Redundant Array of Inexpensive Disks

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Redundant Array of Inexpensive Disks

• Pourquoi le RAID ?
• Les principes de base
• Les modèles RAID
• Comparaison des modèles
• Conclusion

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Pourquoi le RAID ?

• Proposé en 1987 par luniversité de Berkeley
• 3 axes damélioration de lexistant...
• Coût
• Performances
• Disponibilité des données
• difficiles à concilier en même temps

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Principes de base
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Amélioration des performances

• Utilisation de plusieurs disques pour
  paralléliser les accès (data striping)
• Les informations sont réparties automatiquement
  sur le groupe de disques
• Le système dexploitation ou le SGBD voient un
  seul disque logique

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Performances le data stripping
bloc bloc de données destiné à être stocké sur
un disque physique
bloc 1
bloc 2
Disque logique
bloc 3
bloc 4
Stripe ensemble de blocs de même niveau
bloc 1
bloc 2
bloc 3
Disques physiques
bloc 4

• 2 possibilités selon le profil de lapplication
• Optimisation du taux de transfert (unité E/S
  applicative bloc) pour application
  transactionnelle -gt plusieurs dE/S de petite
  taille
• Optimisation du taux dE/S (unité E/S stripe)
  pour application multimédia -gt 1 E/S de grosse
  taille

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Inconvénient du data stripping
Le MTTF (Mean Time To Failure) décroît en
fonction du nombre de composants
Avec MMTTF dun composant n nombre de
composants
si tous les composants ont le même MTTF, cas dun
disk array formé de disques identiques.
Léquation ci-dessus ce simplifie en
Exemple un ensemble de 10 disques dun MTTF de
200 000 heures (environ 23 ans) aura un MTTF
global de 200 000 / 10 20 000 heures (soit un
peu plus de 2 ans). Lutilisation de multiples
disques, si elle améliore les performances,
augmente donc le risque dindisponibilité.
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Disponibilité redondance des données par
duplication
bloc 1
Disque logique
bloc 2
bloc 3
bloc 4
Disque miroir
bloc 1
bloc 1
Disques physiques
bloc 2
bloc 2
bloc 3
bloc 3
bloc 4
bloc 4

• Principe du miroir
• Les données sont dupliquées intégralement sur un
  2ème disque
• Avec un décalage pour éviter une panne simultanée

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Disponibilité redondance des données par
contrôle de parité
bloc 1
Disque logique
bloc 2
bloc 3
bloc 4
bloc 1
bloc P
bloc 2
bloc 3
bloc 4
Disques physiques
bloc_P bloc_1 XOR bloc_2 XOR bloc_3
Les propriétés du ou exclusif font que cette
relation est équivalente à  Bloc_1 bloc_P XOR
bloc_2 XOR bloc_3 et ainsi de suite.On est donc
capable de reconstituer linformation de
nimporte quel disque à partir de celle des
autres.
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Contrôle de parité reconstitution
bloc_1 01011101 XOR bloc_2
11101011 XOR bloc_3 01010101 -------------------
------------- bloc_P 11100011
Si le disque 2 tombe, on reconstruit
linformation perdueà laide des 2 autres
disques et du disque de parité
bloc_1 01011101 XOR bloc_3
01010101 XOR bloc_P 11100011 ------------------
-------------- bloc_2 11101011
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Inconvénients du contrôle de parité

• On ne peut perdre quun seul disque
• Dans le cas de la mise à jour il faut modifier la
  parité

• Exemple bloc_1 est modifié en bloc_1. Il faut
  
• Lire lancienne valeur de bloc_1
• Lire lancienne parité
• Calculer la nouvelle parité bloc_1 XOR bloc_1
  XOR bloc_P
• Écrire la nouvelle parité
• Écrire la nouvelle valeur de bloc 1
• On doit faire 4 accès disques !

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Modèles RAID
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Les modèles de base sans parité
bloc 1
RAID 0 (data stripping)
bloc 2
Disque logique
bloc 3
bloc 4
bloc 1
bloc 2
bloc 3
Disques physiques
bloc 4
bloc 1
Disque logique
bloc 2
bloc 3
bloc 4
RAID 1 (miroir)
bloc 1
bloc 1
Disques physiques
bloc 2
bloc 2
bloc 3
bloc 3
bloc 4
bloc 4
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Les modèles de base à parité fixe
bloc 1
RAID 3 et 4
Disque logique
bloc 2
bloc 3
bloc 4
bloc 1
bloc P
bloc 3
bloc 2
bloc 4
Disques physiques
Parité fixe

• Un disque est dédié à la parité.
• Unité dentrée / sortie 1 stripe (RAID 3) ou 1
  bloc (RAID 4)
• Dans le cas du RAID 4, il devient un véritable
  goulet détranglement en écriture.
• Cet inconvénient nexiste pas en RAID 3 puisquon
  modifie de toute façon lensemble des blocs.

