1 Nested Multiple Raid level

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1 Corso: Gestione ed elaborazione grandi moli di dati Lezione del: 20 aprile 2006 Argomento: Nested Multiple Raid level, Interfacciamento, Drive swaping, RAID 6 Scribes: Andrea Giuseppe Abate, Valentina Didone, Giuseppe Donato 1 Nested Multiple Raid level Come visto, ogni livello di RAID risulta avere dei punti di forza e dei punti deboli. I livelli RAID possono essere combinati tra loro per beneficiare dei loro vantaggi insieme. Questi sistemi RAID annidati vengono identificati con la seguente nomenclatura : RAID < a > + < b > dove a e b sono numeri interi che indicano i sistemi raid che sono stati combinati. In particolare a indica il sistema base mentre b indica come verrano gestiti i vari sistemi base. Sono possibili tutte le combinazione dei RAID anche se solo alcune hanno vera utilitá. I livelli RAID nidificati piú usati sono: - RAID 0+1 e RAID RAID RAID 0+5 e RAID RAID 1+5 e RAID 5+1 Se si pensa ai RAID nidificati, é necessario ricordare che l ordine é importante in quanto potrebbe avere un certo impatto sull affidabilitá. In altre parole, RAID 1+0 e RAID 0+1 non sono uguali. 1.1 RAID 0+1 e RAID 1+0 Questi livelli, con una tecnica mista di striping senza paritá e mirroring, cercano di ottenere prestazione e sicurezza contemporaneamente RAID O+1 Il sottosistema A 1 é il mirror del sottosistema A 0 1

2 Il RAID 0+1 (chiamato anche RAID 01) é realizzato come la composizione di due sottosistemi RAID 0 uno dei quali é il mirror dell altro. I dati sono suddivisi sui dischi e successivamente ne viene fatta una copia: l array cosí composto riduce i problemi dovuti alla scrittura della paritá ed offre alte prestazioni nel transfer rate. Anche la rigenerazione é semplificata trattandosi di copie complete e non di dati di paritá. Per contro questo metodo utilizza diversi dischi poiché ogni disco dati deve essere duplicato(mirrored). É chiaro che se il sistema di striping richiede piú di un disco per essere efficace, il sottosistema di mirror richiede la duplicazione dei dischi. Vantaggi: dal livello 0 performance e capacity; dal livello 1 fault tolerance e availability. Svantaggi: costo maggiore rispetto al RAID 0 perché l efficienza di spazio é pari a 50% RAID 1+0 Il disco D i é il mirror del disco D i nel sottosistema A i. Il RAID 1+0 (chiamato anche RAID 10) é il risultato dell applicazione del livello di RAID 0 a dischi organizzati secondo il RAID 1. In questo livello i dati vengono distribuiti tra i sottosistemisistemi di dischi secondo lo striping. Ciascun sottosistema utilizza poi il mirroring. In questo modo é possibile avere piú rotture di dischi senza perdita di dati e con il minimo impatto sulle performance. Per ripristinare il disco danneggiato é necessario sostituire il disco rotto e ripristinare i dati dal disco mirror. Vantaggi: dal livello 0 performance e capacity; dal livello 1 fault tolerance e availability. Svantaggi: costo maggiore rispetto al RAID 0 (perché ho efficienza di spazio pari a 50%) Comportamento dei due diversi sistemi in caso di rottura di uno o piú dischi Anche se lo spreco di spazio nel raid 0+1 e nel raid 1+0 é uguale; i due sistemi (RAID 0+1 e RAID 1+0) non sono equivalenti. 2

