RAID

Tutorial RAID por software no Linux

Autor: Marcio Katan

Técnico de Suporte Linux e Instrutor Certificado Conectiva Mandriva

Autor do livro: Linux no Computador Pessoal com Conectiva 10

marcio_katan@yahoo.com.br

Rio de Janeiro – RJ

Redundant Array of Inexpensive Disks – Arranjo (Matriz) Redundante de Discos Independentes

A tecnologia RAID é utilizada para combinar dois ou mais (“vários”) discos (HDs) ou partições em um arranjo formando uma única unidade lógica (matriz) para armazenamento de dados. A idéia básica do RAID consiste em dividir a informação em unidades e, em caso de falha de um destes, uma outra unidade assume a que falhou.

Quando uma informação é endereçada ao arranjo RAID, elá será segmentada e armazenada de forma distribuída nas unidades que formam o arranjo. Esta informação segmentada é dividida de acordo com o que chamamos de “stripe” (pedaço). A junção (soma) dos stripes dos dispositivos formam o chunk do dispositivo RAID. O tamanho do chunk é medido em KB (kiloBytes), variando de 4 (para 4 KB) a 4096 (para 4MB). Se uma informação A tem 16KB de tamanho, e o chunk do arranjo for de 18KB, cada segmento (stripe) da informação será segmentado em 8KB cada e armazenado nos dispositivos. Quando não é definido o tamanho do chunk, o sistema assume como padrão o valor de 64KB. O chunk para o dispositivo RAID é o mesmo que o bloco para o sistema de arquivo.

O dispositivo virtual (matriz/arranjo) criado para gerenciar o RAID chama-se MD (multiple device – dispositivo múltiplo).

A tecnologia RAID foi desenvolvida na universidade de Berkeley – Califórnia – a mais de 15 anos.

Existem dois tipos de RAID:

• Por HARDWARE

  Este tipo de RAID é implementado, principalmente nas controladoras SCSI. Praticamente, todas as controladoras SCSI possui RAID por hardware. Algumas placas-mães (como ABIT, SOYO e ASUS) trazem consigo, suporte a RAID para unidades IDE. As controladoras mais utilizadas nestas placas, são a HPT e PROMISSE. Todas as controladoras SATA trazem suporte a RAID.

• Por SOFTWARE

  Neste tipo de RAID, o arranjo é controlado pelo kernel do sistema operacional. O kernel do Linux suporta RAID pelos softwares (ferramentas) raidtools e/ou mdadm. As distribuições de versões mais antigas, utilizavam o raidtools. Hoje, praticamente todas as distribuições utilizam o mdadm (multiple devices admin). E é esta ferramenta que será abordada neste tutorial.

As distribuições utilizadas para os testes foram o Mandriva 2006 Power Pack e Debian Sarge 3.1 r0.

O RAID é dividido em níveis, variando de RAID Linear, 0, 1, 2, 3, 4, 5 a suas formas combinadas (híbridas): 0+1, 1+0, 5+0. Neste tutorial, veremos os conceitos dos RAIDs Linear, 0, 1, 2, 3, 4 e 5.

Para a implementação do RAID, são necessários no mínimo dois dispositivos. Alguns níveis necessitam três, quatros ou até mais dispositivos!

OBS.: Embora seja explicado neste tutorial os níveis de RAID 2 e 3, estes não são suportados pelo Linux

Vejamos uma breve explicação sobre os níveis de RAID:

• RAID Linear

  Foi a primeira “tentativa” de RAID. RAID Linear nada mais é do que a concatenação (junção) de discos ou partições para formar um único arranjo virtual. Com o advento do LVM (Logical Volume Manager – Gerenciador de Volume Lógico) o RAID Linear ficou obsoleto.

Neste nível, a informação é gravada no primeiro dipositivo até completá-lo e, ao ocupar o primeiro dispositivo, segue seu armazenamento na segunda unidade e assim sucessivamente.

