Niveles RAID no estándar

Si bien todas las implementaciones RAID difieren en cierta medida de la especificación, algunas empresas y proyectos de código abierto han desarrollado implementaciones RAID no estándar que difieren sustancialmente del estándar. Además, existen arquitecturas de unidades que no son RAID , las cuales ofrecen configuraciones de múltiples discos duros que no se identifican con las siglas RAID.

La paridad diagonal por filas (RDP) es un esquema donde un disco de paridad dedicado se encuentra en una "fila" horizontal, como en RAID 4 , mientras que la otra paridad dedicada se calcula a partir de bloques permutados ("diagonalmente"), como en RAID 5. La paridad puede estar dispuesta en discos totalmente dedicados (como en RAID 4 doble) o de forma distribuida (como en RAID 5). ^{[ 1 ]}

RDP fue inventado por NetApp , que también lo utiliza en un sistema inusual de almacenamiento de paridad llamado RAID-DP (RAID Double Parity). La paridad de "fila" se almacena en un disco dedicado como en RAID 4, pero la paridad "diagonal" se almacena de forma distribuida como en RAID 5. ^{[ 2 ] [ 3 ]} La técnica puede considerarse RAID 6 en la definición amplia de SNIA y tiene las mismas características de fallo que RAID 6. ^{[ 4 ]}

RDP es muy eficiente en el uso de CPU en comparación con esquemas anteriores (Reed-Solomon con o sin la optimización de Anvin, EVENODD). ^{[ 1 ]} La penalización de rendimiento de RAID-DP suele ser inferior al 2 % en comparación con una configuración RAID  4 similar. ^{[ 5 ]}

RAID 7.m se ha utilizado para describir un sistema de codificación de borrado con m unidades adicionales y capaz de tolerar la pérdida de m unidades. En este esquema, RAID 5 sería RAID 7.1 y RAID 6 sería RAID 7.2. ^{[ 6 ]} Alternativamente, RAID N+M se refiere a N unidades de datos regulares con M unidades de redundancia, capaces de recuperar todos los datos cuando falla cualquiera de las M unidades. ^{[ 7 ]}

Sistema de paridad general

Es posible admitir un número mucho mayor de impulsos eligiendo la función de paridad con más cuidado. El problema al que nos enfrentamos es asegurar que un sistema de ecuaciones sobre el campo finito${\displaystyle \mathbb {Z} _{2}}$tiene una solución única. Para ello, podemos utilizar la teoría de ecuaciones polinómicas sobre cuerpos finitos.

Consideremos el campo de Galois.${\displaystyle GF(m)}$con${\displaystyle m=2^{k}}$Este campo es isomorfo a un campo polinomial.${\displaystyle F_{2}[x]/(p(x))}$para un polinomio irreducible adecuado${\displaystyle p(x)}$de grado${\displaystyle k}$encima${\displaystyle \mathbb {Z} _{2}}$Representaremos los elementos de datos${\displaystyle D}$como polinomios${\displaystyle \mathbf {D} =d_{k-1}x^{k-1}+d_{k-2}x^{k-2}+...+d_{1}x+d_{0}}$en el campo de Galois. Deje${\displaystyle \mathbf {D} _{0},...,\mathbf {D} _{n-1}\in GF(m)}$corresponderán a las franjas de datos en los discos duros codificadas como elementos de campo de esta manera. Usaremos${\displaystyle \oplus }$para denotar la suma en el campo, y la concatenación para denotar la multiplicación. La reutilización de${\displaystyle \oplus }$es intencional: esto se debe a que la suma en el campo finito${\displaystyle \mathbb {Z} _{2}}$representa al operador XOR, por lo que calcular la suma de dos elementos es equivalente a calcular XOR sobre los coeficientes del polinomio.

