Mantenimiento y Montaje de Equipos Informáticos/Tema 8/Sistema R.A.I.D

Índice de Sistema R.A.I.D

18:57 25 sep 2023

Índice del «Tema 8»

Tema 8: Utilidades para el mantenimiento

MME: 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9

RAID (del inglés Redundant Array of Independent Disks), traducido como «conjunto redundante de discos independientes», hace referencia a un sistema de almacenamiento que usan múltiples discos duros o SSD entre los que se distribuyen o replican los datos. Dependiendo de su configuración (a la que suele llamarse «nivel»), los beneficios de un RAID respecto a un único disco son algunos de los siguientes:

mayor integridad
mayor tolerancia a fallos
mayor throughput (rendimiento)
mayor capacidad.

Un RAID combina varios discos duros en una sola unidad lógica. Así, en lugar de ver varios discos duros diferentes, el sistema operativo ve uno solo. Los RAIDs suelen usarse en servidores y normalmente (aunque no es necesario) se implementan con unidades de disco de la misma capacidad.

Todas las implementaciones pueden soportar el uso de uno o más discos de reserva (hot spare), que son unas unidades preinstaladas que pueden usarse inmediatamente tras el fallo de un disco del RAID. Esto reduce el tiempo del período de reparación porque se acorta el tiempo de reconstrucción del RAID.

Cuando se crea un RAID se destruyen los datos existentes en las unidades de disco.

Implementaciones

RAID hardware: tarjeta de expansión RAID

Muestra la configuración, en el BIOS, de un RAID 0

La distribución de los datos entre varias unidades se puede administrar ya sea por:

hardware dedicado mediante una tarjeta de expansión o embebido en la placa base, que contiene el firmware. Este tipo de RAID tiene un rendimiento mayor porque el sistema operativo se desentiende del RAID; como el sistema informático lo compone un componente más, es más propenso al fallo. La configuración del RAID se realiza desde el BIOS; cuando la placa base detecta la tarjeta de expansión RAID se puede pulsar una combinación de teclas (no estándar) para acceder a un menú de configuración.
o por software, como parte del sistema operativo. El rendimiento es inferior porque se tiene que utilizar el propio sistema operativo para controlar el RAID; sin embargo, es más flexible ante los fallos (permitiendo, por ejemplo, construir un RAID de particiones en lugar de discos completos, y permitiendo agrupar en un mismo RAID diversos discos conectados en varias controladoras)

Niveles

RAID 0

No es un RAID, es una agrupación de discos que proporciona un rendimiento de lectura y escritura el cual se incrementa aproximadamente como un múltiplo lineal del número del discos.

La fiabilidad se decrementa exponencialmente respecto a un solo disco porque si falla un solo disco: fallará todo el RAID. El fallo de un disco provoca la pérdida completa de los datos.

RAID 1

Un RAID 1 crea una copia exacta (o espejo) de un conjunto de datos en dos o más discos. Esto resulta útil cuando el rendimiento en lectura es más importante que la capacidad. Un conjunto RAID 1 sólo puede ser tan grande como el más pequeño de sus discos. Un RAID 1 clásico consiste en dos discos en espejo, lo que incrementa exponencialmente la fiabilidad respecto a un solo disco pues para que el conjunto falle es necesario que lo hagan todos sus discos.

Adicionalmente, dado que todos los datos están en dos o más discos, con hardware habitualmente independiente, el rendimiento de lectura se incrementa aproximadamente como un múltiplo lineal del número del discos; es decir, un RAID 1 puede estar leyendo simultáneamente dos datos diferentes en dos discos diferentes, por lo que su rendimiento se duplica. Para maximizar los beneficios sobre el rendimiento del RAID 1 se recomienda el uso de controladoras de disco independientes (splitting o duplexing).

Al escribir, el conjunto se comporta como un único disco, dado que los datos deben ser escritos en todos los discos del RAID 1. Por tanto, no mejora el rendimiento de escritura.

RAID 5

Un RAID 5 es una división de datos a nivel de bloques distribuyendo la información de paridad entre todos los discos miembros del conjunto. El RAID 5 ha logrado popularidad gracias a su bajo coste de redundancia. RAID 5 necesitará un mínimo de 3 discos para ser implementado.

