Kapitel 7 Beispiele für konkrete Techniken: Festplatten

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1 Verlässliche Systeme Wintersemester 2009/ Motivation Festplatten Kapitel 7 Beispiele für konkrete Techniken: Festplatten Festplatten eine häufig genutzte Komponente in Rechnersystemen Insbesondere Aufgrund des (noch vorherrschenden) mechanischen Funktionsprinzips relativ hohe Ausfallrate und frühe Alterung Studie zeigt z.b. eine Aufallrate von 8,6% im dritten Jahr Betrachten zwei technische Maßnahmen RAID: Fehlermaskierung S.M.A.R.T.: Fehlerdiagnose Prof. Matthias Werner Professur Betriebssysteme 7.2 RAID Einführung 07 2 Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 RAID 0 RAID: Redundant array of inexpensive disks oder: Redundant array of independent disks Redundanz im Raum durch Verteilung von Daten über mehrere Disks Tolerierung von Diskfehlern Benötigt mindestens zwei Disks Erhöhung der I/O-Performance durch parallelen Zugriff Originalveröffentlichung: [ PGK88] HIer: Original-RAID-Typen sowie häufig gebrauchte Varianten m = f (n) beschreibt stets die Anzahl der benötigten Disks um die n-fache Kapazität einer einzelnen Disk zu erreichen 07 3 Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/ Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010

2 RAID 0 (Forts.) RAID 1 Verkettetes Array (striped stes) ohne Fehlertolerance Benötigt n Disks Höhere Performance (Theoretisch: n-fache Performace einer einzelnen Disk) Einfaches Design Keine Fehlertoleranz Zuverlässigkeit niedriger als bei einzelner Disk Ausfall einer Disk führt zu Datenverlust. Speicherung temorärer Daten bei hohem Bedarf an Bandbreite Videoproduktion Übersetzung großer Softwareprojekte Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 RAID 1 (Forts.) 07 6 Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 RAID 2 Spiegelung von Daten Benötigt m = 2n Disks Eine Schreib- oder zwei Lese-Operationen parallel Höhere Leseperformance (ähnlich zu RAID 0) Einfaches Design Toleriert Ausfall einer Disk Keine Rekonstruktion von Daten notwendig Hoher Overhead (100%) Anwendungen, die sehr hohe Verlässlichkeit erfordern Üblicherweise für kleinere Datenmengen 07 7 Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/ Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010

3 RAID 2 (Forts.) RAID 3 Fehlerkorrigierender Hamming-Code um Daten über die Disks zu verteilen (ECC error correction code Wortweise Fehlerkorrektur Zahl von Disks hängt vom konkreten Code ab Einfacheres Design als RAID 5 Korrektur eines Diskausfalls Hohe Datenraten Hoher Overhead (sinkt mit Anzahl von Disks) Hohe Basiskosten Keine kommerzielle Implementation Wird nicht industriell genutzt 07 9 Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 RAID 3 (Forts.) Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 RAID 4 (Forts.) Stripe set mit Zusatzdisk für byteweise Parität Benötigt n + 1 Disks Hohe Datenraten Niedriger Overhead Diskausfall hat kaum Auswirkung auf Performance Komplexes Design Übertragungsrate wie bei einzelner Disk Ungleichmäßiger Zugriff auf Disks (auf Paritätsdisk wird wesentlich häufiger zugegriffen) Anwendungen, die hohe Verlässlichkeit erfordern Aktuell selten genutzt Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/ Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010

4 RAID 4 (Forts.) RAID 5 (Forts.) Ähnlich zu RAID 3, aber blockweise statt wortweise Parität Benötigt n + 1 Disks Ähnlich zu RAID 3 Ähnlich zu RAID 3 Anwendungen, die hohe Verlässlichkeit erfordern Aktuell selten genutzt Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 RAID 5 (Forts.) Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 RAID 6 (Forts.) Verkettung (Striping) mit verteilter/verschachtelter Parität Parität über Disks verteilt Benötigt n + 1 Disks Hohe Datenraten Niedriger Overhead Gleichmäßiger Zugriff auf Disks Diskausfall hat Auswirkung auf Performance Komplexes Design Komplexer Rebuild-Prozess Anwendungen, die hohe Verlässlichkeit erfordern Vielseitigster RAID-Level Derzeit am häufigsten genutzt Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/ Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010

5 RAID 6 (Forts.) Ähnlich zu RAID 5, aber mit zwei verschiedenen Paritätsalgorithmen Parität ist über Disks verteilt Benötigt n + 2 Disks Höhere Verlässlichkeit als RAID 5 Hohe Datenraten Geringer Overhead Gleichmäßiger Zugriff auf Disks Geringere Schreibperformance Höherer Overhead Komplexes Design Hoher Controlleroverhead Anwendungen, die hohe Verlässlichkeit erfordern Beginnt RAID 5 in einer Vielzahl von Anwendungen zu ersetzen Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 RAID 1+0 Variationen und weitere Aspekte Geschachtelte RAID-Level RAID 1+0 RAID 0+1 Implementation Hardware-RAID Software-RAID Performancebetrachtungen Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 RAID 1+0 (Forts.) Stripeset von Spiegeln Manchmal auch RAID 10 genannt Benötigt 2n Disks Kombination der Vorteile von RAID 1 (Redundanz) und RAID 0 (Performance) Einfaches Design Hohe Datenraten Hoher Overhead Anwendungen, die hohe Performance und hohe Verlässlichkeit erfordern Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/ Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010