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Les modèles de base à parité tournante
bloc D
RAID 5
Disque logique
bloc D
bloc D
bloc D
bloc P
bloc D
bloc D
bloc D
bloc D
bloc D
bloc P
Disques physiques
bloc D
bloc D
bloc D
bloc P
bloc D
bloc P
bloc D
bloc D
bloc D
Parité tournante

• Pour faire disparaître linconvénient majeur du
  RAID 4 en écriture, la parité est écrite
  alternativement sur lensemble des disques.
• Conçu au départ pour les applications
  transactionnelles en lecture, donne de bons
  résultats aussi dans le cas de grosses E/S.
  Remplace donc souvent le RAID 3.

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Combinaison RAID 01

• Performances du RAID 0 alliées à la sécurité du
  RAID 1

Disque logique
RAID 0
Disques physiques
RAID 1
Disques miroirs
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Évolution RAID 6

• Utilisation de codages Reed-Solomon ou Hamming,
  nécessitant plusieurs disques de contrôle
• de sécurité, mais encore plus de difficultés en
  mise à jour

Chunk D
Disque logique
Chunk D
Chunk D
Chunk D
Chunk P
Chunk D
Chunk D
Chunk D
Chunk Q
Chunk D
Chunk Q
Chunk D
Chunk D
Disques physiques
Chunk P
Chunk D
Chunk D
Chunk D
Chunk P
Chunk Q
Chunk D
Chunk D
Chunk Q
Chunk P
Chunk D
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Comparaison des modèles

• Performances

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Comparaison pour petites E/S
Performances comparées au RAID 0.  group size 
nombre de disques dans le système de parité.
RAID  High-Performance, Reliable Secondary
StoragePeter M. Chen, Edward K. Lee, Garth A.
Gibson, Randy H. Katz, David A. Pattersonarticle
de ACM Computing Surveys, octobre 1993
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Comparaison pour grandes E/S
Performances comparées au RAID 0.  group size 
nombre de disques dans le système de parité.
RAID  High-Performance, Reliable Secondary
StoragePeter M. Chen, Edward K. Lee, Garth A.
Gibson, Randy H. Katz, David A. Pattersonarticle
de ACM Computing Surveys, octobre 1993
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Amélioration des modèles le cache

• Ajout de cache, utile surtout en écriture
• Solution ayant ses limites

Solutions de stockage,Jacques Péping,Eyrolles,
1998
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Autres améliorations

• Parité flottante
• En cas de mise à jour, la parité nest pas
  réécrite au même endroit, mais loin sur la
  piste, pour éviter le délai rotationnel du disque
• Parity logging
• Stockage en mémoire des mises à jour de parité.
  Écriture séquentielle dès quun volume suffisant
  est atteint
• Disques  intelligents 
• Fonctions de calcul de parité, réordonnancement
  des requêtes pour optimisation

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Comparaison des modèles

• Disponibilité

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Exemple disponibilité du RAID 5
On montre que
Où N nombre total de disques G nombre
de disques dans un groupe de parité MTTR
Mean Time To Repair (temps de réparation dun
disque)
Reprenons notre exemple du début, 10 disques avec
MTTFde 200 000 heures (23 ans) et MTTR de 2
heures. Organisons les en 2 groupes de 5 (200
000)2/(10 x 9 x 2) 25 368 ans, soit une
probabilitéde 0,04 sur 10 ans.
RAID  High-Performance, Reliable Secondary
StoragePeter M. Chen, Edward K. Lee, Garth A.
Gibson, Randy H. Katz, David A. Pattersonarticle
de ACM Computing Surveys, octobre 1993
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Fonctionnement en mode dégradé

• RAID 0 perte des données
• Pas de mode dégradé !
• RAID 1 légère baisse de performances en lecture
  car plus de choix du disque le rapide
• RAID à parité dépend du disque perdu
• Si disque de parité idem en lecture, rapide
  en écriture !
• Si disque de données obligation de lire tous
  les autres disques !

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Reconstitution du disque défectueux

• HOT SWAP remplacement à chaud du disque
  défectueux
• HOT SPARE disque de secours en ligne dans la
  baie de disques
• Reconstruction coûteuse dans tous les cas

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Les coûts liés à la disponibilité
Mode Surcoût
RAID 0 0
RAID 1 100
RAID 3 à 5 1 / Nb disques
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Conclusion
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Domaines d application
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Le RAID aujourdhui

• Technique de base disponible dans la plupart des
  systèmes de disques et systèmes dexploitation
  (Unix, Windows 2000/NT)
• RAID matériel ou logiciel
• Le marché sest orienté vers le RAID 0, 1 et 5
  (et combinaisons 01)

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Diverses configurations matérielles
Cluster
RAID interne
Storage Area Network
Baie externe
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Cartes internes pour PC

• SCSI
• Hot-swap, hot-spare
• Supporte RAID 0, 1, 10, 5, 50
• Jusquà 15 disques
•                                                   
                  

•                                                   
               
• ATA
• Pour stations de travail
• RAID 0/1
• mirroring/striping
• Jusquà 4 disques ATA/100 or ATA/66

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Baies externes

• 2 unités Ultra160 SCSI RAID
• 2 contrôleurs
• RAID 0, 1, 3, 4, 5, 10 and 50
• 12 disques de 146 Go (1,7 To)