FACULDADE PITÁGORAS DISCIPLINA: ARQUITETURA DE COMPUTADORES Prof. Ms. Carlos José Giudice dos Santos cpgcarlos@yahoo.com.br www.oficinadapesquisa.com.br
Paralelismo a nível de disco
A origem do RAID O desempenho das CPUs aumentou de maneira quase que exponencial ao longo das duas últimas décadas. Tanenbaum (2007) destaca que a velocidade de processamento praticamente dobrou a cada 18 meses. Na década de 70, o tempo médio de busca de dados em discos rígidos de minicomputadores variava de 50 a 100 milisegundos. Pouco mais de 30 anos depois, esse tempo médio é algo em torno de 10 milisegundos. A ideia de se usar paralelismo a nível de disco (de forma análoga ao pipelining das CPUs) deu origem ao conceito de RAID.
O que é RAID? Em 1988, Patterson et al (apud TANENBAUM, 2007) sugeriu seis organizações de discos que poderiam ser utilizadas para aumentar o desempenho, ou a confiabilidade, ou ambos em um sistema de discos. Essa organização de dispositivos foi definida como Redundant Array of Inexpensive Disks (RAID), algo como arranjo (ou matriz) redundante de discos baratos. Posteriormente, a indústria mudou essa sigla para Redundant Array of Independent Disks ou seja arranjo redundante de discos independentes. O termo RAID surgiu como oposição ao termo Single Large Expensive Disk (SLED) disco único grande e caro. Estava instaurada a guerra RAID x SLED!
Por quê RAID? Na época em que surgiu o RAID, os discos dos grandes servidores eram enormes e caros. Com o advento da tecnologia SCSI, começaram a surgir discos baratos e que podiam ser controlados em paralelo (até sete) por uma controladora SCSI. Uma controladora Wide SCSI podia controlar até 15 discos simultaneamente. O padrão Small Computer System Interface (SCSI) evoluiu para o padrão SAS (Serial Attached SCSI). Uma controladora SAS consegue controlar até 128 discos SAS. Se você colocar um expansor (Edge Expander), você pode ter até 128 portas. Assim, teoricamente, ela poderia controlar até 16384 discos!
Para quê RAID? Conforme falado anteriormente, o RAID pode ser usado para aumentar o desempenho, a confiabilidade ou ambos. Teoricamente, são seis tipos de RAID (de Ø a 5). A indústria da informática tem criado outras modalidades, mas vamos nos ater aos padrões. O RAID que aumenta apenas o desempenho sacrifica a confiabilidade. É conhecido como Data Striping algo como divisão de dados. O RAID que aumenta apenas a confiabilidade sacrifica o desempenho. É conhecido como Data Mirrorring algo como espelhamento de dados. O ideal seria poder usar as duas possibilidades.
RAID Ø Nessa organização de discos, ocorre apenas o Data Striping, ou seja, o objetivo é apenas aumentar o desempenho, sacrificando a confiabilidade. Ao usar o RAID Ø, todos os discos passam a ser acessados como se fossem um único disco. Ao serem gravados, os arquivos são fragmentados nos vários discos, permitindo que os fragmentos possam ser lidos e gravados simultaneamente, com cada HD realizando parte do trabalho. Usando RAID Ø a performance fica em um patamar próximo da velocidade de todos os HD s somada (MORIMOTO, 2007). Assim, se usarmos dois discos, o desempenho aumenta 2x (em tese). Usando 4 discos, aumenta 4x.
RAID Ø Assim, se eu criar um RAID Ø com 2 discos de 500 GB, o sistema vai enxergar como um único disco de 1 TB, sem redundância. A mesma analogia serve caso eu use mais discos.todo arquivo é dividido em fragmentos, e cada fragmento é dividido pelo número de discos do arranjo. A desvantagem é que se um dos discos estragar e você não tiver um backup, você perde tudo! Fonte: http://pcpop.com O tamanho de cada fragmento é configurável (opção chunk size ou striping size ).
RAID 1 Nessa organização de discos, ocorre apenas o Data Mirroring, ou seja, você aumenta a confiabilidade do sistema, sacrificando o desempenho. De acordo com Morimoto (2007), o RAID 1 (Mirroring) é um modo que permite usar dois discos, sendo que o segundo armazenará uma imagem idêntica do primeiro. Na prática, será como se você tivesse apenas um disco rígido instalado, mas caso o disco titular falhe por qualquer motivo, você terá uma cópia de segurança armazenada no segundo disco. O desempenho piora porque qualquer alteração de gravação de dados precisa ser duplicada e realizada em todos os discos.
