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RAID

RAID es un método de almacenamiento de datos informáticos que coordina la escritura de datos en varios dispositivos de almacenamiento secundario . En lugar de almacenar todos lo...

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RAID es un método de almacenamiento de datos informáticos que coordina la escritura de datos en varios dispositivos de almacenamiento secundario . En lugar de almacenar todos los datos en un único disco duro o unidad de estado sólido , RAID coordina dos o más de estos dispositivos en una matriz de discos . Cuando el ordenador escribe datos en el almacenamiento secundario, el sistema RAID los distribuye entre la matriz. Existen varias formas posibles de hacerlo, y estas configuraciones se denominan niveles RAID .

Los niveles RAID se distinguen por la cantidad de redundancia que ofrecen y el número mínimo de unidades que requieren, así como por su complejidad relativa , rendimiento , eficiencia energética , tolerancia a fallos y disponibilidad . Las técnicas definitivas utilizadas por RAID se concibieron en las décadas de 1970 y 1980: la segmentación de datos para mejorar la eficiencia de lectura/escritura y la duplicación de discos o unidades de paridad para la recuperación de datos . Con la excepción de RAID 1 , todos los niveles RAID estándar utilizan la virtualización de almacenamiento para abstraer múltiples dispositivos de almacenamiento en un único volumen de almacenamiento lógico.

En su acuñación original, RAID es un acrónimo de matriz redundante de discos económicos . [ 1 ] [ 2 ] La Junta Asesora de RAID (establecida en 1992) posteriormente redefinió el acrónimo para significar matriz redundante de discos independientes . [ 2 ] Antes de la llegada del seccionamiento de datos y los discos redundantes en línea, era común que el almacenamiento de datos de alta capacidad y alta disponibilidad dependiera de los llamados SLED ("discos únicos, grandes y caros") conectados a computadoras centrales . [ 1 ] [ 3 ] RAID se ha implementado no solo en computadoras centrales, sino también en computadoras personales , supercomputadoras , servidores de archivos , servidores de bases de datos , servidores web y dispositivos de almacenamiento conectados a la red .

Historia

El término RAID fue acuñado por David Patterson , Garth Gibson y Randy Katz en la Universidad de California, Berkeley, en 1987. En su artículo de junio de 1988, «Un argumento a favor de las matrices redundantes de discos económicos (RAID)», presentado en la Conferencia SIGMOD , argumentaron que las unidades de disco de las computadoras centrales de mayor rendimiento de la época podían ser superadas por una matriz de unidades de disco (comparativamente económicas) fabricadas para el creciente mercado de computadoras personales . Si bien la incidencia de fallas en los discos duros aumenta en proporción al número de unidades en uso, la confiabilidad de una matriz podría superar con creces la de cualquier unidad individual de alta capacidad si se incorpora redundancia al sistema de almacenamiento de la computadora configurándolo para escribir datos en más de un disco automáticamente. [ 4 ]

Aunque aún no se utilizaba esa terminología, las tecnologías de los cinco niveles de RAID mencionados en el documento de junio de 1988 se utilizaban en varios productos antes de la publicación del documento, [ 3 ] incluyendo los siguientes:

  • La duplicación de datos (RAID 1) estaba bien establecida en la década de 1970, incluyendo, por ejemplo, los sistemas Tandem NonStop .
  • En 1977, Norman Ken Ouchi de IBM presentó una patente que revelaba lo que posteriormente se denominó RAID  4. [ 5 ]
  • Alrededor de 1983, DEC comenzó a enviar unidades de disco RA8X con duplicación de subsistema (ahora conocidas como RAID  1) como parte de su subsistema HSC50. [ 6 ]
  • En 1986, Clark et al. de IBM presentaron una patente que divulgaba lo que posteriormente se denominó RAID  5. [ 7 ]
  • Alrededor de 1988, el DataVault de Thinking Machines utilizaba códigos de corrección de errores (ahora conocidos como RAID 2) en una matriz de unidades de disco. [ 8 ] Un enfoque similar se utilizó a principios de la década de 1960 en el IBM 353. [ 9 ] [ 10 ] 

Los fabricantes de la industria posteriormente redefinieron el acrónimo RAID para que significara "matriz redundante de discos independientes ". [ 2 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

Descripción general

RAID modulariza el almacenamiento secundario asignando una función a cada dispositivo de almacenamiento en una matriz de discos . El nivel RAID de la matriz se define por las funciones y relaciones de estos dispositivos constituyentes. Algunos niveles RAID utilizan datos de paridad para aumentar la tolerancia a fallos . La mayoría de los datos de paridad se calculan mediante XOR , pero RAID 6 utiliza suma y multiplicación en un campo de Galois  específico o corrección de errores de Reed-Solomon . [ 14 ]

RAID también puede proporcionar seguridad de datos con unidades de estado sólido (SSD) sin el costo de un sistema totalmente basado en SSD. Por ejemplo, una SSD rápida puede replicarse con un disco duro mecánico más lento. Para que esta configuración ofrezca una ventaja de velocidad significativa, se necesita un controlador adecuado que utilice la SSD rápida para todas las operaciones de lectura. Adaptec denomina a esto "RAID híbrido". [ 15 ]

Niveles estándar

Servidores de almacenamiento con 24 discos duros cada uno y controladores RAID de hardware integrados que admiten varios niveles RAID.