Un generador de un campo es un elemento del campo tal que${\displaystyle g^{i}}$es diferente para cada no negativo${\displaystyle i<m-1}$. Esto significa cada elemento del campo, excepto el valor${\displaystyle 0}$, puede escribirse como una potencia de${\displaystyle g.}$Un cuerpo finito tiene garantizado tener al menos un generador. Elija uno de esos generadores.${\displaystyle g}$y definir${\displaystyle \mathbf {P} }$y${\displaystyle \mathbf {Q} }$como sigue:

${\displaystyle \mathbf {P} =\bigoplus _{i}{\mathbf {D} _{i}}=\mathbf {D} _{0}\;\oplus \;\mathbf {D} _{1}\;\oplus \;\mathbf {D} _{2}\;\oplus \;...\;\oplus \;\mathbf {D} _{n-1}}$

${\displaystyle \mathbf {Q} =\bigoplus _{i}{g^{i}\mathbf {D} _{i}}=g^{0}\mathbf {D} _{0}\;\oplus \;g^{1}\mathbf {D} _{1}\;\oplus \;g^{2}\mathbf {D} _{2}\;\oplus \;...\;\oplus \;g^{n-1}\mathbf {D} _{n-1}}$

Como antes, la primera suma de verificación${\displaystyle \mathbf {P} }$es simplemente el XOR de cada franja, aunque ahora se interpreta como un polinomio. El efecto de${\displaystyle g^{i}}$puede pensarse como la acción de un registro de desplazamiento de retroalimentación lineal cuidadosamente elegido sobre el bloque de datos. ^{[ 8 ]} A diferencia del desplazamiento de bits en el ejemplo simplificado, que solo podría aplicarse${\displaystyle k}$veces antes de que la codificación comenzara a repetirse, aplicando el operador${\displaystyle g}$Se garantiza que se producirá varias veces.${\displaystyle m=2^{k}-1}$funciones invertibles únicas, que permitirán una longitud de fragmento de ${\displaystyle k}$para soportar hasta${\displaystyle 2^{k}-1}$fragmentos de datos.

Si se pierde un fragmento de datos, la situación es similar a la anterior. En el caso de dos fragmentos de datos perdidos, podemos calcular las fórmulas de recuperación algebraicamente. Supongamos que${\displaystyle \mathbf {D} _{i}}$y${\displaystyle \mathbf {D} _{j}}$son los valores perdidos con${\displaystyle i\neq j}$, entonces, usando los otros valores de${\displaystyle D}$, encontramos constantes${\displaystyle A}$y${\displaystyle B}$:

${\displaystyle A=\mathbf {P} \;\oplus \;(\bigoplus _{\ell$ :\;\ell \not =i\;\mathrm {y} \;\ell \not =j}{D_{\ell }})=D_{i}\oplus D_{j}}

${\displaystyle B=\mathbf {Q} \;\oplus \;(\bigoplus _{\ell$ :\;\ell \not =i\;\mathrm {y} \;\ell \not =j}{g^{\ell }D_{\ell }})=g^{i}D_{i}\oplus g^{j}D_{j}}

Podemos resolverlo${\displaystyle D_{i}}$en la segunda ecuación y sustitúyala en la primera para encontrar ${\displaystyle D_{j}=(g^{m-i+j}\oplus 1)^{-1}(g^{m-i}B\oplus A)}$, y luego${\displaystyle D_{i}=A\oplus D_{j}}$.

A diferencia de P , el cálculo de Q es relativamente intensivo en CPU, ya que implica la multiplicación de polinomios en${\displaystyle F_{2}[x]/(p(x))}$Esto se puede mitigar mediante una implementación de hardware (ASIC o FPGA ).

Como alternativa, una ingeniosa selección de polinomios por parte de Anvin permite realizar cálculos rápidos en las CPU:${\displaystyle k=8}$,${\textstyle \mathbf {Q} =\bigoplus _{i}{2^{i}\mathbf {D} _{i}}.}$Esta construcción permite una implementación eficiente utilizando solo suma y multiplicación por dos en GF(2 ⁸ ) y abre la posibilidad de utilizar SSSE3 , AVX2 u otros métodos SIMD para implementar de manera eficiente. De manera similar, se podría definir${\textstyle \mathbf {R} =\bigoplus _{i}{2^{-}i\mathbf {D} _{i}}}$o${\textstyle \mathbf {R} =\bigoplus _{i}{4^{i}\mathbf {D} _{i}}}$.