RAID 1 O RAID 1 só pode ser implementado com um número par de discos. Assim, se você usar, por exemplo, 4 discos de 500 GB, o sistema o enxerga como dois discos de 500 GB. Os outros dois são backup. O RAID 1 pode ser implementado com controladoras SATA, mas devemos lembrar que nem todas controladoras desse padrão são hot-swapping* como a controladora SAS, ou seja, se um disco falhar em um RAID 1 com SATA, você tem que desligar o computador para efetuar a troca. Isso não acontece com a SAS. Assim, ela é ideal para servidores. *Hot-swapping é a capacidade de conectar ou desconectar um dispositivo de um computador sem desligá-lo.
RAID 1 Levantou-se uma dúvida sobre a possibilidade de controladoras SATA permitirem hot-swapping. A resposta sim e não. Sim, porque o padrão SATA suporta hot-swapping. Entretanto, não são todas as controladoras que seguem à risca esse padrão. Além disso, não basta que a controladora dê esse suporte. É necessário que o disco SATA tenha uma conexão do tipo hot-plug e um conector de energia padrão SATA. Existem alguns discos SATA que possuem conector de energia padrão Legacy (ou Molex), que não dão suporte ao hot-swapping. Em geral, controladoras esata (external SATA), que conecta discos SATA externos em gavetas, são mais seguros para se fazer o hot-swapping.
RAID 1 Tanenbaum (2007) afirma que apenas o desempenho da escrita no RAID 1 é pior. O desempenho de leitura pode ser quase tão bom como no RAID Ø. Fonte: em.wikipedia.org Morimoto (2007) não recomenda o uso de RAID 1 como proteção contra perda de dados, pois ele cria um falso senso de segurança. O RAID 1 é usado para aumentar a confiabilidade e o uptime de servidores de rede, já que o servidor continua funcionando mesmo que um dos discos pare. Mas, mesmo nos servidores, nada substitui os backups.
RAID 2 Esse tipo de organização de discos é pouco utilizado hoje na prática. O motivo é que o RAID 3 (uma simplificação do RAID 2) funciona bem, é mais rápido que o RAID 2 e utiliza menos recursos de hardware. No RAID 2 são necessários 7 discos. Cada byte é dividido em dois nibbles (1 nibble é igual a 4 bits), que são gravados como uma palavra codificada de 7 bits (código de Hamming), 1 bit em cada disco. Caso um (apenas um) dos discos pare, ele pode ser substituído facilmente enquanto o servidor continua funcionando, pois como cada bit da palavra é gravado em um disco separado, a falta de apenas um bit pode ser calculada pela codificação de Hamming.
RAID 2 A codificação de Hamming consegue corrigir erros em um bit e detectar erros em 2 bits. Por esse motivo o RAID 2 consegue funcionar se um dos discos parar. O problema é se dois discos pararem ao mesmo tempo. De maneira simplificada, o código de Hamming consiste em inserir bits de paridade em posições que são potências de 2 (posições 1, 2, 4, 8, 16, etc). As posições que não são potências de 2 correspondem aos bits da informação a ser gravada. Assim, se queremos gravar um byte e garantir que ele foi gravado corretamente, o primeiro passo é dividi-lo em dois nibbles. Vamos supor que o primeiro nibble a ser gravado é a sequencia 0110.
RAID 2 Nesse caso, 0110 será escrito como uma palavra de 7 bits p7.p6.p5.p4.p3.p2.p1 onde as posições p1, p2 e p4 são bits de paridade de Hamming, e as posições restantes são os bits da informação a ser gravada. Assim, a palavra ficaria: b4.b3.b2.h3.b1.h2.h1 O bit h1 verifica as posições p1, p3, p5 e p7 O bit h2 verifica as posições p2, p3, p6 e p7 O bit h3 verifica as posições p4, p5, p6 e p7 Assim, a palavra a ser gravada começa a tomar forma, ou seja, eu já tenho as posições 7, 6, 5 e 3 (0110). Palavra = 0.1.1.h3.0.h2.h1
RAID 2 Para calcular os bits h1, h2 e h3 utiliza-se a porta XOR, cujo símbolo de operação é. Os resultados de operações com a porta XOR são os seguintes: 0 0 = 0; 1 0 = 1; 0 1 = 1; 1 1 = 0 Para calcular os bits h1, h2 e h3 em 0.1.1.h3.0.h2.h1 fazemos as seguintes operações: O bit h1 verifica as posições p1, p3, p5 e p7 O bit h1 não pode verificar ele mesmo (em p1) então a operação fica 0 1 0 = 1 logo, h1 = 1 A palavra com o bit h1 tornou-se 0.1.1.h3.0.h2.1 Vamos à próxima etapa calcular h2.
