Dados

Organização e Arquitetura de
Computadores
Material de apoio
Conceitos e modos de operação da tecnologia
RAID: Níveis 0, 1, 5 e 0+1
Cap.18
2
Esclarecimentos




Esse material é de apoio para as aulas da disciplina e não substitui a
leitura da bibliografia básica.
Os professores da disciplina irão focar alguns dos tópicos da
bibliografia assim como poderão adicionar alguns detalhes não
presentes na bibliografia, com base em suas experiências profissionais.
O conteúdo de slides com o título “Comentário” seguido de um texto,
se refere a comentários adicionais ao slide cujo texto indica e tem por
objetivo incluir alguma informação adicional aos conteúdo do slide
correspondente.
Bibliografia básica:
 PATTERSON, A.D.E.; HENNESSY, L.J.. Organização e projetos de
computadores: a interface hardware/software. São Paulo: Campus,
2005.;
 MONTEIRO, Mário A.. Introdução à organização de computadores.
5.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007.
 STALLINGS, William. Arquitetura e organização de computadores :
projeto para o desempenho. São Paulo: Pearson Education, 2005.
3
Conceitos de RAID

Trata-se de uma tecnologia e emprego de múltiplos discos
rígidos e de paralelismo cujo propósito básico é usar
redundância para aumento de confiabilidade e do
desempenho de sistemas que operam grandes volumes de
dados e exigem baixos tempos de transeferência.

Tema Original = Redundant Array of Independant Disks

Atualmente = Redundant Array of Inexpensive Disks (Conjunto
(Conjunto Redundante de Discos Independentes)
Redundante de Discos Econômicos)
4
Conceitos de RAID

Podemos usar a tecnologia RAID para se alcançar 2 (dois)
objetivos:


Combinar vários discos a se constituírem em uma única
unidade lógica, onde os mesmos dados podem ser
armazenados em todos eles, o que caracteriza
redundância.
Dividir o armazenamento em um grande volume de
dados em mais de um disco, reduzindo o tempo de
transferência, por usar múltlipos discos em paralelo,
com se fosse um só.
5
Conceitos de RAID


Apesar do RAID oferecer segurança e confiabilidade na adição de
redundância com o objetivo de evitar falhas dos discos, o RAID não protege
contra falhas de energia ou erros de operação. Falhas de energia, código
errado de kernel ou erros operacionais podem danificar os dados de forma
irrecuperável.
Definições básicas:

Array – É um agrupamento de discos ou “conjunto”, ou seja, ao se
configurar dois ou mais discos, eles passam a formar um “conjunto” de
discos, comumente chamado de apenas “ARRAY”.

Hot-Swap – Ou “troca a quente”, é a possibilidade de adicionar ou
remover um dispositivo sem a necessidade de desligar o computador. É o
que acontece com pen drive, iPod, câmeras fotográficas, etc.

Paridade é o método mais simples de verificar se um dado foi
transmitido ou não corretamente.
 Consiste em adicionar um bit adicional para cada grupo de bits.
 É um método matemático para a recriação de dados perdidos de um
único disco, o que aumenta a tolerância a falhas.
6
Níveis de RAID


A tecnologia RAID tem possibilidade de ser implementada em várias
condições e combinações diferentes, as quais já foram definidas
como padrão, sendo denominadas por sete níveis diferentes,
numerados de 0 (zero) a 6 (seis).
Este níveis não implicam em uma relação hierárquica, mas designam
diferentes arquiteturas de projeto e compartilham 3 características
comuns:



O agrupamento de unidades de discos físicos, visto pelo sistema
operacional como uma única unidade de disco lógico.
Os dados são distribuídos pelas unidades de discos físicos do
agrupamento.
A capacidade de armazenamento redundante é utilizada para
armazenar informação de paridade, garantindo a recuperação dos dados
em caso de falha em algum disco.
7
Níveis de RAID

Trataremos neste tópico os 3 níveis mais importantes e
utilizados atualmente.

