Wat is Hybrid RAID? Een Complete Beginnersgids

Wat is RAID? Een korte samenvatting

Een korte samenvatting van standaard-RAID is nuttig alvorens de geneste versies te bekijken. RAID, een afkorting van Redundant Array of Independent Disks, is een opslagtechnologie die meerdere fysieke schijven samenvoegt tot één logisch volume dat door het besturingssysteem wordt herkend. Wat de array daadwerkelijk oplevert – of dat nu snellere leessnelheden, bescherming tegen een defecte schijf of een combinatie van beide is – hangt af van het niveau dat op de controller is geconfigureerd.

De meest gangbare standaardniveaus werken als volgt:

• RAID 0: Het enige doel is doorvoersnelheid. De controller verdeelt elk bestand in blokken van vaste grootte en verspreidt deze gelijktijdig over twee of meer schijven. Er is geen bescherming, wat betekent dat bij het uitvallen van één enkele schijf alle gegevens op de array verloren gaan.
• RAID 1: Op dit niveau worden data gespiegeld in plaats van gestriped. Twee schijven bevatten identieke kopieën, en elke schrijfbewerking wordt gelijktijdig op beide vastgelegd. De redundantie is volledig, maar slechts de helft van de ruwe capaciteit is bruikbaar, aangezien de rest is toegewezen aan de dubbele kopie.
• RAID 5: Data en pariteit worden gestriped over drie of meer schijven, waarbij de pariteit wordt afgeleid via een XOR-bewerking. Als één schijf uitvalt, reconstrueert de array de inhoud aan de hand van de pariteit die op de andere schijven is opgeslagen. Voor de meeste werklasten biedt dit een bruikbare balans tussen capaciteit, redundantie en leessnelheid.
• RAID 6: Elke stripe gaat vergezeld van twee pariteitswaarden, berekend via Reed–Solomon-codering en aangeduid met P en Q. Het voordeel is dat twee schijven tegelijkertijd kunnen uitvallen zonder dataverlies. Vier schijven zijn het minimumvereiste. Het berekenen van twee pariteitswaarden bij elke schrijfbewerking brengt wel kosten met zich mee, waardoor de schrijfsnelheid lager uitvalt dan die van RAID 5.

Dit zijn allemaal single-tier-configuraties. Elke schijf vervult dezelfde rol en de array blijft gebonden aan één vaste afweging.

Hybride RAID, ook wel geneste RAID genoemd, plaatst het ene RAID-niveau binnen het andere. In de regel zorgt de binnenste laag voor redundantie door middel van mirroring of pariteit, en zorgt de buitenste laag voor doorvoersnelheid door middel van striping.

De fysieke schijven worden eerst georganiseerd in een binnenste array op het primaire niveau. Deze groepen worden vervolgens gecombineerd met behulp van een ander RAID-niveau op het secundaire niveau. De controller beheert deze toewijzing intern, en het besturingssysteem registreert slechts één logisch volume.

Hierdoor neemt de array eigenschappen van beide niveaus over. Wanneer op het eerste niveau gespiegelde paren worden geconfigureerd en op het tweede niveau gestriped, biedt de array de fouttolerantie van RAID 1 en de leesprestaties van RAID 0. Deze specifieke configuratie staat bekend als RAID 10, de meest gangbare geneste configuratie in bedrijfsopslag.

Hoe hybride RAID verschilt van standaard RAID

Binnen een standaard RAID 5-array heeft geen enkele schijf voorrang op een andere. Elke schijf draagt een deel van zowel de gestripte data als de gedistribueerde pariteit, en de controller werkt vanuit één enkele vlakke adresruimte die alle schijven omvat.

Een hybride array groepeert de schijven daarentegen. RAID 10 vereist minimaal vier schijven, georganiseerd als twee RAID 1-spiegelparen op het eerste niveau, die op het tweede niveau via RAID 0 gestriped worden. Twee structurele lagen werken samen, beide beheerd door de controller.

Deze gelaagde opbouw verandert verschillende operationele kenmerken:

• Het minimumaantal schijven neemt toe. Elk niveau in de stapel brengt zijn eigen structurele minimum met zich mee, en de totalen tellen op: vier schijven voor RAID 10, zes voor RAID 50, acht voor RAID 60.
• De bruikbare capaciteit neemt af. Elke spiegeling halveert de ruwe totale capaciteit. Met vier schijven van 4 TB blijft bij RAID 10 8 TB bruikbaar, terwijl dezelfde schijven in RAID 5 bijna 12 TB opleveren. Bij een volledige implementatie loopt dit verschil op tot aanzienlijke kosten.
• Herstelprocessen verlopen sneller en met minder risico. Als er in RAID 5 een schijf uitvalt, moet de controller data van elke overgebleven schijf lezen om de verloren data te herstellen, wat tijdens dit proces een aanzienlijke belasting voor de gehele array met zich meebrengt. RAID 10 werkt anders: de vervangende schijf haalt data uitsluitend op van zijn spiegelpartner, en de andere paren blijven ongestoord doorwerken.

Wanneer is hybride RAID geschikt? 