Originalmente, existían cinco niveles estándar de RAID, pero han surgido muchas variaciones, incluyendo varios niveles anidados y muchos niveles no estándar (en su mayoría propietarios ). Los niveles de RAID y sus formatos de datos asociados están estandarizados por la Storage Networking Industry Association (SNIA) en el estándar Common RAID Disk Drive Format (DDF): [ 16 ] [ 17 ]

  • RAID 0 consiste en la distribución de datos a nivel de bloque, pero no incluye duplicación ni paridad . Suponiendo que n discos duros se utilizan completamente y tienen la misma capacidad, la capacidad de un volumen RAID 0 coincide con la de un volumen extendido : la suma de las capacidades de los n discos. Sin embargo, dado que la distribución de datos reparte el contenido de cada archivo entre todos los discos, el fallo de cualquiera de ellos hace que todo el volumen RAID 0 sea inaccesible. Normalmente, se pierden todos los datos y los archivos no se pueden recuperar sin una copia de seguridad.
Por el contrario, un volumen extendido, que almacena archivos de forma secuencial, pierde los datos almacenados en la unidad defectuosa, pero conserva los de las unidades restantes. Sin embargo, recuperar los archivos tras un fallo de la unidad puede resultar complicado y a menudo depende de las características específicas del sistema de archivos. En cualquier caso, los archivos que se extienden hacia o desde una unidad defectuosa se perderán definitivamente.
Por otro lado, la ventaja de RAID  0 es que el rendimiento de las operaciones de lectura y escritura en cualquier archivo se multiplica por el número de unidades, ya que, a diferencia de los volúmenes extendidos, las lecturas y escrituras se realizan simultáneamente . [ 11 ] El inconveniente es una mayor vulnerabilidad a fallos de las unidades: dado que cualquier unidad en una  configuración RAID 0 que falle provoca la pérdida de todo el volumen, la tasa de fallos promedio del volumen aumenta con el número de unidades conectadas. Esto hace que RAID  0 sea una mala opción para escenarios que requieren fiabilidad de datos o tolerancia a fallos.
  • RAID 1 consiste en la duplicación de datos, sin paridad ni segmentación. Los datos se escriben de forma idéntica en dos o más unidades, creando así un conjunto de unidades duplicado. De este modo, cualquier solicitud de lectura puede ser atendida por cualquier unidad del conjunto. Si una solicitud se difunde a todas las unidades del conjunto, puede ser atendida por la unidad que acceda primero a los datos (dependiendo de su tiempo de búsqueda y latencia rotacional ), lo que mejora el rendimiento. El rendimiento de lectura sostenido, si el controlador o el software están optimizados para ello, se aproxima a la suma de los rendimientos de todas las unidades del conjunto, al igual que en RAID 0. El rendimiento de lectura real de la mayoría de las implementaciones de RAID 1 es inferior al de la unidad más rápida. El rendimiento de escritura siempre es inferior porque todas las unidades deben actualizarse y la unidad más lenta limita el rendimiento de escritura. La matriz continúa funcionando mientras al menos una unidad esté operativa. [ 11 ]
  • RAID 2 consiste en la segmentación a nivel de bits con paridad de código Hamming dedicada . La rotación de todos los discos está sincronizada y los datos se segmentan de manera que cada bit secuencial se encuentre en una unidad diferente. La paridad de código Hamming se calcula a través de los bits correspondientes y se almacena en al menos una unidad de paridad. [ 11 ] Este nivel tiene solo importancia histórica; aunque se utilizó en algunas máquinas antiguas (por ejemplo, la Thinking Machines CM-2), [ 18 ] a partir de 2014No es utilizado por ningún sistema disponible comercialmente. [ 19 ]
  • RAID 3 consiste en la distribución de datos a nivel de byte con paridad dedicada. La rotación de todos los discos está sincronizada y los datos se distribuyen de forma que cada byte secuencial se encuentre en una unidad diferente. La paridad se calcula a través de los bytes correspondientes y se almacena en una unidad de paridad dedicada. [ 11 ] Aunque existen implementaciones, [ 20 ] RAID 3 no se utiliza comúnmente en la práctica.
  • RAID 4 consiste en una distribución de datos a nivel de bloque con paridad dedicada. Este nivel fue utilizado previamente por NetApp , pero ahora ha sido reemplazado en gran medida por una implementación propietaria de RAID 4 con dos discos de paridad, llamada RAID-DP . [ 21 ] La principal ventaja de RAID 4 sobre RAID 2 y 3 es el paralelismo de E/S: en RAID 2 y 3, una sola operación de lectura de E/S requiere leer todo el grupo de unidades de datos, mientras que en RAID 4 una operación de lectura de E/S no tiene que distribuirse entre todas las unidades de datos. Como resultado, se pueden ejecutar más operaciones de E/S en paralelo, lo que mejora el rendimiento de las transferencias pequeñas. [ 1 ]
  • RAID 5 consiste en un seccionamiento a nivel de bloque con paridad distribuida. A diferencia de RAID 4, la información de paridad se distribuye entre las unidades, lo que requiere que todas las unidades, excepto una, estén presentes para funcionar. En caso de fallo de una sola unidad, las lecturas subsiguientes se pueden calcular a partir de la paridad distribuida de manera que no se pierdan datos. RAID 5 requiere al menos tres discos. [ 11 ] Como todos los conceptos de paridad única, las implementaciones grandes de RAID 5 son susceptibles a fallos del sistema debido a las tendencias con respecto al tiempo de reconstrucción de la matriz y la probabilidad de fallo de la unidad durante la reconstrucción (véase la sección " Aumento del tiempo de reconstrucción y probabilidad de fallo ", más adelante). [ 22 ] Reconstruir una matriz requiere leer todos los datos de todos los discos, lo que abre la posibilidad de un segundo fallo de la unidad y la pérdida de toda la matriz.
  • RAID 6 consiste en una distribución de datos a nivel de bloque con doble paridad distribuida. La doble paridad proporciona tolerancia a fallos de hasta dos unidades defectuosas. Esto hace que los grupos RAID más grandes sean más prácticos, especialmente para sistemas de alta disponibilidad, ya que las unidades de gran capacidad tardan más en restaurarse. RAID 6 requiere un mínimo de cuatro discos. Al igual que con RAID 5, el fallo de una sola unidad reduce el rendimiento de toda la matriz hasta que se reemplace la unidad defectuosa. [ 11 ] Con una matriz RAID 6, utilizando unidades de múltiples fuentes y fabricantes, es posible mitigar la mayoría de los problemas asociados con RAID 5. Cuanto mayor sea la capacidad de las unidades y el tamaño de la matriz, más importante resulta elegir RAID 6 en lugar de RAID 5. [ 23 ] RAID 10 también minimiza estos problemas. [ 24 ]

