Sistemas de tolerancia a fallos en discos

Hay tres tipos de discos duros: los IDE (incluye los serial ATA), los SCSI (y su última versión, los SAS) y los de estado sólido o SSD. Los SCSI son especiales y están especialmente mejorados para trabajar con servidores. Aunque veamos ofertas de servidores con discos baratos de tipo IDE (o Serial ATA), estos no están preparados para dar un buen rendimiento en servidores así que debemos cambiar esa configuración para sustituir esos discos por discos SCSI o SSD.

Los discos de estado sólido SSD son la mejor alternativa teniendo buen presupuesto, ya que tienen un precio bastante elevado en su versión para servidor. Sin duda son la opción más rápida y la que más nivel de entradas/salidas (input/outputs) proporcionan en el almacenamiento.

Es evidente que la información es el activo más valioso e importante de cualquier empresa, que los datos han de estar disponibles en todo momento (24 horas x7 días a la semana x365 días al año) y además que debemos estar preparados contra incidencias. El coste de una posible pérdida de información y el tiempo durante el cual el sistema no está en explotación mientras se soluciona el problema, es un lujo que cada vez menos empresas pueden permitirse. Así pues, disponer de un sistema de almacenamiento seguro y tolerante al fallo, como los sistemas RAID, es algo imprescindible

La configuración de estos discos SCSI o SSD, que en muchos servidores vienen ya configurados, la haremos con los sistemas tolerantes a fallos o RAID. Habitualmente los servidores incorporan tarjetas "hardware" que realizan esta construcción de los sistemas RAIS redundantes que veremos a continuación. Pero vamos a realizar unas prácticas con discos en Windows que se comportarán de forma idéntica a la gestionaría estas tarjetas hardware o una cabina de almacenamiento externa.

También conocido como "separación o fraccionamiento/ Striping". Los datos se desglosan en pequeños segmentos y se distribuyen entre varias unidades. Este nivel de "array" o matriz no ofrece tolerancia a fallos. (Es decir crea una sola unidad con varios discos, pero la información no se replica por lo tanto si se estropea uno perderemos la información. La ventaja es que por hardware creamos una unidad lógica que se compone de varios discos: transparente para nosotros y muy rápida). Al no existir redundancia, RAID 0 no ofrece ninguna protección de los datos. El fallo de cualquier disco de la matriz tendría como resultado la pérdida de los datos y sería necesario restaurarlos desde una copia de seguridad. Por lo tanto, RAID 0 no se ajusta realmente al acrónimo RAID.

Consiste en una serie de unidades de disco conectadas en paralelo que permiten una transferencia simultánea de datos a todos ellos, con lo que se obtiene una gran velocidad en las operaciones de lectura y escritura. La velocidad de transferencia de datos aumenta en relación con el número de discos que forman el conjunto. Esto representa una gran ventaja en operaciones secuenciales con ficheros de gran tamaño. Por lo tanto, este array es aconsejable en aplicaciones de tratamiento de imágenes, audio, vídeo o CAD/CAM, es decir, es una buena solución para cualquier aplicación que necesite un almacenamiento a gran velocidad pero que no requiera tolerancia a fallos. Se necesita un mínimo de dos unidades de disco para implementar una solución RAID 0.

También llamado "Mirroring" o "Duplicación" (Creación de discos en espejo). Se basa en la utilización de discos adicionales sobre los que se realiza una copia en todo momento de los datos que se están modificando. RAID 1 ofrece una excelente disponibilidad de los datos mediante la redundancia total de los mismos. Para ello, se duplican todos los datos de una unidad o matriz en otra. De esta manera se asegura la integridad de los datos y la tolerancia a fallos, pues en caso de avería, la controladora sigue trabajando con los discos no dañados sin detener el sistema. Los datos se pueden leer desde la unidad o matriz duplicada sin que se produzcan interrupciones.

RAID 1 es una buena solución para las aplicaciones que requieren redundancia cuando hay solo dos unidades disponibles. Los servidores de archivos pequeños son un buen ejemplo. Se necesita un mínimo de dos unidades para implementar una solución RAID 1.

Combinación de los arrays anteriores que proporciona velocidad y tolerancia al fallo simultáneamente. El nivel de RAID 0+1 fracciona los datos para mejorar el rendimiento, pero también utiliza un conjunto de discos duplicados para conseguir redundancia de datos. Al ser una variedad de RAID híbrida, RAID 0+1 combina las ventajas de rendimiento de RAID 0 con la redundancia que aporta RAID 1. Sin embargo, la principal desventaja es que requiere un mínimo de cuatro unidades y solo dos de ellas se utilizan para el almacenamiento de datos. Las unidades se deben añadir en pares cuando se aumenta la capacidad, lo que multiplica por dos los costes de almacenamiento.

Es decir, creamos una matriz con dos discos utilizando la configuración de RAID 0 que bajo una única unidad podemos incluir varias físicas. Y luego le aplicamos el nivel 1 junto con otros dos discos que tenemos, es decir, hará una copia exacta de esos dos discos en los otros. De todo esto se encarga la tarjeta RAID así sabemos que en todo momento tenemos una copia por si se estropeara algún disco. Lo malo es que siempre hay dos discos "perdidos" ya que forman parte de la copia.