RAID Nível 0 (Zero)

RAID Nível 1 (Um)

RAID Nível 5 (Cinco)

RAID 0 + 1 (Combinação do Nível 0 com o Nível 1)
8
Níveis de RAID - Nível 0 (Striping)


O RAID nível 0 não constitui de fato um membro da família RAID,
uma vez que não inclui Redundância para melhora do desempenho,
contudo, ele é utilizado em poucas aplicações, nos quais o
desempenho e capacidade constituem requisitos primordiais e o baixo
custo é mais importante do que a maior confiabilidade.
Consiste no uso de múltiplos Discos Físicos para a formação de um
único Disco lógico. Esta técnica de armazenamento por dois ou mais
discos chama-se STRIPING (que pode significar fracionamento).
9
Níveis de RAID - Nível 0 (Striping)


Deve ser observado que este nível de
RAID não aplica o conceito de
redundância, pois não está colocando a
mesma parte do arquivo em “mais de
um disco”, mas partes diferentes.
No striping, os dados do usuário e de
sistema são distribuídos em todos os
discos do agrupamento, ou seja,
fragamenta-o ou fraciona-o em várias
partes e cada uma é armazenada em um
disco diferente, sendo todos eles
acionados simultaneamente em uma
transferência.
DF 1
DF 2
DF 3
DL 1
DF 4
DF 5
DF = Disco Rígido Físico
DL = Disco Lógico
10
Níveis de RAID - Nível 0 (Striping)


Vantagens:
 Acesso rápido às informações (até 50% mais rápido).
 Custo baixo para expansão de memória de massa.
Desvantagens:
 Caso algum dos setores de algum dos HD’s venha a apresentar
perda de informações, o mesmo arquivo que está dividido entre
os mesmos setores dos demais HD’s não terão mais sentido
existir, pois uma parte do arquivo foi corrompida, ou seja, caso
algum disco falhe, não tem como recuperar.

Não é usado paridade.
11
Níveis de RAID - Nível 0 (Striping)

Aplicações:
 É ideal para aplicações com intensa transferência de dados


Que necessitam de uma grande quantidade de dados a ser
processada em um intervalo de tempo pré-definido
Streaming Media
 Video on demand, Digital Cable, Transmissões ao vivo
 A taxa de dados fixa é critica, Transmissões múltiplas não
devem degradar a qualidade “QoS” = Quality of Service
 Stream contínuo de dados – sem espaço para o reenvio

Processamento de Imagem, manipulação e Renderização
12
Níveis de RAID - Nível 0 (Striping)

Resumo:
 Todos os discos estão disponíveis para dados
 A capacidade é a soma do número de discos no “array”
 Deve ser utilizado para armazenamento temporário de dados
 Não proporciona proteção contra falhas de hardware, somente
performance.
 Inseguro, pois qualquer disco que falhar causa a perda dos dados
Dados
DL 1
DF 1
DF 2
DF 3
DF 4
DF 5
Um único disco falhou
TODOS OS DADOS FORAM PERDIDOS
DF 6
13
Níveis de RAID – Nível 1 (mirroring)



É o nível de RAID que consiste na implementação de outro objetivo
da tecnolgia RAID, a REDUNDÂNCIA, a qual é utilizada através de
duplicação, triplicação ou mais de um determinado volume de dados
por vários discos.
Esta técnica é denomiada de Mirroring ou ESPELHAMENTO de
disco, sendo que para esta implementação são necessários no
mínimo dois discos.
No funcionamento deste nível de RAID cada transação de gravação
de dados de um disco é realizada também no outro ou outros
definidos no espelhamento, ou seja, 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.
14
Níveis de RAID – Nível 1 (mirroring)

Vantagens:
 Caso algum setor de um dos discos venha a falhar, basta
recuperar o setor defeituoso copiando os arquivos contidos do
segundo disco.