RAID anidado (híbrido)

En lo que originalmente se denominó RAID híbrido , [ 25 ] muchos controladores de almacenamiento permiten anidar niveles RAID. Los elementos de un RAID pueden ser unidades individuales o matrices. Las matrices rara vez se anidan a más de un nivel de profundidad.

La matriz final se conoce como matriz superior. Cuando la matriz superior es RAID  0 (como en RAID  1+0 y RAID  5+0), la mayoría de los fabricantes omiten el "+" (dando como resultado RAID 10 y RAID  50, respectivamente).

  • RAID  0+1: crea dos franjas y las replica. Si falla un solo disco, uno de los espejos falla y, en ese caso, funciona como un RAID 0 sin redundancia. Se introduce un riesgo significativamente mayor durante la reconstrucción que en RAID 1+0, ya que se deben leer todos los datos de todos los discos de la franja restante en lugar de solo de uno, lo que aumenta la probabilidad de un error de lectura irrecuperable (URE) y prolonga considerablemente el tiempo de reconstrucción. [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]
  • RAID  1+0: (ver: RAID 10 ) crea un conjunto distribuido a partir de una serie de discos duplicados. La matriz puede soportar la pérdida de varios discos siempre que ningún duplicado pierda todos sus discos. [ 29 ]
  • JBOD RAID N+N: Con JBOD ( just a bunch of disks ), es posible concatenar discos, pero también volúmenes como conjuntos RAID. Con mayores capacidades de disco, el retardo de escritura y el tiempo de reconstrucción aumentan drásticamente (especialmente, como se describió anteriormente, con RAID 5 y RAID 6). Al dividir un conjunto RAID N más grande en subconjuntos más pequeños y concatenarlos con JBOD lineal,se reducirán los tiempos de escritura y reconstrucción. Si un controlador de matriz de discos no es capaz de anidar JBOD lineal con RAID N, entonces JBOD lineal se puede lograr con RAID de software a nivel del sistema operativo en combinación con volúmenes de subconjunto RAID N separados creados dentro de uno o más controladores RAID de hardware. Además de un aumento drástico de la velocidad, esto también proporciona una ventaja sustancial: la posibilidad de iniciar un JBOD lineal con un pequeño conjunto de discos y poder expandir el conjunto total con discos de diferente tamaño, más adelante (con el tiempo, discos de mayor tamaño estarán disponibles en el mercado). Existe otra ventaja en forma de recuperación ante desastres (si falla un subconjunto RAID N, los datos de los demás subconjuntos RAID N no se pierden, lo que reduce el tiempo de restauración).

