¿Qué es el RAID híbrido? Una guía Completa para Principiantes

Resulta útil realizar un breve resumen del RAID estándar antes de examinar las versiones anidadas. RAID, abreviatura de «Redundant Array of Independent Disks» (matriz redundante de discos independientes), es una tecnología de almacenamiento que agrupa varias unidades físicas en un único volumen lógico reconocido por el sistema operativo. Lo que la matriz ofrece realmente —ya sea una lectura más rápida, protección frente al fallo de una unidad o un equilibrio entre ambas cosas— depende del nivel configurado en el controlador.

Los niveles estándar más comunes funcionan de la siguiente manera:

• RAID 0: El único objetivo es el rendimiento. El controlador divide cada archivo en bloques de tamaño fijo y los distribuye simultáneamente entre dos o más unidades. No existe protección, lo que significa que el fallo de una sola unidad borra todo el contenido de la matriz.
• RAID 1: Este nivel duplica los datos en lugar de distribuirlos en franjas. Dos unidades contienen copias idénticas, y cada escritura se realiza en ambas simultáneamente. La redundancia es total, pero solo se puede utilizar la mitad de la capacidad bruta, ya que el resto se destina a la copia duplicada. 
• RAID 5: Los datos y la paridad se distribuyen en tres o más unidades, y la paridad se obtiene mediante una operación XOR. Si falla una unidad, la matriz reconstruye su contenido a partir de la paridad almacenada en las demás. Para la mayoría de las cargas de trabajo, esto proporciona un equilibrio viable entre capacidad, redundancia y velocidad de lectura.
• RAID 6: Cada franja va acompañada de dos valores de paridad, calculados mediante el Código de Reed-Solomon y denominados P y Q. La ventaja es que pueden fallar dos unidades simultáneamente sin que se produzcan pérdidas de datos. El requisito mínimo es de cuatro unidades. El cálculo de dos valores de paridad en cada escritura conlleva un coste, por lo que la velocidad de escritura es inferior a la del RAID 5.

Todas estas configuraciones son de un solo nivel. Cada unidad desempeña la misma función, y la matriz permanece limitada a una única relación de compensación fija.

En qué se diferencia el RAID híbrido del RAID estándar

En una matriz RAID 5 estándar, ninguna unidad tiene prioridad sobre otra. Cada una de ellas contiene una parte tanto de los datos distribuidos como de la paridad distribuida, y el controlador opera desde un único espacio de direcciones plano que abarca todas las unidades.

En cambio, una matriz híbrida agrupa sus unidades. El RAID 10 requiere un mínimo de cuatro unidades, organizadas en dos pares de espejos RAID 1 en el primer nivel, distribuidas en bandas mediante RAID 0 en el segundo nivel. Dos capas estructurales funcionan conjuntamente, ambas gestionadas por el controlador.

Esta estructura por capas modifica varias características operativas:

• Aumenta el número mínimo de unidades. Cada nivel de la pila lleva su propio mínimo estructural, y los totales se suman: cuatro unidades para RAID 10, seis para RAID 50 y ocho para RAID 60.
• La capacidad útil disminuye. Cualquier espejo reduce a la mitad el total bruto. Con cuatro unidades de 4 TB, el RAID 10 deja 8 TB de capacidad útil, mientras que las mismas unidades en RAID 5 ofrecen cerca de 12 TB. A lo largo de una implementación completa, esta diferencia resulta costosa.
• Las reconstrucciones son más rápidas y presentan menos riesgos. Si se pierde una unidad en RAID 5, el controlador debe leer desde todas las unidades supervivientes para reconstruir los datos perdidos, lo que supone una carga significativa para toda la matriz durante el proceso. RAID 10 funciona de manera diferente: la unidad de sustitución obtiene los datos únicamente de su pareja de espejo, y los demás pares continúan funcionando sin verse afectados.

El RAID híbrido resulta adecuado cuando una única solución de compromiso en cuanto al rendimiento no puede satisfacer los requisitos operativos. Las diferentes cargas de trabajo ejercen distintos tipos de presión sobre los soportes de almacenamiento, y la configuración correcta depende del patrón de acceso predominante. Por lo general, hay tres factores que determinan si una configuración anidada es la opción adecuada:

• Servidores de bases de datos: los servidores de bases de datos generan lecturas y escrituras pequeñas y aleatorias en un flujo constante. Las matrices basadas en paridad tienen dificultades en este caso, ya que se ven limitadas por la penalización de «lectura-modificación-escritura», que obliga al controlador a leer el bloque de datos antiguo, leer la paridad antigua, calcular la nueva paridad y, a continuación, escribir tanto los nuevos datos como la nueva paridad. El RAID 10 evita por completo esta penalización. Las lecturas se distribuyen a lo largo del nivel de striping, mientras que el nivel de duplicación se encarga de las escrituras sin ningún paso de paridad.
• Hosts de virtualización: Estos imponen un patrón de acceso diferente. Un único host puede ejecutar numerosas máquinas virtuales, cada una de las cuales emite solicitudes independientes que se combinan en un flujo de E/S altamente aleatorio. Las configuraciones anidadas gestionan bien esta situación, ya que el striping de nivel superior permite al controlador distribuir las solicitudes de lectura simultáneas entre varias unidades. Las cargas de trabajo mixtas de lectura y escritura se procesan de manera eficiente, ya que la carga se distribuye por toda la matriz.
• Riesgo de reconstrucción: A medida que aumenta la capacidad de las unidades, se alargan los tiempos de reconstrucción. La reconstrucción de una unidad de 18 TB en una matriz RAID 5 puede requerir un periodo considerable de funcionamiento continuo, y un segundo fallo de unidad durante ese intervalo da lugar a la pérdida total de datos. Las configuraciones híbridas limitan la carga de trabajo de reconstrucción a un único par de espejos, lo que reduce considerablemente el intervalo de exposición.

RAID híbrido: ventajas y desventajas

Ninguna configuración de almacenamiento es óptima en todos los entornos. Las ventajas del RAID híbrido deben sopesarse frente a sus costes.

Ventajas:

• Mejor rendimiento bajo cargas mixtas. La separación del striping y la redundancia en dos niveles evita la penalización que supone el cálculo de la paridad en cada escritura, lo que mejora el rendimiento en cargas de trabajo mixtas de lectura y escritura.
• Reconstrucción más rápida. Los niveles basados en duplicación se reconstruyen a partir de una sola unidad asociada. Esto reduce tanto el tiempo de reconstrucción como la carga de lectura sobre las unidades supervivientes, que, de otro modo, podrían provocar errores de sectores latentes durante la reconstrucción.
• Dominios de fallo predecibles. En una matriz de paridad, la supervivencia ante un segundo fallo depende de la geometría de las bandas. En un nivel duplicado, el fallo de una unidad afecta únicamente a su unidad duplicada directa, lo que facilita la evaluación del dominio de fallo.
• Escalabilidad más segura. Un grupo RAID 5 se vuelve más arriesgado con cada unidad adicional, ya que las probabilidades de que surja un error de sector latente durante una reconstrucción aumentan con cada unidad adicional. El RAID 50 evita este problema dividiendo las unidades en grupos de paridad más pequeños, cada uno aislado de los demás.

Desventajas:

• Menor eficiencia de capacidad. El duplicado consume capacidad bruta directamente, lo que reduce la proporción de almacenamiento total disponible para los datos.
• Mayor coste inicial. Un número mínimo más elevado de unidades aumenta los costes iniciales de hardware y los requisitos de chasis, alimentación y refrigeración.
• Dependencia del controlador. Los controladores utilizan lógica propia para asignar los niveles en capas, y no todos los controladores admiten configuraciones como RAID 60. Es necesario verificar las especificaciones del controlador antes de la compra.
• Mayor complejidad en la recuperación. La reconstrucción de un volumen de varios niveles que haya fallado requiere identificar la geometría de bloques original, el tamaño de la banda y el orden de los discos para ambos niveles. Esto resulta considerablemente más complejo que recuperar una matriz RAID 5 estándar.

Una matriz híbrida es tan segura como el plan de recuperación que la respalda. Las configuraciones de varios niveles ofrecen una gran resiliencia, pero no sustituyen a una copia de seguridad. Cuando falla una matriz de varios niveles, la fragmentación del sistema de archivos resultante no puede ser interpretada por utilidades de recuperación genéricas.

Los ingenieros de Recuperación de Datos de Stellar RAID recuperan datos de matrices RAID 10, RAID 50 y RAID 60 averiadas en laboratorios con certificación ISO 27001, incluidos casos en los que se producen fallos simultáneos de unidades RAID, fallos del controlador y matrices borradas accidentalmente. Cada recuperación comienza con la identificación de la geometría original, el tamaño de la banda, el orden de los discos miembros y la asignación de bloques lógicos para ambos niveles. Ninguno de estos metadatos es visible en una matriz averiada, y la inicialización de las unidades sin ellos sobrescribe de forma permanente las estructuras necesarias para la recuperación.

Una matriz híbrida averiada no permanece recuperable indefinidamente. Cada escritura adicional, cada intento de reconstrucción o cada proceso de inicialización que se realice en ella reduce el margen de tiempo en el que aún es posible reconstruir los datos originales. En el momento en que una matriz híbrida muestra signos de fallo, ese margen comienza a reducirse.