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Raid - SO1

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Dischi Multipli

Quando si hanno a disposizione più dischi si possono prendere due scelte:

Trattarli Separatamente

  • Windows li mostrerebbe esplicitamente come dischi diversi, con etichette diverse
  • Linux permette di dire che alcune directory sono in un disco, altre su un altro

In entrambi i casi durante l’installazione del sistema operativo, si specificano i deschi e poi non ci si pensa più.

Trattarli come un Disco Unico

È possibile trattare dischi fisici diversi come un unico disco virtuale, si usano principalmente due tecnologie, a seconda che interessi o meno la sicurezza dei dati:

Linux LVM (Logical Volume Manager)

  • Cos’è: Un modulo del kernel Linux che unisce dischi diversi in un unico grande spazio logico.
  • A cosa serve: Risolve il problema del “disco pieno”. Evita che una singola directory cresca fino a saturare il suo disco mentre altri dischi rimangono vuoti. L’utente non deve preoccuparsi di dove salvare i file.
  • Limiti: È pensato per pochi dischi e non offre ridondanza. Se si rompe un disco fisso, l’intero disco virtuale è a rischio.

RAID (Redundant Array of Independent Disks)

Tecnologia utilizzata quando, oltre a unire i dischi, si cerca sicurezza e velocità.

Obbiettivi

  • Ridondanza: Lo stesso dato viene memorizzato su più dispositivi contemporaneamente. Se un disco si rompe, il dato è al sicuro sugli altri. Le modifiche ai file vengono propagate automaticamente su tutti i dischi del vettore.
  • Performance: Permette di parallelizzare le operazioni, velocizzando la lettura e la scrittura dei dati.

Livelli di gestione

  • RAID Hardware: Il sistema operativo vede l’array come un singolo disco standard e si limita a fare operazioni di read e write. È il controller fisico del dispositivo che si occupa di gestire la distribuzione e la ridondanza dei dati internamente.
  • RAID Software: È il sistema operativo stesso a farsi carico della gestione dei dischi tramite software (consumando risorse di calcolo della CPU).

RAID 0 (Striping)

  • Ridondanza: ❌ Nessuna Non offre alcuna tolleranza ai guasti.
  • Funzionamento: I dischi sono divisi in strip (insiemi di settori). Un insieme di strip sulla stessa riga logica prende il nome di stripe. I dati vengono distribuiti ciclicamente tra i dischi.
  • Vantaggi: Parallelizzazione pura. Se un file è diviso su più strip, viene letto o scritto contemporaneamente da dischi diversi, moltiplicando la velocità.
  • Capacità totale: Somma algebrica delle capacità di tutti i dischi.

RAID 1 (Mirroring)

  • Ridondanza: Alta. Ogni dato viene duplicato fedelmente su un disco specchio.
  • Funzionamento: Configurato in coppie. Se abbiamo dischi fisici, la capacità utile di memorizzazione sarà pari a solo dischi.
  • Tolleranza ai guasti: Se si rompe un disco, il sistema continua a funzionare usando la copia. Se si rompono due dischi, il sistema sopravvive solo se appartengono a coppie diverse; se si rompono sia il disco principale che il suo rispettivo specchio, i dati sono persi.

RAID 2 (Hamming Code)

  • Ridondanza: A livello di singoli bit, non di intero disco.
  • Funzionamento: Utilizza i codici di Hamming per rilevare errori su 2 bit e correggerli su un singolo bit. I dischi di overhead necessari per memorizzare il codice sono proporzionali al logaritmo della capacità dei dischi dati.
  • Stato: Obsoleto. Non viene utilizzato nei sistemi moderni poiché i dischi rigidi integrano già nativamente il controllo dell’errore a livello di settore.

RAID 3 (Bit-Interleaved Parity)

  • Funzionamento: L’architettura prevede un unico disco dedicato esclusivamente alla memorizzazione della parità calcolata bit a bit (tramite operazione logica XOR) sulle stesse posizioni dei dischi dati. Se il numero di bit a 1 è dispari, la parità è 1; se è pari, la parità è 0.
  • Tolleranza ai guasti: Tollera il fallimento di un singolo disco qualsiasi.
  • Stato: Non usato commercialmente, ma fondamentale come concetto propedeutico per i livelli successivi.

RAID 4 (Block-Level Parity)

  • Funzionamento: Identico al RAID 3, ma la parità viene calcolata e scritta a livello di blocchi di memoria (block) anziché di singoli bit.
  • Limiti: Offre un ottimo parallelismo in lettura, ma soffre del problema delle piccole scritture. Poiché il disco di parità è uno solo ed è dedicato, ogni singola operazione di scrittura su qualsiasi disco dati costringe il sistema ad aggiornare anche il disco di parità, creandovi un forte collo di bottiglia (imbuto prestazionale).

RAID 5 (Distributed Parity)

  • Funzionamento: Risolve il collo di bottiglia del RAID 4. Le informazioni di parità non sono isolate su un unico supporto, ma vengono distribuite ciclicamente su tutti i dischi dell’array.
  • Vantaggi: Non essendoci un disco di parità fisso, i carichi di scrittura della parità vengono ripartiti uniformemente su tutti i dischi.
  • Tolleranza ai guasti: Tollera il fallimento di 1 solo disco.

RAID 6 (Dual Distributed Parity)

  • Funzionamento: Evoluzione del RAID 5 in cui vengono generate due diverse funzioni di parità (chiamate parità e parità ), distribuite asimmetricamente su tutti i dischi. Richiede un overhead fisso pari allo spazio di 2 dischi.
  • Tolleranza ai guasti: Molto alta. Può sopportare il fallimento simultaneo di 2 dischi qualsiasi.
  • Performance: Identico al RAID 5 in lettura. In scrittura presenta invece una penalità prestazionale (Write Penalty) di circa il 30% superiore rispetto al RAID 5, dovuta al doppio calcolo e alla doppia scrittura delle parità per ogni blocco aggiornato.

I parametri fondamentali usati per valutare le prestazioni e l’affidabilità di una configurazione RAID sono:

  • Parallel Access (Accesso Parallelo): Tutti i dischi dell’array lavorano in modo sincronizzato per servire una singola richiesta di I/O. Ottimo per trasferire file molto grandi.
  • Independent Access (Accesso Indipendente): Ogni disco (o sottoinsieme di dischi) può elaborare una richiesta di I/O diversa in modo autonomo. Consente al sistema di soddisfare molteplici richieste di file distinti in contemporanea.
  • Data Availability (Disponibilità dei Dati): La capacità dell’array di continuare a funzionare e permettere il recupero dei dati in caso di guasto hardware (tolleranza ai guasti).
  • Small I/O Request Rate: L’efficienza e la velocità del RAID nel rispondere a richieste di lettura/scrittura di file di piccole dimensioni. I sistemi con parità distribuita (RAID 5) o mirroring (RAID 1) offrono tassi migliori rispetto ai sistemi con parità dedicata (RAID 4) che soffrono sui carichi di scrittura frequenti.

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