Cada vez que un bloque de datos se escribe en un RAID 5, se genera un bloque de paridad (utilizando operaciones XOR entre bloques) dentro de la misma división (stripe). Un bloque se compone a menudo de muchos sectores consecutivos de disco. Las escrituras en un RAID 5 son costosas en términos de operaciones de disco, y en términos de tráfico entre los discos y la controladora.

Los bloques de paridad no se leen en las operaciones de lectura de datos, ya que esto sería una sobrecarga innecesaria y disminuiría el rendimiento. Sin embargo, los bloques de paridad se leen cuando la lectura de un sector de datos provoca un error de CRC. El sistema sabe que un disco ha fallado (Interim Data Recovery Mode), pero sólo con el fin de que el sistema operativo pueda notificar al administrador que una unidad necesita ser reemplazada; las aplicaciones en ejecución siguen funcionando ajenas al fallo. Las lecturas y escrituras continúan normalmente en el conjunto de discos, aunque con alguna degradación de rendimiento.

El fallo de un segundo disco provoca la pérdida completa de los datos. El número máximo de discos en un grupo de redundancia RAID 5 es teóricamente ilimitado, pero en la práctica es común limitar el número de unidades.

RAID 1+0 o RAID 10

Un RAID 1+0, a veces llamado RAID 10, es una división de espejos. Es un RAID anidado, es decir, que un RAID puede usarse como elemento básico de otro en lugar de discos físicos. Los RAIDs anidados se indican normalmente uniendo en un solo número los correspondientes a los niveles RAID usados, añadiendo a veces un «+» entre ellos y enumerándolos de dentro hacia afuera. Por ejemplo, el RAID 10 (o RAID 1+0).

En cada división RAID 1 pueden fallar todos los discos salvo uno sin que se pierdan datos. Sin embargo, si los discos que han fallado no se reemplazan: el restante pasa a ser un punto único de fallo para todo el conjunto. Si ese disco falla: entonces se perderán todos los datos del conjunto completo.

Debido a estos mayores riesgos del RAID 1+0: muchos entornos empresariales críticos están empezando a evaluar configuraciones RAID más tolerantes a fallos que añaden un mecanismo de paridad subyacente.

El RAID 10 es a menudo la mejor elección para las bases de datos de altas prestaciones, debido a que la ausencia de cálculos de paridad proporciona una mayor velocidad de escritura.

Comparativa de Niveles

Nivel

Descripción

Mínimo # de discos

Eficiencia del espacio

Tolerancia a fallos

Rendimiento Lectura

Rendimiento escritura

Imagen

RAID 0

División de bloques sin paridad ni espejeado

2

1

0 (ninguna)

nºdiscos * X

RAID 1

Espejeado sin paridad ni bandas

2

1/nºdiscos

nºdiscos−1 discos

nºdiscos * X

1 * X

RAID 5

División de bloques con paridad distribuida

3

1 − 1/nºdiscos

1 disco

(nºdiscos−1) * X

hardware: (nºdiscos − 1) * X
software: [(nºdiscos − 1) * X] - cálculo paridad

RAID 10

Espejeado sin paridad, división de bloques sin paridad

4

2 / nºdiscos

1 disco por cada sub RAID 1

nºdiscos * X

(nºdiscos/2) * X

Posibilidades de RAID

Lo que RAID puede hacer

Los niveles RAID 1, 5 y 10 permiten que un disco falle mecánicamente y que aun así los datos del conjunto sigan siendo accesibles para los usuarios. En lugar de exigir que se realice una restauración costosa en tiempo desde una cinta, DVD o algún otro medio de respaldo lento, un RAID permite que los datos se recuperen en un disco de reemplazo a partir de los restantes discos del conjunto, mientras al mismo tiempo permanece disponible para los usuarios en un modo degradado.
RAID puede mejorar el rendimiento de ciertas aplicaciones. Las aplicaciones de escritorio que trabajan con archivos grandes, como la edición de vídeo e imágenes, se benefician de esta mejora. Niveles de RAID que lo posbilitan:
- Los niveles RAID 0 y 5 usan variantes de división (striping) de datos, lo que permite que varios discos atiendan simultáneamente las operaciones de lectura lineales, aumentando la tasa de transferencia sostenida.
- El nivel RAID 1 acelera únicamente la lectura del disco porque posee dos copias de un mismo fichero, una en cada disco.