Cálculo do RAID Linear: HD 20GB + HD 20GB = /dev/md0 40GB

• RAID 0 – DATA STRIPPING

  No nível RAID 0, a informação é segmentada e, cada segmento, armazenado em cada unidade do arranjo. Neste nível, não há redundância, pois há somente uma divisão (stripping) da informação. A única vantagem do RAID 0 é o ganho de velocidade no acesso a informação.

  
  HD 20GB + HD 20GB = /dev/md0 40GB

• RAID 1 – DATA MIRRORING

  No RAID nível 1, a informação é gravada igualmente em todas as unidades (mirror – espelho). À partir deste nível, hà redundância de dados, pois com a duplicidade da informação, quando uma unidade falha, o seu espelho (mirror) assume.

  HD 20GB + HD 20GB = /dev/md0 20GB

• RAID 2 – DATA STRIPPING WITH ECC

  O nível RAID 2 está obsoleto. Este nível consiste em segmentar a informação pelos dispositivos e, ao gravar a informação, é gravado em uma unidade extra (dedicada) uma informação de ECC (Error Correcting Code – Código de Correção de Erro). Como todos os HDs atuais possuem a tecnologia de ECC para gravação de dados, este nível ficou obsoleto.

  HD 20GB + HD 20GB + HD 20 GB (ECC) = /dev/md0 40GB

• RAID 3 – DATA STRIPPING WITH PARITY DISK

  No RAID nível 3, quando a informação é segmentada pelos dipositivos, esta segmentação é feita por grupos de bits e é gerado uma informação de paridade em um disco dedicado para reconstrução da informação quando um dispositivo vier falhar no arranjo. A recontrução é feita em um outro disco chamado de spare disk (disco estepe – reserva). Embora o bit de paridade seja utilizado para reconstruir a informação, serão necessários quatro discos (unidades) para uma “perfeita” implementação do RAID nível 3. Dois discos para a implementação da segmentação, um para a paridade e um para o spare.

  Pelo fato da implementação do RAID 3 gerar um segmentação muito elevada da informação (pedaços – stride – muito pequenos), este nível gera muito acesso de E/S, tornando-o muito lento em determindas situações. Por este motivo, o RAID 4 o substituiu.

  HD 20GB + HD 20GB +HD 20GB (PARIDADE) + HD 20 GB (SPARE) = /dev/md0 40GB

• RAID 4

  O nível de RAID 4 é semelhante ao nível 3. A diferença está na segmentação dos dados (maior no nível 4) e a construção da informação pela paridade, que é feita em tempo real quando um dispositivo falha.

  HD 20GB + HD 20GB + HD 20GB(P) + HD 20GB(SPARE) = /dev/md0 40GB

• RAID 5

  No RAID 5, surge uma nova implementação da segmentação da informação e do uso (armazenamento) da paridade. Neste nível, a paridade não é mais armazenada em um único disco dedicado. Um algorítimo é utilizado para segmentar a informação e calcular a paridade. Se um arranjo RAID tem 5 dispositivos, o primeiro bloco da informação será segmentado pelos quatros primeiros dispositivos e a paridade armazenada no quinto. No segundo bloco de dados, este será segmentado e armazenado até o terceiro bloco, pois o quarto bloco, que seria armazenado no quarto dispositivo será utilizado para guardar o segmento de paridade e o quarto segmento de dado será gravado no quinto dispositivo. O terceiro bloco de dados segue o mesmo algorítimo (raciocínio). Será segmentado e sua paridade é gravado no dispositivo anterior, e assim sucessivamente (veja desenho abaixo.)

  O algorítimo utilizado para a paridade utiliza cerca de 30% de espaço em disco para armazenar a paridade.

MÃOS À OBRA

Antes de criar o dispositivo raid, deve-se “sinalizar” (marcar) as partições com sendo de uso para o raid.

OBS.: Em caso de utilização de HDs inteiros para compor os dispositivos do arranjo, deve-se criar uma única partição no HD.