Niveles no estándar

Existen muchas configuraciones posibles además de los niveles RAID numerados básicos, y muchas empresas, organizaciones y grupos han creado sus propias configuraciones no estándar, en muchos casos diseñadas para satisfacer las necesidades especializadas de un pequeño grupo específico. Dichas configuraciones incluyen las siguientes:

  • Linux MD RAID 10 proporciona un controlador RAID general que, en su configuración "cercana", utiliza por defecto un RAID  1 estándar con dos unidades y un RAID  1+0 estándar con cuatro unidades; sin embargo, puede incluir cualquier número de unidades, incluso impares. Con su configuración "lejana", MD RAID  10 puede funcionar tanto en modo striped como en modo mirror, incluso con solo dos unidades en f2la configuración; esto ejecuta mirroring con lecturas striped, lo que proporciona el rendimiento de lectura de RAID  0. El RAID 1 regular  , como el que proporciona el software RAID de Linux , no realiza lecturas striped, pero puede realizar lecturas en paralelo. [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]
  • Hadoop tiene un sistema RAID que genera un archivo de paridad mediante la operación XOR de una franja de bloques en un único archivo HDFS. [ 32 ]
  • BeeGFS y Lustre , los sistemas de archivos paralelos, tienen opciones internas de segmentación (comparables a RAID0 basado en archivos) y replicación (comparables a RAID10 basado en archivos) para agregar el rendimiento y la capacidad de varios servidores y, por lo general, se basan en un RAID subyacente para que las fallas de disco sean transparentes.
  • El RAID desagrupado distribuye copias duales (o más) de los datos entre todos los discos (posiblemente cientos) de un subsistema de almacenamiento, reservando suficiente capacidad para permitir el fallo de algunos discos. Esta distribución se basa en algoritmos que simulan arbitrariedad. Cuando uno o más discos fallan, las copias faltantes se reconstruyen en esa capacidad de reserva, también de forma arbitraria. Dado que la reconstrucción se realiza desde y hacia todos los discos restantes, funciona mucho más rápido que con el RAID tradicional, lo que reduce el impacto general en los clientes del sistema de almacenamiento.

Implementaciones

La distribución de datos entre varias unidades de disco se puede gestionar mediante hardware informático específico o mediante software . Una solución de software puede formar parte del sistema operativo, del firmware y los controladores suministrados con un controlador de disco estándar (lo que se conoce como "RAID de software asistido por hardware"), o bien puede residir completamente en el controlador RAID de hardware.

Basado en hardware

Los controladores RAID de hardware se pueden configurar a través de la BIOS de la tarjeta o la ROM de opciones antes de que se inicie el sistema operativo , y después de que este se haya iniciado, el fabricante de cada controlador ofrece utilidades de configuración propietarias . A diferencia de los controladores de interfaz de red para Ethernet , que generalmente se pueden configurar y mantener completamente a través de los paradigmas comunes del sistema operativo, como ifconfig en Unix , sin necesidad de herramientas de terceros, cada fabricante de cada controlador RAID suele proporcionar su propio software propietario para cada sistema operativo que considere compatible, lo que garantiza la dependencia del proveedor y contribuye a problemas de fiabilidad. [ 33 ]

Por ejemplo, en FreeBSD , para acceder a la configuración de los controladores RAID de Adaptec , los usuarios deben habilitar la capa de compatibilidad de Linux y usar las herramientas de Linux de Adaptec, [ 34 ] lo que podría comprometer la estabilidad, confiabilidad y seguridad de su configuración, especialmente si se considera a largo plazo. [ 33 ]

Algunos otros sistemas operativos han implementado sus propios marcos genéricos para interactuar con cualquier controlador RAID y proporcionan herramientas para monitorear el estado del volumen RAID, así como facilitar la identificación de la unidad mediante el parpadeo de LED, la gestión de alarmas y la designación de discos de reserva en caliente desde dentro del sistema operativo sin tener que reiniciar en la BIOS de la tarjeta. Por ejemplo, este fue el enfoque adoptado por OpenBSD en 2005 con su pseudodispositivo bio(4) y la utilidad bioctl , que proporcionan el estado del volumen y permiten el control de LED/alarma/reserva en caliente, así como los sensores (incluido el sensor de la unidad ) para el monitoreo de salud; [ 35 ] este enfoque fue posteriormente adoptado y extendido por NetBSD también en 2007. [ 36 ]