3 RAID O+1 Il sistema non puó sopportare la rottura simultanea di due dischi, se non appartengono alla stessa stripe. Cioé, se un disco si rompe, ogni altro disco del mirror é un elemento critico per il sistema. Alcuni esempi chiarificatori: - Se si rompe D i, tutto il sottosistema A 0 é considerato rotto, il sistema continua a lavorare ma con maggiori rischi e piú lentamente. - Se si rompe D i e D j (i diverso da j), tutto il sistema viene considerato rotto. Anche se in realtá non ho perso alcun dato devo comunque fare il recupero da backup. RAID 1+0 Questo sistema annidato é piú sicuro rispetto al precedente in quanto un disco di ogni sottosistema RAID 1 puó danneggiarsi senza far perdere dati al sistema. I sottosistemi RAID 1 con un disco danneggiato vengono detti in crisi in quanto se il disco rimasto si dovesse rompere, tutte le informazioni contenute nell intero sistema andrebbero perse. Alcuni esempi chiarificatori: - Se si rompe D i, il sottosistema A i entra in crisi ma si puó continuare il lavoro. - Se si rompe D i e D j, i sottosistemi A i e A j entrano in crisi ma si puó continuare il lavoro. - Se si rompe D i e D j (con i diverso da j), i sottosistemi A i e A j entrano in crisi ma si puó continuare il lavoro, perché non c é rottura totale o perdita di informazioni. - Se si rompe D i e D i, il sottosistema A i si rompe e tutto il sistema viene considerato rotto. In realtá ho anche perso dei dati e devo fare il recupero da backup. Riepilogo Rottura di D i e/o D i, i due sistemi si comportano allo stesso modo. Rottura di D i e D j, (i diverso da j) preferibile RAID RAID 3+0 Questo livello implementa la tecnica dello striping con paritá a singolo disco di paritá. Il livello RAID 3+0 é il risultato dell applicazione del livello di RAID 0 a dischi organizzati secondo il RAID 3. Questo serve per migliorare le performance del livello 3, e permette ai dischi multipli organizzati secondo il livello 3 di apparire come un singolo dispositivo. Il livello RAID 3+0 ha affidabilitá simile al RAID 3 con performance migliori. Questo tipo di configurazione é comunemente usata quando si combinano molti dispositivi RAID in un singolo dispositivo logico. Vantaggi: dal livello 0 performance (per le letture) e capacity; dal livello 3 fault tolerance e availability. 3

4 Svantaggi: costo medio-alto e performance non tanto ottime per random writes a causa della paritá. 1.3 RAID 0+5 e RAID 5+0 Questi livelli, con una tecnica mista di striping con paritá distribuita combinata con i blocchi dello striping, cercano di ottenere prestazione e sicurezza contemporaneamente RAID O+5 Il livello RAID 0+5 é il risultato dell applicazione del livello di RAID 5 a dischi organizzati secondo il RAID 0. Vantaggi: dal livello 0 performance e capacity; dal livello 5 availability, performance e fault tollerance. Svantaggi: costo elevato RAID 5+0 Il livello RAID 5+0 é un array a doppio livello che utilizza piú array di dischi organizzati secondo il RAID 5 associati in un solo macro array organizzati secondo il RAID 0. Questo permette che un qualunque problema in uno o piú dei dischi dei singoli array non interrompa l operazione sul macro array. Un ulteriore aumento della sicurezza si ottiene impiegando piú controller SCSI per i vari array. L impiego tipico é nelle applicazioni server dove é richiesta un elevata sicurezza e delle prestazioni superiori a quelle ottenibili dal RAID 5. Vantaggi: dal livello 0 performance e capacity; dal livello 5 availability, performance e fault tollerance. Svantaggi: costo elevato e pessima capacitá di ricostruzione. 1.4 RAID 1+5 e RAID 5+1 Questi livelli implementano il mirroring (o duplexing) combinato con lo striping con paritá distribuita RAID 1+5 Il RAID 1+5 implementa lo striping con paritá multipla usando una coppia di dischi combinati con RAID 1 come componenti. Questo livello é molto simile al RAID 1+0 eccetto che per la paritá. Vantaggi: dal livello 1 fault tollerance e availability; dal livello 5 performance e fault tollerance. Svantaggi: costo elevato, pessima capacitá di ricostruzione e difficoltá di implementazione. 4

