IIC 2332 -- Sistemas Operativos
Apuntes 22
1er Semestre 1996

RAID (OSC 12.5)

• RAID = redundant arrays of inexpensive disks (grupos redundantes de discos de bajo costo)
• La velocidad de CPU y el tamaño de memoria han aumentado rápidamente en los años recientes (40% por año). A la vez el ancho de banda (bandwidth) de I/O ha cambiado poco. Se han usado memorias más y más grandes con cachés sofisticados para contrarrestar esto, pero no es suficiente para las aplicaciones con poca localidad (e.g, el procesamiento de transacciones en bases de datos) o pocas solicitudes para muchos datos (e.g., simulaciones en supercomputadores).
• La ley de Amdahl determina el speedup (mejoramiento de velocidad) de un sistema según la siguiente fórmula:

  $S=1/((1-f)+f/k)$

  donde $S$ es el speedup efectivo del sistema, $f$ es la fraccíon del trabajo en el modo más rápido, y $k$ es el speedup en el modo más rápido.
• Supone que las aplicaciones pasan 10% de su tiempo en I/O. Cuando los computadores sean 10 veces más rápidos (en tres a cinco años), el speedup será solamente 5 veces más. Cuando los computadores sean 100 veces más rápidos, las aplicaciones serán menos de 10 veces más rápidos, malgastando 90% del potencial.
• Una solución posible es reemplazar los discos grandes de los mainframes con los discos de más bajo rendimiento que se han desarrollado para el mercado de PCs. De 1991:

  Características	IBM 3380	Conners CP3100
  Capacidad (MB)	7500	100
  Precio/MB	US$18	US$10
  MTTF (horas)	30,000	30,000

  MTTF (mean time to failure) es el tiempo promedio hasta el fracaso.
• Un grupo de 75 discos pequeños puede tener potencialmente un ancho de banda de I/O que es 12 veces más que el de un 3380, con menor demanda de electricidad y menor costo. El principio es la intercalación de los discos.
• Pero la confiabilidad es una nueva pregunta. Si el grupo tiene 100 discos, esperamos un fracaso en 30000/100 = 300 horas, o menos de dos semanas. ¡Con 1000 discos la tasa es casi uno por día!
• La tolerancia de fallas es crucial. ¿Cómo la podemos proveer?
• Se pueden usar discos extras conteniendo información redundante para recuperar la información original cuando un disco falle.

Niveles de RAID

• En RAID 1 usamos el espejo de disco. Con cada escritura a un disco de datos escribimos también a un disco duplicado. Esto soluciona el problema de confiabilidad: MTTF, cuando tengamos un tiempo promedio hasta la reparación (MTTR) de una hora, es más de 500 años. Empero, el costo es usar solamente la mitad de la capacidad disponible; el costo es muy alto. A los fabricantes de discos les gusta este esquema.
• En RAID 2 reducimos el número de discos de verificación por el uso de códigos de Hamming. Un solo disco de paridad puede detectar un error, pero para corregirlo necesitamos bastantes discos para identificar el disco con el error. Por ejemplo, considera el Thinking Machines Data Vault, con 32 discos de datos, 8 discos de verificación, y 1 disco de reserva listo.
• Ahora el overhead se ha reducido de 100% a solamente 20%-40%. El MTTF es más de 12 años. Pero se puede mejorar.
• En RAID 3 reconecemos el hecho que los controladores de disco pueden detectar que un disco ha fallado; no necesitamos guardar datos para determinar esto. Ahora necesitamos solamente un disco de verificación por grupo, donde guardamos la paridad.
  • Si un disco falla, calculamos la paridad de los discos que quedan y la comparamos con la paridad del disco de verificación. Si son iguales, el bit perdido era 0, de otro modo 1.
  • Si el disco de verificación falla, calculamos la paridad de todos los discos de datos.
• El costo de overhead es ahora alrededor de 5% o menos, mientras que el MTTF es mayor que la vida útil del producto. Aún podemos mejorar el rendimiento.
• Observamos con RAID 3:
  • El gran tiempo de transferencia es reducido porque se puede usar todo el ancho de banda del grupo.
  • Pero la lectura y escritura requiere la lectura y escritura a todo el grupo; hay solamente un I/O a la vez por grupo.
  • Si los discos no están sincronizados, podemos tener tiempos de búsqueda del caso peor.
  En el procesamiento de transacciones hay muchas tranferencias pequeñas.
• En RAID 4 no esparcimos una unidad pequeña de transferencia entre todos los discos en el grupo. En vez de esto, colocamos toda la unidad en un sector de un disco de dato. Pero ahora se deben actualizar todos los bits de paridad en el disco de verificación. ¿Cómo?
  • Calculamos la paridad nueva usando la paridad anterior y los datos anteriores y nuevos.
  • ¡No necesitamos otros discos!
  La intercalación de datos está ahora en el nivel de sectores en vez del nivel de bits. Pero con I/Os múltiples, el disco de verificación se convierte en un embotellamiento.
• En RAID 5 eliminamos el embotellamiento. Ahora no hay un solo disco de verificación; en lugar de eso, encontramos el disco de verificación para un sector por el número del sector modulo el número de discos.
• El RAID 5 de 100 discos en 10 grupos ofrece un mejoramiento de 10 veces en el rendimiento, confiabilidad y consumo de electricidad (y por lo tanto aire acondicionado) sobre un IBM 3380. Además, el tamaño se reduce por un factor de tres, y el aumento del sistema es modular (en vez de US$100,000 para un aumento de 7500 MB).
• 1996: IBM RAMAC 2, 180 GB, 64 discos, 12.6 MB/s, latency 4.2 ms. IBM 3390 Model 9, 102 GB, un disco, 3.9 MB/s, latency 22.8 ms.