Basado en software

Muchos sistemas operativos modernos ofrecen implementaciones de RAID por software . El RAID por software se puede implementar de la siguiente manera:

  • Una capa que abstrae múltiples dispositivos, proporcionando así un único dispositivo virtual (como md del kernel de Linux y softraid de OpenBSD).
  • Un gestor de volúmenes lógicos más genérico (incluido en la mayoría de los sistemas operativos de clase servidor, como Veritas o LVM ).
  • Un componente del sistema de archivos (como ZFS , Spectrum Scale o Btrfs )
  • Una capa que se sitúa por encima de cualquier sistema de archivos y proporciona protección de paridad a los datos del usuario (como RAID-F) [ 37 ].

Algunos sistemas de archivos avanzados están diseñados para organizar los datos directamente en múltiples dispositivos de almacenamiento, sin necesidad de la ayuda de un administrador de volúmenes lógicos de terceros:

Tres  discos duros de 5 TB en configuración ZFS RAID-Z1. Este conjunto alberga una copia del mayor archivo longitudinal conocido de registros de datos de biodiversidad registrados en las redes GBIF, iDigBio y BioCASe.
  • ZFS admite los equivalentes de RAID  0, RAID  1, RAID  5 (RAID-Z1) de paridad simple, RAID  6 (RAID-Z2) de paridad doble y una versión de paridad triple (RAID-Z3) también conocida como RAID  7. [ 38 ] Como siempre distribuye la información sobre los vdevs de nivel superior, admite los equivalentes de los niveles RAID anidados 1+0, 5+0 y 6+0 (así como conjuntos de paridad triple distribuidos), pero no otras combinaciones anidadas. ZFS es el sistema de archivos nativo en Solaris e illumos , y también está disponible en FreeBSD y Linux. Las implementaciones de ZFS de código abierto se desarrollan activamente bajo el proyecto paraguas OpenZFS . [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]
  • Spectrum Scale , desarrollado inicialmente por IBM para la transmisión de medios y el análisis escalable, admite esquemas de protección RAID desagrupados de hasta n+3. Una particularidad es la prioridad de reconstrucción dinámica, que se ejecuta con bajo impacto en segundo plano hasta que un fragmento de datos alcanza la redundancia n+0, en cuyo caso este fragmento se reconstruye rápidamente a al menos n+1. Además, Spectrum Scale admite RAID  1 de distancia metropolitana. [ 44 ]
  • Btrfs admite RAID  0, RAID  1 y RAID  10 (RAID  5 y 6 están en desarrollo). [ 45 ] [ 46 ]
  • XFS fue diseñado originalmente para proporcionar un gestor de volúmenes integrado que admite la concatenación, la duplicación y la distribución de datos en múltiples dispositivos de almacenamiento físico. [ 47 ] Sin embargo, la implementación de XFS en el kernel de Linux carece del gestor de volúmenes integrado. [ 48 ]

Muchos sistemas operativos ofrecen implementaciones RAID, entre las que se incluyen las siguientes:

Si falla una unidad de arranque, el sistema debe ser lo suficientemente sofisticado como para poder arrancar desde la unidad o unidades restantes. Por ejemplo, consideremos un ordenador cuyo disco está configurado como RAID  1 (unidades duplicadas); si falla la primera unidad de la matriz, es posible que el cargador de arranque de primera etapa no sea lo suficientemente sofisticado como para intentar cargar el cargador de arranque de segunda etapa desde la segunda unidad como alternativa. El cargador de arranque de segunda etapa de FreeBSD es capaz de cargar un kernel desde dicha matriz. [ 63 ]

Basado en firmware y controladores

Un controlador SATA 3.0 que proporciona funcionalidad RAID mediante firmware y controladores propietarios.

El RAID implementado por software no siempre es compatible con el proceso de arranque del sistema y, por lo general, resulta poco práctico para las versiones de escritorio de Windows. Sin embargo, los controladores RAID de hardware son caros y propietarios. Para solucionar este problema, se introdujeron "controladores RAID" económicos que no contienen un chip controlador RAID dedicado, sino simplemente un chip controlador de unidad estándar o la función RAID integrada en el chipset, con firmware y controladores propietarios. Durante el arranque inicial, el RAID se implementa mediante el firmware y, una vez que el sistema operativo se ha cargado por completo, los controladores toman el control. En consecuencia, estos controladores pueden no funcionar si el sistema operativo anfitrión no admite controladores. [ 64 ] Un ejemplo es la tecnología Intel Rapid Storage , implementada en muchas placas base de consumo. [ 65 ] [ 66 ]