5 1.4.2 RAID 5+1 Il RAID 5+1 implementa il mirroring tra dischi combinati con RAID 5 come componenti. Questo livello é molto simile al RAID 0+1 eccetto che per la paritá. Vantaggi: dal livello 1 fault tollerance e availability; dal livello 5 performance e fault tollerance. Svantaggi: costo elevato, pessima capacitá di ricostruzione e difficoltá di implementazione. 2 Interfacciamento: collegamento tra il sistema RAID ed il sistema operativo. L interfacciamento puó essere realizzato in modo hardware o software. La soluzione hardware utilizza un controller RAID, cioé una scheda specializzata per il controller del disco. La scheda esegue tutte le funzioni relative al RAID e controlla direttamente le unitá individuali negli array collegati. Gli array gestiti da una scheda hardware RAID appaiono al sistema operativo come unitá disco regolari. I controller possono essere di due tipi: 1. controller bus-based: la scheda generica o si collega al bus o é cablata nella scheda madre. In questo modo il sistema RAID é reso semi-trasparente al sistema operativo. 2. controller specifico: il dispositivo é integrato nella enclosure (cioé nei dischi RAID) ed é collegato all elaboratore tramite una interfaccia standard(es. SCSI). L interfacciamento tramite controller specifico rende il sistema RAID trasparente al sistema operativo cioé il sistema operativo vede solo una normale interfaccia come per ogni altra periferica. Molte schede del RAID controller funzionano con le unitá SCSI, anche se vi sono comunque alcuni RAID controller ATA-based. Le soluzioni hardware garantiscono alte prestazioni ma hanno anche costi superiori. Nelle soluzioni software invece si lavora in assenza di controller specializzati perció le funzioni RAID sono svolte dal sistema operativo tramite apposite routine. Questo rende il sistema operativo cosciente della presenza del RAID. Queste soluzioni sono ovviamente di costo inferiore rispetto alla soluzione hardware in quanto si elimina la necessitá di utilizzare un hardware RAID specializzato e molto costoso, peró le prestazioni ottenute dal sistema sono minori. In particolare queste interfacce software sono necessarie in caso di utilizzo del duplexing in quanto ogni disco ha un unico controller e il sistema operativo deve gestire esplicitamente la molteplicitá dei dischi. 5

6 3 Caching Gli ultimi controller RAID hanno della cache integrata sulla loro scheda, essa funziona come quella che viene usata per i dischi normali. Dato che i controller RAID mascherano un array di dischi rigidi in un unico disco virtuale, l inserimento della cache sul controller é un miglioramento paragonabile a quello introdotto sui dischi standard. Normalmente la cache é realizzata come uno slot sul controller che permette l utilizzo dei moduli di memoria utilizzati dai PC. Un esempio in cui il caching puó avere un impatto notevole sulle prestazioni é il write caching, chiamato alcune volte write-back caching. Quando questa opzione é abilitata durante una scrittura, il controller indica al sistema che la scrittura é completata non appena i dati sono stati scritti nella cache del controller; il controller, successivamente, fa il write back dei dati nel disco. Questo metodo, nonostante migliori le prestazioni, espone il sistema al rischio di perdite di dati. Il write-back caching é molto importante nei sistemi RAID in quanto, mentre nei dischi normali le scritture sono leggermente piú lente rispetto alle operazioni di lettura, per alcuni dei livelli di RAID la differenza di velocitá non é piú trascurabile. La cache perció limita i rallentamenti quando si scrive su un array di dischi come quelli utilizzati nel caso del RAID 5. 4 Drive swapping I livelli RAID destinati alla sicurezza prevedono la possibilitá di funzionamento anche con unitá difettose. É sottinteso, peró, che si tratta di una situazione provvisoria e che la sostituzione del drive guasto (drive swap)é necessaria per ripristinare il livello di sicurezza del RAID. C é peró un importante categoria di applicazioni in cui l arresto del sistema é sempre stato difficilmente accettabile: spegnere e riavviare un server WEB o un server di una grossa rete, oppure i controllori di sistemi automatici (distribuzione di energia elettrica, stabilimenti di produzione, reti di telecomunicazione, ecc.) oltre ad essere un operazione lunga e complessa, lascia gli utenti privi del servizio per un certo tempo. E questo in molti casi é inaccettabile e l arresto del sistema informatico o di controllo causerebbe seri danni. Si richiede allora la possibilitá di agire sui dischi anche a sistema acceso. Esistono tre tipologie di swaping: 1. Hot swap: sostituzione del disco rotto senza nessuna interruzione del servizio, cioé con il sistema in funzione. Sará necessario disporre di un supporto fisico per rendere rimovibile il disco. Hot swap risolve il problema di evitare l arresto del sistema; puó essere fatto con componenti speciali, previsti per questa funzione, ma anche con dispositivi standard. 6