RAID 2 O bit h2 verifica as posições p2, p3, p6 e p7 Na palavra 0.1.1.h3.0.h2.1 teremos 0 1 0 = 1 A palavra com o bit h2 tornou-se 0.1.1.h3.0.1.1 Vamos à próxima etapa calcular h3. O bit h3 verifica as posições p4, p5, p6 e p7 Na palavra 0.1.1.h3.0.1.1 teremos 1 1 0 = 0 A palavra completa ficou então como 0.1.1.0.0.1.1 Se faltar qualquer um dos bits dessa palavra (equivalente a um disco parar), a codificação consegue descobrir esse bit que faltou. Faça o teste!
RAID 3 Conforme mencionado anteriormente, o RAID 2 tem a desvantagem de gastar muitos recursos de hardware e ser lento para sistemas que utilizam arquivos de tamanho grande. O RAID 3 utiliza 5 discos, sendo 4 discos em RAID Ø armazenando nibbles e o quinto disco para armazenar códigos de paridade. Assim, se qualquer um dos quatro primeiros discos parar, consegue-se recuperar a informação através do código de paridade armazenado no quinto disco. Na verdade o RAID 3 pode ser implementado com menos discos (3 no mínimo, sendo 2 para dados e um para paridade) ou mais discos. Em todos os casos, o último disco armazena os dados de paridade.
RAID 3 Tanenbaum (2007) destaca que quando um dos discos para, a posição do disco que parou corresponde ao bit defeituoso. Para poder corrigir esse erro, a controladora finge que todos os bits são zeros e compara com o bit de paridade. Se a palavra der um erro de paridade, o bit que veio do disco que parou devia ser um, e portanto, é corrigido. Se não der erro de paridade, a controladora refaz a leitura e/ou gravação, assumindo que o bit do disco que parou era realmente zero. Embora o RAID 3 seja mais evoluído que o RAID 2, ele não é a solução ideal para servidores porque se acontecer de dois discos pararem, o servidor para.
RAID 3 De acordo com Morimoto (2007), as modalidades de RAID 3, RAID 4, RAID 5 e RAID 53 estão disponíveis apenas para controladoras SCSI ou SAS. Veja a figura que ilustra o RAID 3 abaixo: Fonte: https://belenus.unirioja.es
RAID 4 O RAID 4 trabalha de forma bem parecida com o RAID 3. A diferença é que o sistema trabalha com pedaços de arquivos (tiras ou blocos) e não mais bit a bit. Assim, o último drive vai gravar um bloco de paridade e não mais um bit de paridade. Se um dos discos falhar, o bloco que está faltando pode ser calculado com base no bloco de paridade armazenado no último disco. O RAID 4 é mais rápido que o RAID 3 em sistemas que trabalham com arquivos grandes. Em compensação, caso falhe um disco, o tempo de reconstrução da informação é maior que no RAID 3.
RAID 4 A desvantagem do RAID 4 é que o disco que armazena os blocos de paridade acaba sendo muito requisitado, tornando-se o gargalo do sistema, principalmente em caso de falha de um disco. Esse problema será eliminado no RAID 5. Veja a figura do RAID 4 abaixo. Fonte: http//www.os2warp.be
RAID 5 Conforme mencionado anteriormente, o disco de paridade do RAID 4 acaba sendo o gargalo do sistema. No RAID 5 isso não acontece porque os blocos de paridade são gravados em todos os discos por um algoritmo de alternância circular. Entretanto, Tanenbaum (2007) afirma que, em caso de falha de um disco, o processo de reconstrução da informação perdida é um processo complexo. Morimoto (2007) destaca que o RAID 5 é um método engenhoso de se fazer um RAID 1, ou seja, em vez de utilizar metade dos discos para fazer cópias completas, esse sistema sacrifica apenas uma parte de cada disco para criar uma camada de redundância.
RAID 5 Morimoto (2007) afirma que o RAID 5 usa um sistema de paridade para manter a integridade dos dados. Os arquivos são divididos em blocos e, para cada grupo de blocos, é gerado um bloco adicional com códigos de paridade. O mesmo autor ainda destaca que o RAID 5, para ser implementado, necessita de, no mínimo, 3 discos ou mais. Independentemente da quantidade de discos usados, a soma do espaço a ser sacrificado corresponde à um disco. Ou seja, quanto maior é a quantidade de discos usados, menor será a proporção de espaço desperdiçado.
RAID 5 Em um sistema com 5 discos de 500 GB, teremos 2 TB de espaço para dados e 500 GB de espaço para os blocos de paridade. Se usarmos 8 discos de 500 GB, teremos 3,5 TB para dados e os mesmos 500 GB para paridade. Em outras palavras, quanto mais discos, menor será o desperdício. Se um dos discos falharem, o sistema continua funcionando normalmente, mas conforme mencionado anteriormente, o processo de reconstrução da informação não é simples. Quando o disco defeituoso é recolocado, o próprio sistema se encarrega de gravar os dados que estavam faltando com base nas informações de paridade.