Lo que RAID no puede hacer

RAID no protege los datos. Un conjunto RAID tiene un sistema de archivos, lo que supone un punto único de fallo al ser vulnerable a una amplia variedad de riesgos aparte del fallo físico de disco, por lo que RAID no evita la pérdida de datos por estas causas. RAID no impedirá que un virus destruya los datos, que éstos se corrompan, que sufran una modificación o un borrado accidental por parte del usuario ni que un fallo físico en otro componente del sistema afecte a los datos.
RAID no mejora el rendimiento de todas las aplicaciones. Esto resulta especialmente cierto en las configuraciones típicas de escritorio. La mayoría de aplicaciones de escritorio y videojuegos hacen énfasis en la estrategia de buffering y los tiempos de búsqueda de los discos. Una mayor tasa de transferencia sostenida supone poco beneficio para los usuarios de estas aplicaciones, al ser la mayoría de los archivos a los que se accede muy pequeños. La división de discos de un RAID 0 mejora el rendimiento de transferencia lineal pero no lo demás, lo que hace que la mayoría de las aplicaciones de escritorio y juegos no muestren mejora alguna, salvo excepciones. Para estos usos, lo mejor es comprar un disco más grande, rápido y caro en lugar de dos discos más lentos y pequeños en una configuración RAID 0.
RAID por hardware no facilita el traslado a un sistema nuevo. Cuando se usa un solo disco, es relativamente fácil el trasladar el disco a un sistema nuevo: basta con conectarlo, si cuenta con la misma interfaz. Con un RAID no es tan sencillo: la BIOS RAID debe ser capaz de leer los metadatos de los miembros del conjunto para reconocerlo adecuadamente y hacerlo disponible al sistema operativo. Dado que los distintos fabricantes de controladoras RAID usan diferentes formatos de metadatos (incluso las controladoras de un mismo fabricante son incompatibles si corresponden a unas series diferentes) es virtualmente imposible mover un conjunto RAID a una controladora diferente, por lo que suele ser necesario mover también la controladora. Esto resulta imposible en aquellos sistemas donde está la controladora está integrada en la placa base.

Configuraciones y pruebas con RAID por software

El RAID por software viene integrado en los sistema operativos Windows 2000, 2003, 2008 y 2012. Con los sistemas operativos Linux se puede instalar fácilmente mediante el siguiente comando: sudo apt-get update && apt-get install mdadm.

Las siguientes configuraciones y pruebas se ha realizado un máquina virtual VirtualBox con:

un disco duro para el sistema operativo de la familia Windows NT Server.
y, además cuatro discos iguales y sin datos para realizar las pruebas.

Vídeo de cómo crear RAID 0, 1 y 5 Nota: Se ha de tener en cuenta que cuando en el vídeo se dice que para hacer un RAID 0 se usa un volumen distribuido... realmente se ha de usar un volumen seccionado.

RAID 0

Objetivo	Descripción
Iniciar discos	Nos dirigimos a Inicio → Herramientas Administrativas → Administrador de equipos → Administrador de discos. Aparecerá una ventana emergente sugiriendo "Iniciar Discos y convertir", pulsar en "Siguiente". Marcamos todos los discos para iniciarlos. Marcamos todos los discos para convertirlos en dinámicos.
Crear Volumen RAID	Seleccionamos cualquier disco NO asignado (color negro), Menú contextual → Nuevo volumen → Seccionado. Seleccionamos los tres discos. Pasándolos mediante el botón agregar, de disponibles a seleccionados. Seleccionamos la letra del nuevo volumen. Seleccionamos el tipo de formato del volumen (se recomienda formateo rápido para esta práctica). Esperamos a que se realice la operación. Se observa el RAID 0 (D:) en funcionamiento puesto que los discos son ahora de color morado en la consola.