Segurança nos dados (com relação a possíveis defeitos que
possam ocorrer no HD).
Desvantagens:
 O custo é sua principal desvantagem

Ocorre aumento no tempo de escrita, pois o que é gravado em
um disco, esta mesma gravação é feita no outro disco espelho
15
Níveis de RAID – Nível 1 (mirroring)

Aplicações:
 É um sistema dedicado a aumentar a disponibilidade




Recomendado para uso em sistema de banco de dados
NÃO substitui os backups, pois protege apenas contra falhas
mecânicas dos discos
Não proporciona ganho de desempenho, portanto deve ser
utilizado em aplicações que a performance não seja item
fundamental
Aumentar a confiabilidade e o uptime de servidores de rede, já
que o servidor continua funcionando como se nada tivesse
acontecido
16
Níveis de RAID – Nível 1 (mirroring)

Resumo:
 Somente 50% dos Discos estão disponíveis para dados
 Utilizados para informações importantes
 Alto nível de tolerância a falhas como servidores de arquivos ou
banco de dados.
 Qualquer disco pode falhar, e os dados permanecem salvos
 Não protege contra vírus digital ou acidentes/delete intencional,
já que 100% do disco está sincronizado com o outro
Dados = Cópia
(Primário)
(Espelho)
Um dos discos falhou
DF 1
Os dados são mantidos no
outro disco (espelho)
DF 2
17
Níveis de RAID – Nível 5



Utilizam a técnica de acesso independente (cada disco opera
independentemente), permitindo que requisições e E/S distintas possam ser
atendidas em paralelo e com paridade.
A paridade se destina a toda matriz de discos e não apenas a um só disco
onde todos os dados são gravados em dois discos diferentes, caso um disco
falhar ou for removido, os dados preservados no outro disco permitem a não
descontinuidade da operação do sistema.
É necessário no mínimo 3 discos para se obter um agrupamento RAID 5.
18
Níveis de RAID – Nível 5

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.
Bloco 0
Bloco 1
Bloco 2
P 0-2
Bloco 3
Bloco 4
P 3-5
Bloco 5
Bloco 6
P 6-8
Bloco 7
Bloco 8
P 9-11
Bloco 9
Bloco 10
Bloco 11
Dados (com paridade)
19
Níveis de RAID – Nível 5


Vantagens:
 Maior rapidez com tratamento de erros

Leitura rápida (porém escrita não tão rápida) devido à paridade

Altamente Seguro
Desvantagens:
 Sistema complexo de controle dos HD's

Implementação de Alto Custo

Não protege contra vírus digital ou acidentes/delete intencional
20
Níveis de RAID – Nível 5

Aplicações:
 Aplicações com alto índice de solicitações de informação


Utilizado para aplicações de alto uso de multitasking, alta taxa de
retorno de informação
OLTP = On Line Transaction Processing (aplicações típicas)

Validação de cartão de crédito, Reservas, Ecommerce, etc.

Gerenciamento de estoque on-line

Banco dados e aplicações baseadas em Web

Demanda de alto número de transações randômicas como
institições financeiras
21
Níveis de RAID – Nível 5

Resumo:
 Todos menos um disco está disponível para dados
 Utilizado como Armazenamento Primário
 Geralmente utilizado em ambientes OLTP
 Alta Segurança.
 Caso um Disco falhe
”OK”, O segundo Disco ocasiona a perda
total dos dados !
Paridade
Dados
Um dos discos falhou
Os dados permanecem
Salvos
Hot Spare
Substituição
On-line
Um segundo disco falhou !!!
TODOS OS DADOS SÃO PERDIDOS
22
Níveis de RAID – Nível 0 + 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.
Dados
RAID 0
DF 1
DF 2
RAID 0
RAID 1
DF 6
DL 1
DF 7
DF 3
DF 8
DF 4
DF 9
DF = Disco Rígido Físico
DL 2
DL 3
DL = Disco Lógico
23
Níveis de RAID – Nível 0 + 1



Através da utilização da combinação de RAID 0 + 1 é possível utilizar
o bom rendimento do nível 0 com a redundância do nível 1.
É necessário no mínimo 4 (quatro) discos para ser possível montar
um RAID desse com esta combinação.
Tais características fazem do RAID 0 + 1 uma das combinações mais
rápidas e seguras, porém em contrapartida tem um custo elevado
para permitir sua implantação.
24
Níveis de RAID – Nível 0 + 1

Vantagens:
 Segurança contra perda de dados.