6 RAID 0+1 RAID 0+1 (Forts.) Gespiegelte Stripesets Manchmal RAID 01 genannt Benötigt 2n Disks Hohe Performance Toleriert Ausfall einzelner Disk (wird RAID 0) Einfaches Design Hoher Overhead Anwendungen, die hohe Performance und (etwas) Verlässlichkeit erfordern Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 RAID 1+0 vs. RAID 0+1 Bei vier Disks, was ist besser? ZIel: Hohe Zuverlässigkeit Modellierung über Zuverlässigkeits-Ersatzschaltblöcke Annahme: Alle Disks haben die gleich Grundzuverlässigkeit In Übung berechnen Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/ Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 Hardware-RAID vs. Software-RAID Hardware-RAID RAID-Algorithmus wird vom Controller oder externer Einheit durchgeführt Betriebssystem sieht eine einzelne Disk Keine Performanceauswirkungen auf den Hauptprozessor RAID-Array kann üblicherweise nur mit dem Original-Controller (oder kompatiblen) genutzt werden Hardware-Design für RAID-Nutzung optimiert Üblicherweise stets Nutzung kompletter Disks Software-RAID RAID-Algorithmuswird durch das Betriebssystem (bzw. Treiber) auf dem Hauptprozessor ausgeführt Performance des Hauptprozessors durch RAID beeinflusst RAID-Treiber creïert Array aus mehreren Disks RAID-Array kann mit anderen Controllern benutzt werden, solange Geometrie und Controller-Kompatibilität erhalten bleibt Hardware üblicherweise nicht für RAID-Betrieb optimiert (Anzahl Disks pro Controller, Diskssharing I/O-Kanäle,...) Arbeitet üblicherweise auf Partitionen Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010

7 Performance Performance von RAID hängt von allen Komponenten im Datenfluss-Pfad ab Disk und Disk-Topologie (Punkt-zu-Punkt vs. gemeinsamer Bus) Controller Bussystem des Rechners (Topologie, Bandbreite) I/O-Performance des Systems Performance wird durch den schwächsten Teil bestimmt Software-RAID: Performance des Hauptprozessors Konflikt zwischen Performance-Anforderungen für RAID und restliches System Hardware-RAID: Ist das Interface hinreichend schnell für die maximale Bandbreite der gewählten RAID-Konfiguration? Performance (Forts.) Beispiel für schlechtes Design: 4 EIDE-Disks mit jeweils 80 MB/s Gesamtdurchsatz: 320 MB/s Jeweils zwei Disks an einem 100 MB/s Parallel ATA-Kanall Gesamtdurchsatz: 200 MB/s Jeder PATA-Kanal ist mit einem PCI-Controller verbunden Gesamtdurchsatz: 133 MB/s PCI-Bus beschränkt den theoretisch möglichen Spitzendurchsatz Realität: Viel langsamer (Overhead, auch andere Geräte nutzen PCI,...) Nur ein Drittel der Disk- Bandbreite kann bei parallelem Betrieb genutzt werden Beispiel für gutes Design: 4 EIDE-Disks mit jeweils 80 MB/s Gesamtdurchsatz: 320 MB/s Jede Disk nutzt ein SATA 1-Link (1.5 GBit/s) Gesamtdurchsatz: 600 MB/s Jeweils zwei Disks an einem PCI-e x1 Controller Gesamtdurchsatz: 500 MB/s Bei Parallelbetrieb kann die gesamte Disk-Bandbreite genutzt werden Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 Zuverlässigkeit Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 Disk Scrubbing Annahmen (Fehlermodell): Disk-Fehler führt zu Lese-Fehler (Error) Controller erkennt Lese-Fehler und lokalisiert fehlerhafte Disk RAID arbeitet im degradierten Modus weiter Problem Disk-Fehler in der Regel nur bei Zugriff auf Daten an defekter Stelle erkannt Fehler an selten genutzten Stellen der Disk können lange Zeit ohne erzeugung eines Erros existieren Ergebnis: Risko von Datenverlust wird vergrößert, da der nächste Error bei Rebuild zu einem Doppelfehler führt Lösung: Disk scrubbing Idee: Zugriff auf alle Sectoren aller Disks eines RAID-Systems in regelmäßigen Abständen Implementierung durch erzwungenen Rebuild des Arrays Entdeckt verborgene Fehler ( Error beim Zugriff) Administrator ersetzt Disk Reduziert Wahrscheinlichkeit von Doppelfehlern Richtwert: Einmal pro Monat Linux Software-RAID: echo check > /sys/block/mdx/md/sync_action Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/ Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010