Com a ferramenta fdisk marque os dispositivos como sendo do tipo fd Detecção automática de RAID – o código é em hexadecimal (0x0fd). Para mais detalhe de como utilizar o fdisk, veja sua página man.

Criando o arranjo:

Ferramenta mdadm

mdadm [-C | --create] [-v | --verbose] /dev/mdX [-l N | --level=N] [-c N | --chunk=N]

[-n N D1 D2 ... Dn | --raid-devices=N D1 D2 ... Dn]

[-p <algorithm>] [-x N Dx1 Dx2 ... Dxn | --spare-devices=N Dx1 Dx2 ... Dxn]

Opções:

-C ou --create

Esta opção cria o dispositivo. O primeiro dispositivo raid será sempre /dev/md0. Qualquer uma das opções podem ser utilizadas (-C ou –create)

Ex.: mdadm -C

mdadm --create

-v ou --verbose

Esta opção mostra em detalhes a criação do arranjo

Ex.: mdadm -v

mdadm --verbose

/dev/mdX

O arranjo em /dev. O X do mdX começa em 0 (zero) e segue de acordo com ordem de criação.

Ex.: mdadm -Cv /dev/md0

-l N ou --level=N

Nível do raid a ser implementado no arranjo. N é o número do nível - 0, 1, 4, 5 - ou linear para RAID Linear). Pode-se utilizar a forma raid0, raid1, raid4, raid5.

Ex.: -l 5

--level=raid5

-c N ou --chunk=N

Tamanho do chunk utilizado no arranjo. Se omitido, o sistema assume o valor de 64 (KB)

Ex.: -c 32

--chunk=32

-n N <device_1> <device_2> <device_N> ou --raid-devices=N <device_1> <device_2> <device_N>

Quantidade e lista dos dispositivos que irão compor o arranjo raid. N para o total de dispositivos que irão compor o arranjo.

Ex.: -n 3 /dev/hdb1 /dev/hdc1 /dev/hdd1

--raid-devices=3 /dev/hdb1 /dev/hdc1 /dev/hdd1

-p <algorithm> ou parity=<algorithm>

Algorítimo utilizado para cálculo da paridade. Somente utilizado no RAID nível 5.

Algorítimos possíveis: left-asymmetric (la), right-asymmetric (ra), left-symmetric (ls) ou right- symmetric (rs). Se omitido, o sistema assume left-symmetric como padrão. E este é o algorítimo de melhor performance.

Ex.: -p left-symmetric

--parity=left-symmetric

-x N <device_1> <device_2> <device_N> ou --spare-disks=N <device_1> <device_2> <device_N>

Quantidade e lista dos dispositivos que serão utilizados como dispositivo reserva (spare). Caso se esteja configurando um arranjo RAID 4, de acordo com o man do mdadm, o disco spare será utilizado como disco de armazenamento da paridade. Esta informação não está plenamente confirmada!

Ex.: -x 2 /dev/hde /dev/hdf

--spare-disks=2 /dev/hde /dev/hdf

Criando o arranjo RAID

RAID 0

mdadm --create --verbose /dev/md0 --level=0 –chunk=4 --raid-devices=2 /dev/hda2 /dev/hdb2

ou

mdadm -C -v /dev/md0 -l 0 -c 4 -n 2 /dev/hda2 /dev/hdb2

Por questões óbvias, o RAID 0 não tem disco spare.