7 In sostanza si tratta di dotare la periferica di un supporto in grado di permetterne la sconnessione e riconnessione a sistema acceso. In sostanza le caratteristiche dell hot swap sono: - rimovibilitá rapida che aumenta la sicurezza e la availability del sistema - possibilitá di operare le sostituzioni senza arrestare il sistema - possibilitá di operare le sostituzioni senza il costo dell intervento di personale specializzato, senza aprire il sistema e senza attrezzature speciali. Per contro per implementare hot swap é richiesta una spesa aggiuntiva rispetto al sistema base dovuta al particolare hardware richiesto e ai controller e/o software necessari. 2. Warm swap: sostituzione del disco rotto senza blocco totale del sistema ma interrompendo solo l accesso ai dati per un certo periodo. 3. Cold swap: sostituzione del disco eseguita a sistema spento; é necessario il riavvio. 4.1 Presenza di dischi di riserva (hot spare) nell enclosure In alcuni sistemi RAID é prevista la possibilitá di disporre di unitá aggiuntive dette hot spare. Nel caso uno dei dischi dell array si dovesse rendere inutilizzabile, il sottosistema RAID provvederá a proteggere i dati mediante il proprio algoritmo di fault-tolerance, e abiliterá il disco hot-spare al posto di quello guasto, ripristinando immediatamente le caratteristiche originali, in particolare la velocitá e l affidabilitá. In presenza di dischi di riserva si puó rendere automatica la ricostruzione dell informazione (rebuild automatico ed immediato del disco che si rompe). Nei casi di warm e cold swap: in presenza di dischi di riserva non si é costretti ad interrompere subito il servizio ma si puó ritardare la sostituzione fisica del disco. L utilizzo dei dischi di riserva aumenta l affidabilitá del RAID, poiché eleva il numero dei dischi guasti tollerati di un numero proporzionale ai dischi hot-spare disponibili. 5 Campi di Galois GF(2) = { 0,1 } operazioni: + = XOR = -. = AND bit-a-bit q(x) polinomi o di grado w con coefficienti in GF(2). Definizione 1 q(x) é primitivo se: 1. é primo (divisibile solo per 1 e q(x)) 7

8 2. {X i mod q(x): 0 i 2 w -2} ={polinomi di grado < w su GF(2)} \ { 0 } Definizione 2 GF(2 x ) = GF (2)[x] q(x) = {polinomi di grado < w su GF(2)} GF (2 w ) = 2 w Esempio: Costruiamo GF(4) = GF(2 2 ) cioé w = 2 q(x) = x 2 + x +1 (polinomio primitivo) Il campo GF(4) = 0, 1, x, x+1 0, 1, x, x+1 sono tutti e soli i polinomi di grado <2 e possono essere generati come potenze di x (tranne il polinomio nullo). x 0 x 1 x 2 mod (x 2 + x + 1) = x + 1 x 2 = (x 2 + x + 1) + x + 1 = x 2 + x x + 1 = x 2 Si puó rappresentare GF((2 w )) con gli interi in [0, 2 w -1] sfruttando la corrispondenza biunivoca tra: {polinomi di grado < w su GF(2)} {configurazioni di w bit} [0, 2 w -1] Esempio: [0, 3] GF(4) x 3 11 x+1 Operazioni su GF(2 w ) 1. Siano a,b Gf(2 w ) c a ± b xor bit a bit sulle configurazioni binarie 2. c = a b c = { 0 se a o b sono zero x (i+j)mod(2w 1) se a x i e b x j 0 l 2 w 2 3. d = a b 0 se a = zero d = indefinita se b = zero x (i j)mod(2w 1) se a x i e b x j 0 l 2 w 2 8