Lamentablemente, las soluciones de matriz de Vandermonde de Anvin solo funcionan hasta la triple paridad; para más allá, se requiere una construcción de matriz de Cauchy . Los métodos SSSE3, AVX2 y otros métodos SIMD siguen siendo aplicables. ^{[ 9 ]}

RAID  5E, RAID  5EE y RAID 6E (donde la E  adicional significa Mejorado ) generalmente se refieren a variantes de RAID 5 o 6 con una unidad de reserva en caliente integrada , donde la unidad de reserva es una parte activa del esquema de rotación de bloques. Esto distribuye las operaciones de entrada/salida entre todas las unidades, incluida la de reserva, reduciendo así la carga en cada una y aumentando el rendimiento. Sin embargo, impide compartir la unidad de reserva entre múltiples matrices, lo cual a veces resulta conveniente. ^{[ 10 ]} 

Intel Matrix RAID (una característica de Intel Rapid Storage Technology ) es una función (no un nivel RAID) presente en los chipsets Southbridge ICH6R y posteriores de Intel, accesible y configurable a través de la utilidad de configuración RAID BIOS . Matrix RAID admite desde dos discos físicos hasta tantos como admita el controlador. La característica distintiva de Matrix RAID es que permite cualquier combinación de  volúmenes RAID 0, 1, 5 o 10 en la matriz, a la que se asigna una porción controlable (e idéntica) de cada disco. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

Por lo tanto, una matriz RAID puede mejorar tanto el rendimiento como la integridad de los datos . Un ejemplo práctico sería usar un pequeño  volumen RAID 0 (stripe) para el sistema operativo , los programas y los archivos de paginación; un segundo  volumen RAID 1 (mirror) más grande almacenaría los datos críticos. Linux MD RAID también es capaz de esto. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

El subsistema RAID por software proporcionado por el kernel de Linux , llamado md , admite la creación de matrices RAID 1+0 clásicas (anidadas)  y matrices RAID no estándar que utilizan una configuración RAID de un solo nivel con algunas características adicionales. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

La disposición estándar "cercana", en la que cada bloque se repite n veces en una matriz de franjas de k  vías, es equivalente a la disposición estándar RAID 10, pero no requiere que n divida exactamente a k . Por ejemplo, una disposición n² en dos, tres y cuatro unidades se vería así: ^{[ 16 ] [ 17 ]}

2 unidades 3 unidades 4 unidades -------- ---------- -------------- A1 A1 A1 A1 A2 A1 A1 A2 A2 A2 A2 A2 A3 A3 A3 A3 A4 A4 A3 A3 A4 A4 A5 A5 A5 A6 A6 A4 A4 A5 A6 A6 A7 A7 A8 A8 .. .. .. .. .. .. .. .. ..

El ejemplo de cuatro unidades es idéntico a una  matriz RAID 1+0 estándar, mientras que el ejemplo de tres unidades es una implementación por software de RAID  1E. El ejemplo de dos unidades es equivalente a RAID  1. ^{[ 17 ]}

El controlador también admite una disposición "lejana", en la que todas las unidades se dividen en f secciones. Todos los bloques se repiten en cada sección, pero se intercambian en grupos (por ejemplo, en pares). Por ejemplo, las disposiciones f 2 en matrices de dos, tres y cuatro unidades se verían así: ^{[ 16 ] [ 17 ]}

2 unidades 3 unidades 4 unidades -------- ------------ ------------------ A1 A2 A1 A2 A3 A1 A2 A3 A4 A3 A4 A4 A5 A6 A5 A6 A7 A8 A5 A6 A7 A8 A9 A9 A10 A11 A12 .. .. .. .. .. .. .. .. .. A2 A1 A3 A1 A2 A2 A1 A4 A3 A4 A3 A6 A4 A5 A6 A5 A8 A7 A6 A5 A9 A7 A8 A10 A9 A12 A11 .. .. .. .. .. .. .. .. ..

