possibilita uma protecção adicional, porém o RAID 2 ficou obsoleto pelas novas tecnologias de disco já possuírem este tipo de correcção internamente.

O RAID 2 origina uma maior consistência dos dados se houver queda de energia durante a escrita. Baterias de segurança e um encerramento correto podem oferecer os mesmos benefícios.

RAID 3:

O RAID 3 é uma versão simplificada do RAID nível 2. Nesse arranjo, um único bit de paridade é computado para cada palavra de dados e escrito em um drive de paridade. À primeira vista, pode parecer que um único bit de paridade dá somente detecção de erro, e não correção de erro.

Para o caso de erros aleatórios não detectados, essa observação é verdadeira. Todavia, para o caso de uma falha de drive, ela provê correção total de erros de um bit, uma vez que a posição do bit defeituoso é conhecida.

Se um drive falhar, o controlador apenas finge que todos os seus bits são “zeros”. Se uma palavra apresentar erro de paridade, o bit que vem do drive extinto deve ter sido um “um”, portanto, é corrigido.

A fim de evitar o atraso em razão da latência rotacional, o RAID 3 exige que todos os eixos das unidades de disco estejam sincronizados.

A maioria das unidades de disco mais recentes não possuem a opção de sincronização do eixo, ou se são capazes disto, faltam os conectores necessários, cabos e documentação do fabricante.

RAID 4:

O RAID 4 funciona com três ou mais discos iguais. Um dos discos guarda a paridade (uma forma de soma de segurança) da informação contida nos discos.

Se algum dos discos avariar, a paridade pode ser imediatamente utilizada para reconstituir o seu conteúdo.

Os discos restantes, usados para armazenar dados, são configurados para usarem segmentos suficientemente grandes (tamanho medido em blocos) para acomodar um registro inteiro.

Isto permite leituras independentes da informação armazenada, fazendo do RAID 4 um array perfeitamente ajustado para ambientes transacionais que requerem muitas leituras pequenas e simultâneas.

O RAID 4, assim como outros RAID’s, cuja característica é utilizarem paridade, usam um processo de recuperação de dados mais envolvente que arrays espelhados, como RAID 1.

Este nível também é útil para criar discos virtuais de grande dimensão, pois consegue somar o espaço total oferecido por todos os discos, exceto o disco de paridade.

O desempenho oferecido é razoável nas operações de leitura, pois podem ser utilizados todos os discos em simultâneo.

Sempre que os dados são escritos no array, as informações são lidas do disco de paridade e um novo dado sobre paridade deve ser escrito para o respectivo disco antes da próxima requisição de escrita ser realizada.

Por causa dessas duas operações de I/O, o disco de paridade é o factor limitante do desempenho total do array. Devido ao facto do disco requerer somente um disco adicional para protecção de dados, este RAID é mais acessível em termos monetários que a implementação do RAID 1.

RAID 5:

O RAID 5 é frequentemente usado e funciona similarmente ao RAID 4, mas supera alguns dos problemas mais comuns sofridos por esse tipo.

As informações sobre paridade para os dados do array são distribuídas ao longo de todos os discos do array, ao invés de serem armazenadas num disco dedicado, oferecendo assim mais desempenho que o RAID 4, e, simultaneamente, tolerância a falhas.

Para aumentar o desempenho de leitura de um array RAID 5, o tamanho de cada segmento em que os dados são divididos pode ser optimizado para o array que estiver a ser utilizado.

O desempenho geral de um array RAID 5 é equivalente ao de um RAID 4, exceto no caso de leituras sequenciais, que reduzem a eficiência dos algoritmos de leitura por causa da distribuição das informações sobre paridade.

A informação sobre paridade é distribuída por todos os discos; perdendo-se um, reduz-se a disponibilidade de ambos os dados e a paridade, até à recuperação do disco que falhou. Isto causa degradação do desempenho de leitura e de escrita.

RAID 6:

É um padrão relativamente novo, suportado por apenas algumas controladoras. É semelhante ao RAID 5, porém usa o dobro de bits de paridade, garantindo a integridade dos dados caso até 2 dos HDs falhem ao mesmo tempo. Ao usar 8 HDs de 20 GB cada um, em RAID 6, teremos 120 GB de dados e 40 GB de paridade.

RAID 01 ou RAID 0 (zero) + 1:

O RAID 0 + 1 é uma combinação dos níveis 0 (Striping) e 1 (Mirroring), onde os dados são divididos entre os discos para melhorar o rendimento, mas também utilizam outros discos para duplicar as informações.

Assim, é possível utilizar o bom rendimento do nível 0 com a redundância do nível 1. No entanto, é necessário pelo menos 4 discos para montar um RAID desse tipo. Tais características fazem do RAID 0 + 1 o mais rápido e seguro, porém o mais caro de ser implantado.

No RAID 0+1, se um dos discos vier a falhar, o sistema vira um RAID 0.

Ex: se os dois discos que possuam a sequencia A1, A3, A5 falharem ao mesmo tempo, haverá perda de dados. Se apenas uma das controladoras falhar, o sistema continua funcionando, mas sem outra tolerância a falha e sem o ganho de velocidade.

RAID 1+0:

O RAID 1+0, ou 10, exige ao menos 4 discos rígidos. Cada par será espelhado, garantindo redundância, e os pares serão distribuídos, melhorando desempenho.

Até metade dos discos pode falhar simultaneamente, sem colocar o conjunto a perder, desde que não falhem os dois discos de um espelho qualquer — razão pela qual usam-se discos de lotes diferentes de cada ‘lado’ do espelho.

É o nível recomendado para bases de dados, por ser o mais seguro e dos mais velozes, assim como qualquer outro uso onde a necessidade de economia não se sobreponha à segurança e desempenho.

RAID 50:

É um arranjo híbrido que usa as técnicas de RAID com paridade em conjunção com a segmentação de dados. Um arranjo RAID-50 é essencialmente um arranjo com as informações segmentadas através de dois ou mais arranjos.

RAID 100:

O RAID 100 basicamente é composto do RAID 10+0. Normalmente ele é implementado utilizando uma combinação de software e hardware, ou seja, implementa-se o RAID 0 via software sobre o RAID 10 via Hardware.

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