Hybride RAID is geschikt wanneer één enkele afweging tussen prestaties en efficiëntie niet voldoet aan de operationele vereisten. Verschillende workloads leggen verschillende soorten belasting op opslagmedia, en de juiste configuratie hangt af van het dominante toegangspatroon. Drie overwegingen bepalen doorgaans of een geneste configuratie de juiste keuze is:

• Databaseservers: Databaseservers genereren kleine, willekeurige lees- en schrijfbewerkingen in een constante stroom. Op pariteit gebaseerde arrays hebben hier moeite mee, omdat ze worden gehinderd door de ‘lees-wijzig-schrijf’-penaliteit, waarbij de controller het oude gegevensblok moet lezen, de oude pariteit moet lezen, nieuwe pariteit moet berekenen en vervolgens zowel de nieuwe data als de nieuwe pariteit moet schrijven. RAID 10 omzeilt deze penaliteit volledig. Leesbewerkingen worden verspreid over de striping-laag, terwijl de gespiegelde laag schrijfbewerkingen verwerkt zonder enige pariteitsstap.
• Virtualisatiehosts: Deze leggen een ander toegangspatroon op. Eén enkele host kan vele virtuele machines draaien, die elk onafhankelijke verzoeken verzenden, wat samen een zeer willekeurige I/O-stroom oplevert. Geneste configuraties kunnen hier goed mee omgaan, omdat de stripe op het hoogste niveau de controller in staat stelt gelijktijdige leesverzoeken over meerdere schijven te verdelen. Gemengde lees- en schrijfworkloads worden efficiënt verwerkt omdat de belasting over de array wordt verdeeld.
• Risico bij herstel: Naarmate de schijfcapaciteiten toenemen, worden de hersteltijden langer. Het herstellen van een schijf van 18 TB in een RAID 5-array kan een aanzienlijke periode van ononderbroken werking in beslag nemen, en een tweede schijfstoring tijdens die periode leidt tot volledig verlies van data. Hybride configuraties beperken de herstelwerkzaamheden tot één enkel spiegelpaar, waardoor de kwetsbaarheidsperiode aanzienlijk wordt verkort.

Hoe herstelt u bestanden van een niet-opstartbare pc met Stellar gegevensherstel voor Windows?

Geen enkele opslagconfiguratie is in alle omgevingen optimaal. De voordelen van hybride RAID moeten worden afgewogen tegen de kosten ervan.

Voordelen:

• Verbeterde prestaties bij gemengde belasting. Door striping en redundantie over twee lagen te verdelen, wordt de vertraging door pariteitsberekeningen bij elke schrijfbewerking vermeden, wat de prestaties bij gemengde lees- en schrijfwerkbelastingen verbetert.
• Snellere reconstructie. Op mirroring gebaseerde lagen worden gereconstrueerd vanaf één enkele partnerdrive. Dit vermindert zowel de hersteltijd als de leesbelasting op de overgebleven drives, die anders tijdens de reconstructie latente sectorfouten zouden kunnen veroorzaken.
• Voorspelbare storingsdomeinen. In een pariteitsarray hangt de overlevingskans bij een tweede storing af van de stripe-geometrie. In een gespiegelde laag legt een schijfstoring alleen de directe spiegelpartner bloot, waardoor het storingsdomein eenvoudig te beoordelen is.
• Veiligere schaalbaarheid. Een RAID 5-groep wordt risicovoller met elke extra schijf, aangezien de kans dat een latente sectorfout aan het licht komt tijdens een herstel toeneemt met elke extra schijf. RAID 50 omzeilt dit door de schijven op te splitsen in kleinere pariteitsgroepen, die elk van de andere zijn geïsoleerd.

Nadelen:

• Lagere capaciteitsefficiëntie. Spiegeling verbruikt direct ruwe capaciteit, waardoor het aandeel van de totale opslagruimte dat beschikbaar is voor data afneemt.
• Hogere initiële kosten. Een hoger minimumaantal schijven verhoogt de initiële hardwarekosten en de vereisten op het gebied van behuizing, stroomvoorziening en koeling.
• Afhankelijkheid van de controller. Controllers maken gebruik van eigen logica om gelaagde tiers in kaart te brengen, en niet elke controller ondersteunt configuraties zoals RAID 60. De specificaties van de controller moeten vóór aankoop worden gecontroleerd.
• Grotere complexiteit bij de recovery. Voor het reconstrueren van een defect geraakt volume met meerdere lagen moeten de oorspronkelijke blokgeometrie, de stripe-grootte en de schijfvolgorde voor beide lagen worden vastgesteld. Dit is aanzienlijk complexer dan de recovery van een standaard RAID 5-array.

Vier hybride architecturen zijn verantwoordelijk voor de meeste geneste implementaties in productieomgevingen. Elk biedt een andere afweging tussen snelheid, bruikbare capaciteit en fouttolerantie. De volgende tabel geeft een overzicht hiervan.

Conclusie: een hybride array is slechts zo sterk als het bijbehorende plan voor de recovery 

Een hybride array is slechts zo veilig als het recovery-plan dat erachter staat. Configuraties met meerdere lagen bieden een sterke veerkracht, maar vormen geen vervanging voor een back-up. Wanneer een array met meerdere lagen uitvalt, kan de daaruit voortvloeiende fragmentatie van het bestandssysteem niet worden geïnterpreteerd door generieke recovery-programma’s.

De technici van Stellar RAID-gegevensherstel halen data terug uit defecte RAID 10-, RAID 50- en RAID 60-arrays in ISO 27001-gecertificeerde laboratoria, waaronder opdrachten waarbij sprake is van gelijktijdige storingen van RAID-schijven, storingen in de controller en per ongeluk gewiste arrays. Elk herstelproces begint met het vaststellen van de oorspronkelijke geometrie, de stripe-grootte, de volgorde van de schijven en de logische bloktoewijzing voor beide lagen. Geen van deze metagegevens is zichtbaar op een defecte array, en het initialiseren van de schijven zonder deze gegevens overschrijft de voor de recovery benodigde structuren definitief.

Een defecte hybride array blijft niet onbeperkt herstelbaar. Elke extra schrijfbewerking, poging tot heropbouw of initialisatie die erop wordt uitgevoerd, verkleint de tijdspanne waarin de oorspronkelijke data nog kunnen worden gereconstrueerd. Op het moment dat een hybride array tekenen van storing vertoont, begint die tijdspanne te verstrijken.