Debido a que implica un soporte mínimo de hardware, esta implementación también se denomina "RAID de software asistido por hardware", [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] RAID de "modelo híbrido", [ 69 ] o incluso "RAID falso". [ 70 ] Si se admite RAID  5, el hardware puede proporcionar un acelerador XOR de hardware. Una ventaja de este modelo sobre el RAID de software puro es que, si se utiliza un modo de redundancia, la unidad de arranque está protegida contra fallos (debido al firmware) durante el proceso de arranque incluso antes de que los controladores del sistema operativo tomen el control. [ 69 ]

Integridad

La limpieza de datos (conocida en algunos entornos como lectura de patrulla ) implica la lectura y verificación periódica por parte del controlador RAID de todos los bloques en una matriz, incluidos aquellos a los que no se accede de otra manera. Esto detecta bloques defectuosos antes de su uso. [ 71 ] La limpieza de datos verifica si hay bloques defectuosos en cada dispositivo de almacenamiento en una matriz, pero también utiliza la redundancia de la matriz para recuperar bloques defectuosos en una sola unidad y reasignar los datos recuperados a bloques de reserva en otra parte de la unidad. [ 72 ]

Con frecuencia, un controlador RAID se configura para "desactivar" una unidad de componente (es decir, para asumir que una unidad de componente ha fallado) si la unidad no responde durante unos ocho segundos; esto podría provocar que el controlador de la matriz desactive una unidad en buen estado porque no se le ha dado tiempo suficiente para completar su procedimiento interno de recuperación de errores. En consecuencia, usar unidades comercializadas para el consumidor con RAID puede ser arriesgado, y las llamadas unidades de "clase empresarial" limitan este tiempo de recuperación de errores para reducir el riesgo. Las unidades de escritorio de Western Digital solían tener una solución específica. Una utilidad llamada WDTLER.exe limitaba el tiempo de recuperación de errores de una unidad. La utilidad habilitaba TLER (recuperación de errores con límite de tiempo) , que limita el tiempo de recuperación de errores a siete segundos. Alrededor de septiembre de 2009, Western Digital deshabilitó esta función en sus unidades de escritorio (como la línea Caviar Black), lo que hizo que dichas unidades no fueran adecuadas para su uso en configuraciones RAID. [ 73 ] Sin embargo, las unidades de clase empresarial de Western Digital se envían de fábrica con TLER habilitado. Tecnologías similares son utilizadas por Seagate, Samsung y Hitachi. Para usos que no sean RAID, una unidad de clase empresarial con un tiempo de espera de recuperación de errores corto que no se puede cambiar es, por lo tanto, menos adecuada que una unidad de escritorio. [ 73 ] A finales de 2010, el programa Smartmontools comenzó a admitir la configuración del Control de Recuperación de Errores ATA, lo que permitió a la herramienta configurar muchas unidades duras de clase de escritorio para su uso en configuraciones RAID. [ 73 ]

Aunque RAID puede proteger contra fallos físicos de las unidades, los datos siguen expuestos a la destrucción por parte del operador, el software, el hardware y los virus. Muchos estudios citan el error del operador como una fuente común de mal funcionamiento, [ 74 ] [ 75 ] como cuando un operador de servidor reemplaza la unidad incorrecta en un RAID defectuoso y desactiva el sistema (incluso temporalmente) en el proceso. [ 76 ]

Un sistema de almacenamiento puede verse sobrecargado por una falla catastrófica que exceda su capacidad de recuperación, y todo el sistema corre el riesgo de sufrir daños físicos por incendio, desastres naturales y actos humanos; sin embargo, las copias de seguridad pueden almacenarse fuera de las instalaciones. Un sistema de almacenamiento también es vulnerable a fallas del controlador, ya que no siempre es posible migrarlo a un controlador nuevo y diferente sin pérdida de datos. [ 77 ]

Debilidades

Fallos correlacionados

En la práctica, las unidades suelen tener la misma antigüedad (con un desgaste similar) y estar sujetas al mismo entorno. Dado que muchos fallos de las unidades se deben a problemas mecánicos (más probables en unidades antiguas), esto incumple la suposición de una tasa de fallos independiente e idéntica entre las unidades; de hecho, los fallos están estadísticamente correlacionados. [ 11 ] En la práctica, las probabilidades de un segundo fallo antes de que se haya recuperado el primero (causando pérdida de datos) son mayores que las probabilidades de fallos aleatorios. En un estudio de aproximadamente 100 000 unidades de al menos cuatro proveedores diferentes, la probabilidad de que dos unidades del mismo clúster fallaran en el plazo de una hora fue cuatro veces mayor que la predicha por la distribución estadística exponencial , que caracteriza los procesos en los que los eventos ocurren de forma continua e independiente a una tasa media constante. La probabilidad de dos fallos en el mismo período de 10 horas fue el doble de la predicha por una distribución exponencial. [ 78 ]