El diseño "Far" está diseñado para ofrecer rendimiento de segmentación en una matriz en espejo; las lecturas secuenciales pueden segmentarse, como en  las configuraciones RAID 0. ^{[ 18 ]} Las lecturas aleatorias son algo más rápidas, mientras que las escrituras secuenciales y aleatorias ofrecen una velocidad similar a otras configuraciones RAID en espejo. El diseño "Far" funciona bien para sistemas en los que las lecturas son más frecuentes que las escrituras, lo cual es un caso común. A modo de comparación, el RAID  1 estándar proporcionado por el software RAID de Linux no segmenta las lecturas, pero puede realizar lecturas en paralelo. ^{[ 19 ]}

El controlador md también admite un diseño "desplazado", en el que cada franja se repite o veces y se desplaza f (distantes) dispositivos. Por ejemplo, los diseños o 2 en matrices de dos, tres y cuatro unidades se organizan como: ^{[ 16 ] [ 17 ]}

2 unidades 3 unidades 4 unidades -------- ---------- --------------- A1 A2 A1 A2 A3 A1 A2 A3 A4 A2 A1 A3 A1 A2 A4 A1 A2 A3 A3 A4 A4 A5 A6 A5 A6 A7 A8 A4 A3 A6 A4 A5 A8 A5 A6 A7 A5 A6 A7 A8 A9 A9 A10 A11 A12 A6 A5 A9 A7 A8 A12 A9 A10 A11 .. .. .. .. .. .. .. .. ..

También es posible combinar diseños "cercanos" y "desplazados" (pero no "lejanos" y "desplazados"). ^{[ 17 ]}

En los ejemplos anteriores, k es el número de unidades, mientras que n# , f# y o# se dan como parámetros paramdadm's--disposiciónopción. RAID por software de Linux (del kernel de Linux)MarylandEl controlador también admite la creación de  configuraciones RAID estándar 0, 1, 4, 5 y 6. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Algunas implementaciones de RAID 1 tratan las matrices con más de dos discos de manera diferente, creando un nivel RAID no estándar conocido como RAID  1E . En esta configuración, el seccionamiento de datos se combina con la duplicación, replicando cada franja escrita en uno de los discos restantes de la matriz. La capacidad útil de una  matriz RAID 1E es el 50 % de la capacidad total de todas las unidades que la componen; si se utilizan unidades de diferentes tamaños, solo se utilizan las porciones iguales al tamaño del miembro más pequeño en cada unidad. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Una de las ventajas de RAID  1E sobre  los pares duplicados RAID 1 habituales es que el rendimiento de las operaciones de lectura aleatoria se mantiene por encima del rendimiento de una sola unidad incluso en una matriz degradada. ^{[ 22 ]}

El sistema de archivos ZFS proporciona RAID-Z , un esquema de distribución de datos/paridad similar a RAID 5 , pero que utiliza un ancho de banda dinámico: cada bloque es su propia banda RAID, independientemente del tamaño del bloque, lo que resulta en que cada escritura en RAID-Z sea una escritura de banda completa. Esto, combinado con la semántica transaccional de copia en escritura de ZFS, elimina el error de escritura de hueco . RAID-Z también es más rápido que el RAID  5 tradicional porque no necesita realizar la secuencia habitual de lectura-modificación-escritura . RAID-Z no requiere ningún hardware especial, como NVRAM para la fiabilidad, o almacenamiento en búfer de escritura para el rendimiento. ^{[ 24 ]}

Dada la naturaleza dinámica del ancho de banda de RAID-Z, la reconstrucción de RAID-Z debe recorrer los metadatos del sistema de archivos para determinar la geometría real de RAID-Z. Esto sería imposible si el sistema de archivos y la matriz RAID fueran productos separados, mientras que se vuelve factible cuando existe una visión integrada de la estructura lógica y física de los datos. Recorrer los metadatos significa que ZFS puede validar cada bloque con su suma de verificación de 256 bits a medida que avanza, mientras que los productos RAID tradicionales generalmente no pueden hacer esto. ^{[ 24 ]}