RAID 1

mdadm --create --verbose /dev/md0 –level=raid1 --chunk=16 --raid-devices=2 /dev/hdb /dev/hdd

ou

mdadm -C -v /dev/md0 -l 1 -c 4 -n 2 /dev/hda1 /dev/hdb1

* se tiver disco spare, acrescente: --spare-devices=1 ou -x 1 /dev/hdc2

RAID 5

mdadm -C -v /dev/md0 -l 5 -c 32 -p ls -n 4 /dev/hda1 /dev/hdb1 /dev/hdc1 /dev/hdd1

ou

mdadm --create --verbose /dev/md0 --level=raid5 --chunk=32 --parity=left-symmetric -raid-devices=4 /dev/hda1 /dev/hdb1 /dev/hdc1 /dev/hdd1

* se tiver disco spare, acrescente: --spare-devices=1 ou -x 1 /dev/hdc2

Ao finalizar a criação do arranjo, deve-se editar o arquivo /etc/mdadm.conf (no Mandriva) (/etc/mdadm/mdadm.conf no Debian) para o gerenciamento do arranjo:

Opções do arquivo:

DEVICE

Opção DEVICE deve conter os dispositivos que compõem o arranjo. Não se acrescenta os dispositivos spare aqui.

DEVICE <device1> <device2> <deviceN>

ou

DEVICE /dev/hd[abcd]1

Ex.: DEVICE /dev/hda1 /dev/hb1 /dev/hdc1

ou

DEVICE /dev/hd[abc]1

ARRAY

Opção ARRAY deve conter a lista dos dispositivos do arranjo e também os dispositivos spare.

ARRAY <array_raid> <level=N> devices=<device1>,<device2>,<deviceN>

Ex.: ARRAY /dev/md0 level=5 devices=/dev/hda1,/dev/hdb1,/dev/hdc1,/dev/hde1,/dev/hdf1

MAILADDR

Email do administrador para avisos em caso de algum problema com o arranjo.

MAILADDR <email>

Ex.: MAILADDR marcio_katan@yahoo.com.br

Gerenciamento:

Para visualizar os detalhes do arranjo:

mdadm -D /dev/md0

ou

mdadm –detail /dev/md0

Para interromper (Stop) o arranjo

mdadm -S /dev/md0

ou

mdadm --stop /dv/md0

Para re-inicializar (Run) o arranjo

mdadm -R /dev/md0

ou

mdadm --run /dev/md0

ATENÇÃO: Esta opção só irá funcionar se o arquivo mdadm.conf estiver configurado corretamente.

Para simular uma falha

mdadm -f /dev/md0 /dev/hda2

ou

mdadm --manage --set-faulty /dev/md0 /dev/hda2

Removendo dispositivo do arranjo

mdadm /dev/md0 -r /dev/hda2

Adicionado dispositivos ao arranjo

mdadm /dev/md0 -a /dev/hda2

Para remover e adicionar ao mesmo tempo um dispositivo ao arranjo:

mdadm /dev/md0 -r /dev/hdb1 -a /dev/hdc1

Formatando:

Atenção especial deve ser dada ao formatar um dispositivo raid (md0).

O aplicativo mkfs sempre formata, por padrão, com blocos de 4096B (4KB). Como o arranjo raid tem um “pseudo” bloco (chunk) criado de tamanho variável, este dois valores (do chunk e do bloco do mkfs) devemos passar um paramêtro ao mkfs para o sistema de arquivos do arranjo não dar problemas.

É a opção -R stride=N, onde N é um valor que, multiplicado pelo valor do bloco do mkfs, deve ser atingir o valor do chunk.

Por exemplo: Se o chunk do arranjo for de 32KB, o valor do stride será de 8(KB). Pois, 4 (KB do bloco do mkfs), multiplicado por 8 (KB) será igual a 32 (KB do chunk do arranjo.)

mkfs -b 4096 -R stride=8 /dev/md0

Referências:

http://www.acnc.com/04_00.html

Um ótimo artigo (em inglês) sobre os níveis de RAID. Há, inclusive, slides animados exemplificando cada nível.

http://unthought.net/Software-RAID.HOWTO/

The Software RAID HOW_TO

http://www.conectiva.com/doc/livros/online/9.0/servidor/raid.html

Guia on-line da Conectiva sobre RAID com a ferramenta raidtools.

Página man do mdadm

Sobre o autor:

Quer usar Linux em seu computador pessoal?

Compre o livro Linux no Computador Pessoal com Conectiva 10