Un modo evitable de fallo de disco correlacionado es el fallo de disco correlacionado por lote , en el que la matriz se construye con discos del mismo lote y termina con fallos de discos en rápida sucesión. Estos eventos son raros, pero no desconocidos. La recomendación estándar es mezclar discos de diferentes lotes, posiblemente de diferentes fabricantes. [ 79 ] Un estudio de 2021 describe los patrones de fallo correlacionado por lote en múltiples centros de datos basados ​​en SSD en Alibaba, donde el 88,6 % de los nodos con al menos 2 SSD utilizan el mismo modelo. [ 80 ]

Otra causa de fallos de disco correlacionados no reside en el disco, sino en las interconexiones, la CPU o la memoria. Jiang et al. (2008) demostraron que solo entre el 20 % y el 55 % de los fallos de los sistemas de almacenamiento se debían a los discos. Estas partes también presentan un modo de fallo intermitente y correlacionado. [ 81 ] [ 82 ]

Errores de lectura irrecuperables durante la reconstrucción.

Los errores de lectura irrecuperables (URE) se presentan como fallos de lectura de sector, también conocidos como errores de sector latentes (LSE). La medida de evaluación de medios asociada, la tasa de error de bit irrecuperable (UBE), normalmente se garantiza que sea inferior a un bit en 10 15 para unidades de clase empresarial ( SCSI , FC , SAS o SATA) y a un bit en 10 14 para unidades de clase de escritorio (IDE/ATA/PATA o SATA). El aumento de la capacidad de las unidades y las grandes instancias de RAID 5 han provocado que las tasas de error máximas sean insuficientes para garantizar una recuperación exitosa, debido a la alta probabilidad de que se produzca un error de este tipo en una o más unidades restantes durante la reconstrucción de un conjunto RAID. [ 11 ] [ 83 ] Al reconstruir, los esquemas basados ​​en paridad, como RAID 5, son particularmente propensos a los efectos de los URE, ya que afectan no solo al sector donde se producen, sino también a los bloques reconstruidos que utilizan ese sector para el cálculo de la paridad. [ 84 ]  

Los esquemas de paridad de doble protección, como RAID  6, intentan abordar este problema proporcionando redundancia que permite fallos de doble unidad; como desventaja, estos esquemas sufren una penalización de escritura elevada: el número de veces que se debe acceder al medio de almacenamiento durante una sola operación de escritura. [ 85 ] Los esquemas que duplican (reflejan) datos de una manera de unidad a unidad, como RAID  1 y RAID  10, tienen un menor riesgo de URE que aquellos que utilizan el cálculo de paridad o el reflejo entre conjuntos distribuidos. [ 24 ] [ 86 ] La limpieza de datos , como proceso en segundo plano, se puede utilizar para detectar y recuperarse de URE, reduciendo efectivamente el riesgo de que ocurran durante las reconstrucciones de RAID y causen fallos de doble unidad. La recuperación de URE implica la reasignación de los sectores de disco subyacentes afectados, utilizando el grupo de reasignación de sectores de la unidad; En caso de URE detectados durante el depurado en segundo plano, la redundancia de datos proporcionada por un conjunto RAID completamente operativo permite reconstruir los datos faltantes y reescribirlos en un sector reasignado. [ 87 ] [ 88 ]

El comportamiento de la implementación RAID al encontrar un error de lectura irrecuperable (URE) durante la reconstrucción también es importante. Algunas implementaciones perforan la matriz cuando se encuentra un URE, marcando el sector/bloque como inaccesible pero continuando con la reconstrucción. Otras simplemente abortan el procedimiento.

Aumento del tiempo de reconstrucción y de la probabilidad de fallo

La capacidad de las unidades ha crecido a un ritmo mucho más rápido que la velocidad de transferencia, y las tasas de error solo han disminuido ligeramente en comparación. Por lo tanto, las unidades de mayor capacidad pueden tardar horas, si no días, en reconstruirse, tiempo durante el cual otras unidades pueden fallar o pueden surgir errores de lectura aún no detectados. El tiempo de reconstrucción también es limitado si toda la matriz sigue en funcionamiento a capacidad reducida. [ 89 ] Dado una matriz con una sola unidad redundante (lo que se aplica a los niveles RAID 3, 4 y 5, y al RAID  1 "clásico" de dos unidades), la falla de una segunda unidad provocaría la falla completa de la matriz. Aunque el tiempo medio entre fallas (MTBF) de las unidades individuales ha aumentado con el tiempo, este aumento no ha seguido el ritmo del aumento de la capacidad de almacenamiento de las unidades. El tiempo para reconstruir la matriz después de la falla de una sola unidad, así como la probabilidad de una segunda falla durante una reconstrucción, han aumentado con el tiempo. [ 22 ]