Además de gestionar fallos de disco completos, RAID-Z también puede detectar y corregir la corrupción silenciosa de datos , ofreciendo "datos autorreparables": al leer un bloque RAID-Z, ZFS lo compara con su suma de comprobación y, si los discos de datos no devuelven la respuesta correcta, ZFS lee la paridad y determina qué disco devolvió datos erróneos. A continuación, repara los datos dañados y devuelve datos correctos al solicitante. ^{[ 24 ]}

Existen cinco modos RAID-Z diferentes: RAID-Z0 (similar a RAID  0, no ofrece redundancia), RAID-Z1 (similar a RAID  5, permite que falle un disco), RAID-Z2 (similar a RAID  6, permite que fallen dos discos), RAID-Z3 (una configuración RAID  7.3 ^{[ a ]} , permite que fallen tres discos) y espejo (similar a RAID  1, permite que fallen todos los discos excepto uno). ^{[ 25 ]}

Windows Home Server Drive Extender es un caso especializado de JBOD RAID  1 implementado a nivel del sistema de archivos . ^{[ 26 ]}

Microsoft anunció en 2011 que Drive Extender ya no se incluiría en Windows Home Server versión 2, Windows Home Server 2011 (nombre en clave VAIL). ^{[ 27 ]} Como resultado, un proveedor externo ha intentado llenar el vacío dejado por DE. Entre los competidores se encuentran Division M, los desarrolladores de Drive Bender, y DrivePool de StableBit. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

BeyondRAID no es una extensión RAID propiamente dicha, sino que consolida hasta 12 discos duros SATA en un único grupo de almacenamiento. ^{[ 30 ]} Tiene la ventaja de admitir varios tamaños de disco a la vez, al igual que JBOD, a la vez que proporciona redundancia para todos los discos y permite una actualización en caliente en cualquier momento. Internamente utiliza una combinación de técnicas similares a RAID  1 y 5. Dependiendo de la fracción de datos en relación con la capacidad, puede sobrevivir hasta a tres fallos de disco, si el "array" se puede restaurar en los discos restantes en buen estado antes de que falle otro disco. La cantidad de almacenamiento utilizable se puede aproximar sumando las capacidades de los discos y restando la capacidad del disco de mayor capacidad. Por ejemplo, si se instalaran discos de 500, 400, 200 y 100 GB, la capacidad utilizable aproximada sería 500 + 400 + 200 + 100 − 500 = 700 GB de espacio utilizable. Internamente, los datos se distribuirían en dos matrices tipo RAID 5 y dos conjuntos tipo RAID 1:    

 Unidades de conducción | 100 GB | | 200 GB | | 400 GB | | 500 GB | ---------- | x | espacio inutilizable (100 GB) ---------- ---------- ---------- | A1 | | A1 | Conjunto RAID 1 (2 × 100 GB) ---------- ---------- ---------- ---------- | B1 | | B1 | Conjunto RAID 1 (2 × 100 GB) ---------- ---------- ---------- ---------- ---------- | C1 | | C2 | | Cp | Matriz RAID 5 (3 × 100 GB) ---------- ---------- ---------- ---------- ---------- ---------- ---------- | D1 | | D2 | | D3 | | dp | Matriz RAID 5 (4 × 100 GB) ---------- ---------- ---------- ---------- 

BeyondRaid ofrece una función similar a RAID 6 y puede realizar compresión basada en hash utilizando hashes SHA-1  de 160 bits para maximizar la eficiencia del almacenamiento. ^{[ 31 ]}

Unraid es un sistema operativo propietario basado en Linux optimizado para el almacenamiento de archivos multimedia. ^{[ 32 ]} Desafortunadamente, Unraid no proporciona información sobre su tecnología de almacenamiento, pero algunos dicen que su matriz de paridad es una reescritura del módulo mdadm.