8 7.3 S.M.A.R.T. Was ist S.M.A.R.T.? Idee S.M.A.R.T. = Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology Technik um Festplattenfehler auf Basis von Laufzeitbeobachtungen vorherzusagen(!) Wird in der Diskfirmware implementiert Unterstützung durch BIOS und Betriebssystem S.M.A.R.T.-Tools gibt es für praktisch jede Plattform Linux: smartmontools (smartctl) Festplatten versagen häufig nicht plötzlich Ausfall wird durch langsame Veränderung der Komponenten verursacht Mechanische Erschöpfung Verstärkte Alterung durch zu hohe Temperaturen Normal Alterung Veränderungen haben Auswirkungen auf meßbare Parameter Vorhersage durch Beobachtung und Analyse dieser Parameter Felddaten können Vorhersagequalität verbessern Aber: Disk können sich unterschiedlich verhalten! Problem: Neue Technologien Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 Parameter Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 Interface Die Parameter können sehr unterschiedlich sein Im ATA-3 Draft vorgeschlagenen Attribute wurden nie in den Standard übernommen Typische Parameter sind u.a.: Seek Error Rate: Nicht korrigierbare Fehler beim Lesen von der Festplatte, führt zum erneuten Einlesen Hardware ECC Recovered: Korrigierte Bitfehler beim Lesen Throughput Performance: Datendurchsatz der Disk Spin Up Time: Zeit bis zur vollen Betriebsbereitschaft Reallocated Sector Count: Anzahl benutzte Reservesektoren (=Anzahl fehlerhafter Sektoren) Temperatur Calibration retry count: Anzahl der Versuche, die Disk zu kallibrieren Im ATA-Standard seit ATA-3 Auch für andere Interfaces (SATA, SCSI) ATA-3 Liste von (initial) 30 Attributen Werte im Bereich von 1 bis 253 Threshold ATA-4 Nur OK oder NOT OK ATA-5 Errorlog Interface für Selbsttests Viele Implementationen sind abwärtskompatibel durch Implementation von Attribut-Listen Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/ Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010

9 S.M.A.R.T. Attributes Nutzung von S.M.A.R.T. Wert (1-253) wird auf Basis von Rohdaten (raw data) berechnet Statistische Daten Erfahrungswerte des Herstellers Interpretation Wert > Threshold: Disk ist okay Sonst: Ausfall wird innerhalb von 24 Stunden erwartet Oder: Disk hat erwartete Lebenszeit überschritten Rohdaten: herstellerabhängig Häufig: Logging der Extremwerte Herstellerspezifische Attribute S.M.A.R.T. liefert Warnungen, veranlasst aber keine (Re-)Aktionen Nutzer oder Betriebssystem ist für konkrete Aktionen zuständig S.M.A.R.T. ist nicht unfehlbar: Ausfall muss bei Warnung nicht stattfinden Ausfall kann auch ohne Warnung stattfinden Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 Feldstudie Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 Feldstudie: Kriterien Mehr als Disks verschiedener Hersteller GB, PATA und SATA Disks bis zu fünf Jahre alt Kontinuierlicher Betrieb: 24/7 in Serverräumen Burn-in-Phase zu Beginn (nicht in Studie betrachtet) Quelle (inklusive Abbildungen): Wie hängt jährliche Ausfallrate (annual failure rate, AFR) ab von... Alter der Disk Last Temperatur S.M.A.R.T. -Werten Hersteller wird nicht betrachtet Aber: Nur minimale Abhängigkeit vom Diskmodell Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/ Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010

10 Feldstudie: Alter der Disks Feldstudie: Last Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 Feldstudie: Temperatur Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010 Feldstudie: S.M.A.R.T. Attribute Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/ Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010

11 Vorhersagbarkeit Literatur Es existieren Korrelationen zu tatsächlichen Fehlern. Aber: 56% der ausgefallenen Disks zeigten keine Fehler bei den vier wichtigsten Zählern 36% der ausgefallenen Disks zeigten keine Fehler in den S.M.A.R.T.-Daten Folgerung: S.M.A.R.T. ist allein nicht hinreichend für Ausfallvorhersage Andere Daten (z.b. Performance-Daten oder Betriebssystem-Daten) sollten auch in Betracht gezogen werden [PGK88] David A. Patterson, Garth Gibson, and Randy H. Katz. A case for redundant arrays of inexpensive disks (RAID). In SIGMOD 88: Proceedings of the 1988 ACM SIGMOD international conference on Management of data, pages , New York, NY, USA, ACM [PWB07] Eduardo Pinheiro, Wolf-Dietrich Weber, and Luiz A. Barroso. Failure trends in a large disk drive population. In Proceedings of the 5th USENIX Conference on File and Storage Technologies (FAST 07), pages 17 28, Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/ Prof. Matthias Werner Verlässliche Systeme WS 2009/2010

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