El RAID 0+1 tiene un rendimiento similar al RAID 0 y puede tolerar el fallo de varias unidades de disco. Una configuración RAID 0+1 utiliza un número par de discos (4, 6, 8) creando dos bloques. Cada bloque es una copia exacta del otro, de ahí RAID 1, y dentro de cada bloque la escritura de datos se realiza en modo de bloques alternos, el sistema RAID 0. RAID 0+1 es una excelente solución para cualquier uso que requiera gran rendimiento y tolerancia a fallos, pero no una gran capacidad. Se utiliza normalmente en entornos como servidores de aplicaciones, que permiten a los usuarios acceder a una aplicación en el servidor y almacenar datos en sus discos duros locales, o como los servidores web, que permiten a los usuarios entrar en el sistema para localizar y consultar información. Este nivel de RAID es el más rápido, el más seguro, pero por contra el más costoso de implementar.

El RAID nivel 2, poco utilizado, adapta la técnica comúnmente usada para detectar y corregir errores en memorias de estado sólido. En un RAID de nivel 2, el código ECC (Error Correction Code) se intercala a través de varios discos a nivel de bit. El método empleado es el Hamming. Puesto que el código Hamming se usa tanto para detección como para corrección de errores (Error Detection and Correction), RAID 2 no hace uso completo de las amplias capacidades de detección de errores contenidas en los discos.

Los que hemos estudiado Informática conocemos esta codificacion donde a través de unos códigos se pueden detectar y corregir errores en la lectura. Las propiedades del código Hamming también restringen las configuraciones posibles de matrices para RAID 2, particularmente el cálculo de paridad de los discos. Por lo tanto, RAID 2 no ha sido apenas implementado en productos comerciales, lo que también es debido a que requiere características especiales en los discos y no usa discos estándares.

Debido a que es esencialmente una tecnología de acceso paralelo, RAID 2 está más indicado para aplicaciones que requieran una alta tasa de transferencia y menos conveniente para aquellas otras que requieran una alta tasa de demanda I/O.

Dedica un único disco al almacenamiento de información de paridad. La información de ECC (Error Checking and Correction) se usa para detectar errores. La recuperación de datos se consigue calculando el O exclusivo (XOR) de la información registrada en los otros discos. La operación I/O accede a todos los discos al mismo tiempo, por lo cual el RAID 3 es mejor para sistemas de un solo usuario con aplicaciones que contengan grandes registros.

RAID 3 ofrece altas tasas de transferencia, alta fiabilidad y alta disponibilidad, a un coste intrínsicamente inferior a un Mirroring (RAID 1). Sin embargo, su rendimiento de transacción es pobre porque todos los discos del conjunto operan al unísono.

Se necesita un mínimo de tres unidades para implementar una solución RAID 3.

Este array ofrece tolerancia a fallos y, además, optimiza la capacidad del sistema permitiendo una utilización de hasta el 80 % de la capacidad del conjunto de discos. Esto lo consigue mediante el cálculo de información de paridad y su almacenamiento alternativo por bloques en todos los discos del conjunto.

La información del usuario se graba por bloques y de forma alternativa en todos ellos. De esta manera, si cualquiera de las unidades de disco falla, se puede recuperar la información en tiempo real, sobre la marcha, mediante una simple operación de lógica de O exclusivo, sin que el servidor deje de funcionar.

Así pues, para evitar el problema de cuello de botella que plantea el RAID 4 con el disco de comprobación, el RAID 5 no asigna un disco específico a esta misión, sino que asigna un bloque alternativo de cada disco a esta misión de escritura. Al distribuir la función de comprobación entre todos los discos, se disminuye el cuello de botella y con una cantidad suficiente de discos puede llegar a eliminarse completamente, proporcionando una velocidad equivalente a un RAID 0.

RAID 5 es el nivel de RAID más eficaz y el de uso preferente para las aplicaciones de servidor básicas para la empresa. Comparado con otros niveles RAID con tolerancia a fallos, RAID 5 ofrece la mejor relación rendimiento-coste en un entorno con varias unidades. Gracias a la combinación del fraccionamiento de datos y la paridad como método para recuperar los datos en caso de fallo, constituye una solución ideal para los entornos de servidores en los que gran parte del E/S es aleatoria, la protección y disponibilidad de los datos es fundamental y el coste es un factor importante. Este nivel de array es especialmente indicado para trabajar con sistemas operativos multiusuarios. Se necesita un mínimo de tres unidades para implementar una solución RAID 5.

Los niveles 4 y 5 de RAID pueden utilizarse si se disponen de tres o más unidades de disco en la configuración, aunque su resultado óptimo de capacidad se obtiene con siete o más unidades. RAID 5 es la solución más económica por megabyte, que ofrece la mejor relación de precio, rendimiento y disponibilidad para la mayoría de los servidores.

Similar al RAID 5, pero incluye un segundo esquema de paridad distribuido por los distintos discos y por tanto ofrece tolerancia extremadamente alta a los fallos y a las caídas de disco, ofreciendo dos niveles de redundancia.