Entre sus desventajas se incluyen el código fuente cerrado, el precio elevado , un rendimiento de escritura más lento que el de un solo disco y cuellos de botella al escribir en varias unidades simultáneamente. Sin embargo, Unraid admite un grupo de caché que puede acelerar drásticamente el rendimiento de escritura. Los datos del grupo de caché se pueden proteger temporalmente mediante Btrfs RAID 1 hasta que Unraid los mueva a la matriz según una programación definida en el software. 

Entre las ventajas se incluyen un menor consumo de energía que los niveles RAID estándar, la capacidad de utilizar varios discos duros de diferentes tamaños a su máxima capacidad y, en caso de fallos simultáneos de varios discos duros (que superen la redundancia), solo se pierden los datos almacenados en los discos duros averiados, a diferencia de los niveles RAID estándar que ofrecen segmentación, en cuyo caso se pierden todos los datos de la matriz cuando fallan más discos duros de los que la redundancia puede gestionar. ^{[ 33 ]}

En OpenBSD , CRYPTO es una disciplina de cifrado para el subsistema softraid. Cifra los datos en un único bloque para garantizar la confidencialidad de los datos. CRYPTO no proporciona redundancia. ^{[ 34 ]} RAID 1C proporciona tanto redundancia como cifrado. ^{[ 34 ]}

Algunos sistemas de archivos, como Btrfs ^{[ 35 ]} y ZFS/OpenZFS (con la propiedad copies=1|2|3 por conjunto de datos) ^{[ 36 ]} , admiten la creación de múltiples copias de los mismos datos en una sola unidad o grupo de discos, protegiendo contra sectores defectuosos individuales, pero no contra un gran número de sectores defectuosos o la falla total de la unidad. Esto permite aprovechar algunas de las ventajas de RAID en equipos que solo admiten una unidad, como las computadoras portátiles.

RAID de paridad desagrupada ^{[ 37 ]} permite matrices de discos de tamaño arbitrario, reduciendo la sobrecarga para los clientes al recuperarse de fallos de disco. Distribuye uniformemente los datos de usuario, la información de redundancia y el espacio libre entre todos los discos de una matriz desagrupada. En RAID tradicional, un sistema de almacenamiento de disco completo , por ejemplo, de 100 discos, se dividiría en múltiples matrices, cada una de ellas de, por ejemplo, 10 discos que contienen 8 bloques de datos y 2 de paridad. Por el contrario, en RAID de paridad desagrupada, todo el sistema de almacenamiento se utiliza para crear una sola matriz. Cada bloque de datos y de paridad se escribe en una unidad diferente, como en RAID-5/6 estándar, pero los datos lógicamente adyacentes y su redundancia se pueden distribuir arbitrariamente entre diferentes unidades dentro de la matriz (aunque se puede mantener lineal para alguna región para evitar la búsqueda de operaciones de lectura/escritura secuenciales). Cuando falla un disco, los datos faltantes se reconstruyen utilizando todos los discos operativos de la matriz, cuyo ancho de banda es mayor que el de los discos de un grupo RAID convencional. Además, si se produce un fallo adicional en un disco durante la reconstrucción, el número de pistas afectadas que requieren reparación es notablemente menor que en el caso del fallo anterior y menor que la sobrecarga constante de reconstrucción de una matriz convencional. La reducción del impacto de la reconstrucción sin clúster y la sobrecarga del cliente pueden ser de tres a cuatro veces menores que en una RAID convencional, y esta reducción aumenta con el número de unidades en la matriz. El rendimiento del sistema de archivos depende menos de la velocidad de cualquier matriz de almacenamiento en reconstrucción individual.

El RAID de paridad desagrupada es utilizado por muchos proveedores de matrices RAID de alto rendimiento, incluidos IBM, ^{[ 38 ]} , Data Direct Networks DCR, ^{[ 39 ] [ 40 ]} y otros.

El agrupamiento dinámico de discos (DDP), también conocido como D-RAID, mantiene el rendimiento incluso cuando fallan hasta 2 unidades simultáneamente. ^{[ 41 ]} DDP es un tipo de RAID desagrupado de alto rendimiento. ^{[ 42 ]}

• Niveles RAID anidados
• Niveles RAID estándar

• Cómo construir un servidor utilizando componentes empresariales