Algunos comentaristas han declarado que RAID  6 es solo un "tapón" en este sentido, porque solo pospone el problema un poco más. [ 22 ] Sin embargo, según el estudio de NetApp de 2006 de Berriman et al., la probabilidad de fallo disminuye en un factor de aproximadamente 3800 (en relación con RAID  5) para una implementación adecuada de RAID  6, incluso cuando se utilizan unidades estándar. [ 90 ] No obstante, si las tendencias tecnológicas observadas actualmente se mantienen sin cambios, en 2019 una  matriz RAID 6 tendrá la misma probabilidad de fallo que su  contraparte RAID 5 tenía en 2010. [ 90 ]

Los esquemas de duplicación como RAID  10 tienen un tiempo de recuperación limitado, ya que requieren la copia de una sola unidad defectuosa, en comparación con los esquemas de paridad como RAID  6, que requieren la copia de todos los bloques de las unidades en un conjunto de matrices. Se han sugerido esquemas de triple paridad, o duplicación triple, como un enfoque para mejorar la resiliencia ante una falla adicional de una unidad durante este largo tiempo de reconstrucción. [ 90 ]

Atomicidad

Un fallo del sistema u otra interrupción de una operación de escritura puede dar lugar a estados en los que la paridad es inconsistente con los datos debido a la falta de atomicidad del proceso de escritura, de modo que la paridad no se puede utilizar para la recuperación en caso de fallo del disco. Esto se conoce comúnmente como agujero de escritura , un problema de corrupción de datos conocido en RAID antiguos y de gama baja, causado por la interrupción del almacenamiento temporal de las escrituras en el disco. [ 91 ] El agujero de escritura se puede abordar de varias maneras:

  • Registro de escritura anticipada .
    • Los sistemas RAID de hardware utilizan una caché no volátil integrada para este propósito. [ 92 ]
    • mdadm puede usar un dispositivo de registro dedicado (para evitar la pérdida de rendimiento, normalmente se prefieren las SSD y las NVM ) para este propósito. [ 93 ] [ 94 ] El dispositivo actúa como una caché de escritura en modo de escritura directa o escritura diferida. [ 95 ]
  • Registro de intención de escritura . mdadm utiliza un "mapa de bits de intención de escritura". Si encuentra alguna ubicación marcada como escrita incompletamente al inicio, las resincroniza. Cierra el agujero de escritura, pero no protege contra la pérdida de datos en tránsito, a diferencia de un WAL completo. [ 92 ] [ 96 ]
  • Paridad parcial. mdadm puede guardar una "paridad parcial" que, al combinarse con fragmentos modificados, recupera la paridad original. Esto cierra el agujero de escritura, pero nuevamente no protege contra la pérdida de datos en tránsito. [ 97 ]
  • Tamaño de franja dinámico. RAID-Z garantiza que cada bloque sea su propia franja, por lo que cada bloque está completo. La semántica transaccional de copia en escritura ( COW ) protege los metadatos asociados con las franjas. [ 98 ] La desventaja es la fragmentación de E/S. [ 99 ]
  • Evitar sobrescribir franjas usadas. bcachefs , que utiliza un recolector de basura de copia, elige esta opción. COW protege nuevamente las referencias a datos con franjas. [ 99 ]

El fallo de escritura es un modo de fallo poco comprendido y rara vez mencionado en los sistemas de almacenamiento redundantes que no utilizan funciones transaccionales. El investigador de bases de datos Jim Gray escribió «Actualizar en el lugar es una manzana envenenada» durante los primeros días de la comercialización de las bases de datos relacionales. [ 100 ]

fiabilidad de la caché de escritura

Existen preocupaciones sobre la fiabilidad de la caché de escritura, en particular en lo que respecta a los dispositivos equipados con una caché de escritura diferida , que es un sistema de almacenamiento en caché que informa de los datos como escritos en cuanto se escriben en la caché, en lugar de cuando se escriben en el medio de almacenamiento no volátil . Si el sistema sufre un corte de energía u otro fallo importante, los datos pueden perderse irrevocablemente de la caché antes de llegar al almacenamiento no volátil. Por este motivo, las buenas implementaciones de caché de escritura diferida incluyen mecanismos, como la alimentación redundante por batería, para preservar el contenido de la caché ante fallos del sistema (incluidos los cortes de energía) y para vaciar la caché al reiniciar el sistema. [ 101 ]

Véase también

Referencias

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