9 in pratica: determino i determino j calcolo (i+j)mod (2 w 1) = l determino c = x l Obiettivo: tollerare un numero n di rotture di dischi D 0 D 1...D n 1 C 0 C 1...C n 1 n sono data disks (dischi di dati) m checksum disks (dischi che contengono informazioni ridondanti) Devo decidere come mettere le informazioni in modo da tollerare la rottura di m dischi: - scelgo w: 2 w > m+n - definisco la matrice F (n+m)xn sul campo GF(2 w ) [0, 2 w 1] dove F = [f ij ] f ij = i j i GF(2 w ) 0 i < n+m, 0 j < n se i = 0, j=0 i j = 1 i = 0, j > 0 i j = 0 i > 0, j> 0 e i = x l i j x (l.j)mod(2w 1) Poiché 2 w > n+m ogni riga di F é associata a un elemento i del campo di Galois, quando non ci sono righe ripetute la matrice é una matrice di Vandermonde, ed ha la propietá che per ogni sottoinsieme di n righe di F forma una matrice n x n invertibile. 9

10 6 Appendice Definizione 3 Si dice gruppo un insieme X con una operazione interna che gode delle seguenti proprietá : + : X X X 1. (a 1 + a 2 ) + a 3 = a 1 + (a 2 + a 3 ) a 1, a 2, a 3 X 2. esiste un elemento e tale che a + e = e + a = a for all a X. e é detto elemento neutro. 3. far all a a tale che a + a = a + a = e Definizione 4 Il gruppo commutativo é un gruppo per cui vale anche la proprietá commutativa cioè : a 1 + a 2 = a 2 + a 1 a 1, a 2 X Definizione 5 Si dice anello un insieme X con due operazioni interne +, * Dove X con l operatore + é un gruppo commutativo mentre per l operatore * valgono le seguenti proprietá : 1. (a 1 a 2 ) a 3 = a 1 (a 2 a 3 ) a 1, a 2, a 3 X 2. (a 1 + a 2 ) a 3 = a 1 a 3 + a 2 a 3 a 1, a 2, a 3 X 3. a 1 (a 2 + a 3 ) = a 1 a 2 + a 1 a 3 a 1, a 2, a 3 X Definizione 6 Si dice anello commutativo un anello per cui vale la proprietá commutativa anche per la seconda operazione. Definizione 7 Un campo é un anello commutativo X che se considerato senza l elemento Zero ( X- {0} ) é gruppo con la prima e la seconda operazione. Definizione 8 Sia R un anello. Un elemento x R é chiamato unitá se un y R tale che x y = y x = 1. In questo caso y é rappresentabile come x 1 ed é chiamato inverso di x. Línsieme di unitá se coincide con R - {0} é un campo ed é indicato con R. Definizione 9 Un elemento r R R é chiamato irriducibile se r = a b con a, b R implica che un elemento tra a e b sia un unitá. Lemma 1 Sia F un campo finito. Allora F = p n, dove p é un numero primo, con n 1 ed esiste un polinomio irriducibile f F [x] di grado n tale che F = F [x] <f>. 10

11 Bibliografia [PCG01] [ADA] [ACCS] [ELMA] The PC Guide, Versione 2.2.0, Sito web Sito web Sito web Sito web 11