RAID 0: si hay un error en disco

Objetivo	Descripción
Quitar un disco	Con la máquina apagada: En la máquina virtual → menú contextual → configuración → Almacenamiento → Eliminar la conexión de un disco (¡¡Cuidado!!: no desconectar el disco del sistema operativo).
Observar RAID	Al iniciar la máquina virtual y acceder a la consola de Almacenamiento, se observa el fallo del RAID 0 y que la unidad de disco NO la tiene asignada al RAID 0.
Añadir otro disco nuevo	Con la máquina apagada: En la máquina virtual → menú contextual → configuración → Almacenamiento → Controlador IDE. Agregar una NUEVA conexión de un disco → Agregar Disco → Crear disco nuevo. Seleccionar VDI. Elegir "Reservado dinámicamente". Una capacidad de 3GB es suficiente. Iniciar la máquina virtual. Al iniciar la máquina y acceder a la consola de Administración de discos, se observa el disco recién añadido y el fallo del RAID 0. La unidad de disco NO la tiene asignada al RAID 0.
Intentar recuperar el RAID 0	Nos dirigimos a Inicio → Herramientas Administrativas → Administrador de equipos → Administrador de discos. Aparecerá una ventana emergente sugiriendo "Iniciar Discos y convertir", pulsar en "Siguiente". Marcamos todos los discos para iniciarlos. Marcamos todos los discos para convertirlos en dinámicos. Seleccionamos en el nuevo disco, Menú contextual → Nuevo volumen solo nos permite crear el simple. Seleccionamos cualquier otro disco del antiguo RAID → solo podemos eliminar volumen (destruir el RAID 0).
Se ha comprobado	No se puede recuperar del error. Tan solo se puede crear otro RAID. Se pierden los datos del RAID 0.

RAID 1

Objetivo	Descripción
Iniciar discos	Nos dirigimos a Inicio → Herramientas Administrativas → Administrador de equipos → Administrador de discos. Aparecerá una ventana emergente sugiriendo "Iniciar Discos y convertir", pulsar en "Siguiente". Marcamos todos los discos para iniciarlos. Marcamos todos los discos para convertirlos en dinámicos.
Crear Volumen RAID 1	Seleccionamos cualquier disco NO asignado (color negro), Menú contextual → Nuevo volumen → Reflejado. Seleccionamos los dos discos. Pasándolos mediante el botón agregar, de disponibles a seleccionados. Seleccionamos la letra del nuevo volumen. Seleccionamos el tipo de formato del volumen (se recomienda formateo rápido para esta práctica). Esperamos a que se realice la operación de sincronizado o espejeado. Se observa el RAID 1 (D:) está en funcionamiento puesto que los discos son ahora de color marrón oscuro en la consola.

RAID 1: si hay un error en disco

Objetivo	Descripción
Quitar un disco	Con la máquina apagada: En la máquina virtual → menú contextual → configuración → Almacenamiento → Eliminar la conexión de un disco (¡¡Cuidado!!: no desconectar el disco del sistema operativo).
Observar RAID	Al iniciar la máquina virtual y acceder a la consola de Almacenamiento, se observa el fallo del RAID 1 y que la unidad de disco tiene asignada a un disco RAID 1.
Añadir otro disco nuevo	Con la máquina apagada: En la máquina virtual → menú contextual → configuración → Almacenamiento → Controlador IDE. Agregar una NUEVA conexión de un disco → Agregar Disco → Crear disco nuevo. Seleccionar VDI. Elegir "Reservado dinámicamente". Una capacidad de 3GB es suficiente. Iniciar la máquina virtual. Al iniciar la máquina y acceder a la consola de Administración de discos, se observa el disco recién añadido y el fallo del RAID 1.
Intentar recuperar el RAID 1	Nos dirigimos a Inicio → Herramientas Administrativas → Administrador de equipos → Administrador de discos. Aparecerá una ventana emergente sugiriendo "Iniciar Discos y convertir", pulsar en "Siguiente". Marcamos todos los discos para iniciarlos. Marcamos todos los discos para convertirlos en dinámicos. Se quita del RAID 1 el disco marcado como "Falta": Disco falta → Menú contextual → Quitar de espejo. Disco falta → Menú contextual → Extraer disco. Se observa que el disco correcto cambia de color marrón oscuro o color ocre. En este disco activo de color ocre: Menú contextual → Agregar espejo. Seleccionar el disco nuevo. Esperamos a que se realice la operación de sincronizado o espejeado.
Se ha comprobado:	El RAID 1 (D:) en funcionamiento puesto que los discos son ahora de color marrón oscuro en la consola. Se ha recuperado el volumen completo CON los datos.