Pode falhar metade dos HD's ao mesmo tempo, porém deixando
de ser RAID 0 + 1
Desvantagens:
 Alto custo de expansão de hardware (custo mínimo = 2 x N
HD's).

Os drives devem ficar em sincronismo de velocidade para obter a
máxima performance.
25
Níveis de RAID – Nível 0 + 1

Resumo:
 50% dos discos estão disponíveis para dados
 Usado para dados primários e críticos
 Altíssimo nível de segurança e disponibilidade dos dados
 Extremamente rápido
 No RAID 0+1, se um dos discos vier a falhar, o sistema vira um
RAID 0.
Dados
Grupo #2
Espelho (Cópia)
Grupo #1
Dados Críticos
Um dos discos falhou
Os dados permanecem Salvos
Se um disco falhar em cada grupo
Todos os dados são perdidos
26
Arquiteturas RAID


Uma tecnologia RAID pode ser implementado tanto através de
software quanto através de hardware.
Arquitetura via software



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 seu custo menor.
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 kernel a utilização de RAIDs via
software.
27
Arquiteturas RAID

Arquitetura via hardware



Controladoras RAID em hardwdare usam layouts de disco
proprietários (e diferentes). Por isso, normalmente não é possível
misturar controladoras de fabricantes diferentes.
Eles não utilizam recursos do processador. A BIOS pode iniciar
(dar boot) por ela, e um integração maior com o driver de
dispositivo pode oferecer um melhor tratamento de erros.
A maioria das implementações em hardware também suporta o
"hot-swapping", permitindo que discos com falha sejam
substituídos enquanto o sistema está sendo executado
28
Arquiteturas RAID

Arquitetura via hardware


Um implementação de RAID em hardware requer pelo menos
uma controladora especialmente dedicada para isso.
Implementações em hardware provêem performance garantida,
não sobrecarregam o processador e podem suportar vários
sistemas operacionais, já que a controladora apresentará ao
sistema operacional um disco simples.
Controla RAID
29
Arquiteturas RAID


Fake RAID
 A implementação via software geralmente não é tão fácil de se
configurar e em contrapartida implementação via hardware as
controladoras tem um preço muito elevado.
Para balancear este dois
fatores, foi criada uma
"controladora barata" que
em vez de um chip
controlador RAID utiliza-se
uma combinação de funções
especias na BIOS de uma
placa
mãe
e
drivers
instalados
no
sistema
operacional,
permitindo-se
implamentar RAID.
30
JBOD (Just a Bunch Of Disks)

Descrição do JBOD

JBOD é simplesmente um grupo de discos. O conjunto de discos (Disk
Array) pode ser configurado para ser visto pelo servidor como um grupo
de discos independentes. Na maioria das vezes não oferece um uso
eficiente para aplicações de Array.



Não é um sistema RAID, já que não aumenta o desempenho ou
confiabilidade do sistema de discos. É usado para juntar dois discos
rígidos com capacidades diferentes como se eles fossem um único disco.
Uma vantagem de se utilizar o JBOD é a possibilidade de se criar um um
disco virtual em vários, entretanto é uma técnica pouco utilizada
atualmente.
Falha durante a Operação

Caso um disco falhe, terá o mesmo efeito que se um disco individual
falhasse em uma configuração padrão. Os dados são perdidos e o disco
torna-se indisponível.
31
Triângulo
Custo x Performance x Disponibilidade
RAID
0+1
Custo
Performance
RAID
0
JBOD
RAID
5
RAID
1
Disponbilidade
Alto índice de tolerância a Falhas
32
Os sistemas RAID foram desenvolvidos
para alta disponibilidade e NÃO para backup

Detalhes relevantes:

O objetivo de um sistema RAID é proteger os dados, sistemas e
arquivos contra falhas de Hardware.

Um sistema RAID não protege os dados contra falhas de Software.

Não possui mídia removível

RAID NÃO é Backup

Não oferece estabilidade na recuperação de dados.

Exemplo: Uma vez que os dados foram deletados ou
contaminados por vírus digital os dados estarão
corrompidos e não há como reverter sem backup