RAID 5 Veja a figura de um RAID 5 abaixo: Fonte: https//support.nstein.com
Outras modalidades de RAID Além das modalidades vistas até aqui (padrões), existe ainda as modalidades RAID 53, RAID 6 e RAID 10. Existe ainda a modalidade RAID via software. O RAID 53, ao contrário do que sugere o nome, é a combinação do RAID 3 com o RAID 1. Deve ser usado em sistemas de, pelo menos, 5 discos. Dois discos são usados em RAID 3, dois em RAID 1 e o último disco para gravar dados de paridade. Quase não é utilizado porque não existe 100% de garantia de recuperação das informações perdidas em caso de falha de um disco. O RAID 1Ø é uma combinação do RAID 1 com o RAID Ø. Também não é mais usado porque sacrifica metade do espaço de armazenamento total para data mirroring.
RAID 6 Em um sistema com RAID 5, o ponto fraco é o caso raro, mas possível, de dois discos falharem ao mesmo tempo. Muitas vezes um disco falha e enquanto o sistema está regravando os dados no disco que foi substituído, outro disco pode falhar. Se isso acontecer, há uma grande chance de perder todos os dados. De acordo com Morimoto (2007), o RAID 6 é um padrão novo, suportado apenas por algumas controladoras SAS, e que consegue contornar essa fragilidade do RAID 5. Seu funcionamento é parecido com o do RAID 5, mas em vez de utilizar um disco para paridade, ele utiliza dois discos.
RAID 6 Na prática, o uso do dobro de bits de paridade garante que o sistema continue funcionando mesmo que até dois discos falhem. Com isso a segurança é muito aumentada, sendo essa modalidade de RAID a ideal para servidores. Do mesmo modo que no RAID 5, essa modalidade tornase atrativa à medida em que o número de discos aumenta. Por exemplo, em um sistema com 6 discos de 500 GB, teríamos 2 TB para blocos de dados e 1 TB para blocos de paridade. Assim, sacrifica-se 33% do espaço. Se eu usar um sistema com 52 discos de 500 GB, teríamos 50 discos para dados (25 TB) e os mesmos 500 GB (equivalente a 2 discos) para paridade, sacrificando apenas 4% do espaço.
RAID 6 Veja a figura com o diagrama do RAID 6 abaixo: Fonte: http//blog.stackoverflow.com
RAID via software Morimoto (2007) afirma que existem três categorias de RAIDs: 1) aqueles implementados pelas controladoras (via hardware); 2) o fake RAID e 3) o RAID implementado pelos SO s (via software) 1) Os RAIDs implementados pelas controladoras (via hardware) são dispendiosos porque as controladoras (SAS ou SCSI) são caras. Entretanto, compensam pelo desempenho, compatibilidade e confiabilidade., sendo particularmente indicados para servidores. Nesse tipo de RAID, a controladora opera de modo totalmente independente do SO, que apenas busca os dados neste conjunto de discos como se fossem um único disco.
RAID via software 2) O fake RAID, também conhecido como RAID falso é uma combinação de funções adicionadas na BIOS, em controladoras baratas (SATA ou IDE) incluídas nas placas-mães e um driver instalado no SO (MORIMOTO, 2007). Esse tipo de RAID (meio hardware / meio software) acaba apresentando um desempenho pífio se comparado ao RAID via hardware ou o RAID via software. 3) O RAID via software é aquele totalmente implementado pelo SO. Requer trabalho adicional para configuração, é mais lento que o RAID via hardware (embora mais rápido que o fake RAID), mas compensa se você não quiser gastar com uma controladora SAS. Em geral, tipo de RAID permite implementar apenas as modalidades RAID Ø, RAID 1 e RAID 1Ø.
REFERÊNCIAS MORIMOTO, Carlos E. Índice do dicionário técnico. 2007. Disponível em: <www.hardware.com.br/termos>. Acesso em: 7 jun. 2011. TANENBAUM, Andrew S. Organização estruturada de computadores. 4. ed. São Paulo: Prentice Hall, 2007. WESTERN DIGITAL. Hot-swap or hot-plug WD SATA drives. Knowledge Base Frequently Asked Questions, Answer ID 941, 02 jun. 2010. Disponível em: <http://wdc. custhelp.com/app/answers/detail/a_id/941/~/hot-swapor-hot-plug-wd-sata-drives>. Acesso em: 7 jun. 2011