RAID 5

Objetivo	Descripción
Iniciar discos	Nos dirigimos a Inicio → Herramientas Administrativas → Administrador de equipos → Administrador de discos. Aparecerá una ventana emergente sugiriendo "Iniciar Discos y convertir", pulsar en "Siguiente". Marcamos todos los discos para iniciarlos. Marcamos todos los discos para convertirlos en dinámicos.
Crear Volumen RAID 1	Seleccionamos cualquier disco NO asignado (color negro), Menú contextual → Nuevo volumen → RAID-5. Seleccionamos los tres o más discos. Pasándolos mediante el botón agregar, de disponibles a seleccionados. Seleccionamos la letra del nuevo volumen. Seleccionamos el tipo de formato del volumen (se recomienda formateo rápido para esta práctica). Esperamos a que se realice la operación de sincronizado. Se observa que el RAID 5 (D:) está en funcionamiento puesto que los discos son ahora de color cian en la consola .

RAID 5: si hay un error en UNO de los tres discos

Objetivo	Descripción
Quitar un disco	Con la máquina apagada: En la máquina virtual → menú contextual → configuración → Almacenamiento → Eliminar la conexión de un disco (¡¡Cuidado!!: no desconectar el disco del sistema operativo).
Observar RAID	Al iniciar la máquina virtual y acceder a la consola de Almacenamiento, se observa el fallo del RAID 5 y que la unidad de disco tiene asignada a un disco RAID 5.
Añadir otro disco nuevo	Con la máquina apagada: En la máquina virtual → menú contextual → configuración → Almacenamiento → Controlador IDE. Agregar una NUEVA conexión de un disco → Agregar Disco → Crear disco nuevo. Seleccionar VDI. Elegir "Reservado dinámicamente". Una capacidad de 3GB es suficiente. Iniciar la máquina virtual. Al iniciar la máquina y acceder a la consola de Administración de discos, se observa el disco recién añadido y el fallo de redundancia del RAID 5.
Intentar recuperar el RAID 5	Nos dirigimos a Inicio → Herramientas Administrativas → Administrador de equipos → Administrador de discos. Aparecerá una ventana emergente sugiriendo "Iniciar Discos y convertir", pulsar en "Siguiente". Marcamos todos los discos para iniciarlos. Marcamos todos los discos para convertirlos en dinámicos. En cualquier disco del RAID 5 → Menú contextual → Reactivar volumen y aceptar mensaje "Se recomienda .. chkdsk ... después ..." En cualquier disco del RAID 5 → Menú contextual → Reparar el volumen. Seleccionar el disco nuevo. Esperamos a que se realice la operación de sincronizado. Vamos al disco marcado como "Falta" → Menú contextual → Extraer disco.
Se ha comprobado:	El RAID 5 (D:) está en funcionamiento puesto que los discos indican "Correcto". Se ha recuperado el volumen completo CON los datos.

RAID 5: si hay un error en DOS de los tres discos

Objetivo	Descripción
Quitar un disco	Con la máquina apagada: En la máquina virtual → menú contextual → configuración → Almacenamiento → Eliminar la conexión de un disco (¡¡Cuidado!!: no desconectar el disco del sistema operativo).
Observar RAID	Al iniciar la máquina virtual y acceder a la consola de Almacenamiento: se observa el fallo del RAID 5 y que la unidad de disco tiene asignada a un disco RAID 5.
Añadir dos discos nuevos	Con la máquina apagada: En la máquina virtual → menú contextual → configuración → Almacenamiento → Controlador IDE. Agregar una NUEVA conexión de un disco → Agregar Disco → Crear disco nuevo. Seleccionar VDI. Elegir "Reservado dinámicamente". Una capacidad de 3GB es suficiente. Iniciar la máquina virtual. Repetir los pasos anteriores para crear otro disco en la misma máquina. Al iniciar la máquina y acceder a la consola de Administración de discos, se observan los dos discos recién añadidos y el error RAID 5: no tiene asignada la unidad D: al RAID 5.
Intentar recuperar el RAID 5	Nos dirigimos a Inicio → Herramientas Administrativas → Administrador de equipos → Administrador de discos. Aparecerá una ventana emergente sugiriendo "Iniciar Discos y convertir", pulsar en "Siguiente". Marcamos todos los discos para iniciarlos. Marcamos todos los discos para convertirlos en dinámicos. Seleccionamos en el nuevo disco, Menú contextual → Nuevo volumen solo nos permite crear el simple. Seleccionamos cualquier otro disco del antiguo RAID → solo podemos eliminar volumen (destruir el RAID 5).
Se ha comprobado	No se puede recuperar del error. Tan solo se puede crear otro RAID. Se pierden los datos del RAID 5 si fallan dos de tres discos.