Redundant Array of Inexpensive Disks

Redundant Array of Inexpensive Disks

Pourquoi le RAID ?Les principes de baseLes modèles RAIDComparaison des modèlesConclusion

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Pourquoi le RAID ? Proposé en 1987 par l’université de

Berkeley 3 axes d’amélioration de l’existant...

Coût Performances Disponibilité des données

… difficiles à concilier en même temps

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 d’exploitation ou le SGBD voient un seul disque logique

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Performances : le data stripping

Disquesphysiques

bloc 1

bloc 2

bloc 3

bloc 4

bloc 1 bloc 2 bloc 3

bloc 4

Disquelogique

Stripe : ensemble de blocs de mêmeniveau

bloc : bloc de données destiné à être stocké sur un disque physique

2 possibilités selon le profil de l’application :Optimisation du taux de transfert (unité E/S applicative = bloc) pour application

transactionnelle -> plusieurs d’E/S de petite tailleOptimisation du taux d’E/S (unité E/S = stripe) pour application multimédia

-> 1 E/S de grosse taille

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Inconvénient du data stripping

MnMMM

MTTF1...

31

21

11

1

Exemple : un ensemble de 10 disques d’un 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).

L’utilisation de multiples disques, si elle améliore les performances, augmente donc le risque d’indisponibilité.

Le MTTF (Mean Time To Failure) décroît en fonctiondu nombre de composants :

Avec M=MTTF d’un composantn = nombre de composants

nMMTTFL’équation ci-dessus ce simplifie en si tous les composants ont le même MTTF, cas d’un disk array

formé de disques identiques.

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Disponibilité : redondance des données par duplication

Principe du miroir Les données sont dupliquées intégralement sur un

2ème disque Avec un décalage pour éviter une panne simultanée

Disquesphysiques

Disquelogique

bloc 1

bloc 2

bloc 3

bloc 4

bloc 1

bloc 2

bloc 3

bloc 4

bloc 1

bloc 2

bloc 3

bloc 4

Disque miroir

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Disponibilité : redondance des données par contrôle de parité

Disques physiques

bloc 1

bloc 2

bloc 3

bloc 4

bloc 1 bloc 2 bloc 3

bloc 4

Disquelogique

bloc P

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 l’information de n’importe quel disque à partir de celle des autres.

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Contrôle de parité : reconstitution

bloc_1 = 01011101XOR bloc_2 = 11101011XOR bloc_3 = 01010101--------------------------------= bloc_P = 11100011

Si le disque 2 tombe, on reconstruit l’information perdueà l’aide des 2 autres disques et du disque de parité :

bloc_1 = 01011101XOR bloc_3 = 01010101XOR bloc_P = 11100011 --------------------------------= bloc_2 = 11101011

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Inconvénients du contrôle de parité On ne peut perdre qu’un 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 l’ancienne valeur de bloc_1Lire l’ancienne paritéCalculer la nouvelle parité = bloc_1 XOR bloc_1’ XOR bloc_PÉcrire la nouvelle paritéÉcrire la nouvelle valeur de bloc 1

On doit faire 4 accès disques !

Modèles RAID

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Les modèles de base sans parité

Disquesphysiques

bloc 1

bloc 2

bloc 3

bloc 4

bloc 1 bloc 2 bloc 3

bloc 4

Disquelogique

RAID 0 (data stripping)

Disquesphysiques

Disquelogique

bloc 1

bloc 2

bloc 3

bloc 4

bloc 1

bloc 2

bloc 3

bloc 4

bloc 1

bloc 2

bloc 3

bloc 4

RAID 1 (miroir)

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Les modèles de base à parité fixe

Un disque est dédié à la parité.Unité d’entrée / sortie = 1 stripe (RAID 3) ou 1 bloc (RAID 4)Dans le cas du RAID 4, il devient un véritable goulet d’étranglement en écriture.Cet inconvénient n’existe pas en RAID 3 puisqu’on modifie de toute façon l’ensemble des blocs.

RAID 3 et 4

Disquesphysiques

bloc 1

bloc 2

bloc 3

bloc 4

bloc 1 bloc 2 bloc 3

bloc 4

Disquelogique

bloc P

Parité fixe

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Les modèles de base à parité tournante

Disquesphysiques

bloc D

bloc D

bloc D

bloc D

bloc D

bloc D bloc D

bloc D

Disquelogique

bloc P bloc D

bloc D

bloc D bloc D bloc D

bloc P

bloc P

bloc Pbloc Dbloc Dbloc D

Parité tournante

RAID 5

Pour faire disparaître l’inconvénient majeur du RAID 4 en écriture,la parité est écrite alternativement sur l’ensemble 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 0+1 Performances du RAID 0 alliées à

la sécurité du RAID 1

Disquesphysiques

Disquelogique

Disquesmiroirs

RAID 0

RAID 1

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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

Disquesphysiques

Chunk D

Chunk D

Chunk D

Chunk D

Chunk P

Chunk Q Chunk D

Chunk D

Disquelogique

Chunk P Chunk D

Chunk Q

Chunk Q Chunk D Chunk D

Chunk D

Chunk D

Chunk DChunk QChunk PChunk D

Chunk D

Chunk D

Chunk P

Chunk D

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

0

25

50

Temps de réponse (ms)

Entrées/sorties par seconde100 200 300

Sans cachecache

Avec ou sans cache

100% lecture100% écriture

Solutions de stockage,Jacques Péping,Eyrolles, 1998

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Autres améliorations Parité flottante

En cas de mise à jour, la parité n’est 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 qu’un volume suffisant est atteint

Disques « intelligents » Fonctions de calcul de parité, réordonnancement

des requêtes pour optimisation

Comparaison des modèles

Disponibilité

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Exemple : disponibilité du RAID 5

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.

)()1(

2)()5(

diskMTTRGNdiskMTTF

raidMTTF

Où N = nombre total de disques G = nombre de disques dans un groupe de parité MTTR = Mean Time To Repair (temps de réparation

d’un disque)

On montre que :

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

Conclusion

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Domaines d ’applicationMODE Utilisation recommandée

0 Hautes performances en lecture/écriture pour donnéesnon critiques (fichiers temporaires…)

1 Bonne performance en lecture et écriture pour donnéestrès sensibles. Journaux de bases de données, donnéesvitales

0+1 Haute performance en lecture et écriture pour donnéestrès sensibles. Journaux de bases de données, donnéesvitales

3 Pour applications de transfert intensif (multimédia) enenvironnement faiblement multi-tâches

5 Pour applications transactionnelles principalement enlecture. Peut remplacer avantageusement un RAID 3.

6 Pour applications transactionnelles en lecture avecdonnées très sensibles

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Le RAID aujourd’hui Technique de base disponible dans

la plupart des systèmes de disques et systèmes d’exploitation (Unix, Windows 2000/NT)

RAID matériel ou logiciel Le marché s’est orienté vers le

RAID 0, 1 et 5 (et combinaisons : 0+1)