Verlässliche Systeme

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Ulrike Beckenbauer
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1 Verlässliche Systeme RAID, Teil 2 Rachid El Abdouni Khayari Universität der Bundeswehr München, Neubiberg, Fakultät für Informatik, Institut für Technische Informatik Herbsttrimester 2004 Datenorganisation in Platten-Arrays Schemata zur Datenverteilung: Unabhängige Adressierung Disk-striping (Aufteilen der Platte in Streifen ) Redundanzschemata: Typ, Bereich und Ort von redundanten Informationen

Datenorganisation in Platten-Arrays Schemata zur Datenverteilung: Unabhängige Adressierung

2 Disk-Striping (Festplattenüberlappung) Vereinigung mehrerer Festplatten-Adressräume zu einem einzigen großen Adressraum, aus Sicht des Hosts 1. Unabhängige Adressierung: Nutzer verteilen Datenblöcke Load-balancing schwierig Festplattenausfall betrifft gewisse Dateien 2. Feingranulares Striping: Alle N Platten beinhalten einen 1/N-Anteil aller Blöcke Stripsize ~ 1 Byte 1Sektor (512 Bytes) Belastung (Load) perfekt balanciert Übertragungsrate verbessert sich um Faktor N Such- und Rotationsverzögerung bleiben unverändert oder verringern sich Nur eine Anfrage kann zeitgleich bedient werden da immer alle N Platten für zugriff notwendig Plattenfehler betrifft alle Dateien 3. Grobgranulares Striping: Allozieren von Blöcken nach Round-Robin Große Dateien paralleler Transfer auf mehrere Platten (transfer parallelism) Kleinere Dateinen Festplatten können getrennt betrieben werden (gleichzeitig) Große heiße Dateien automatisches Load-Balancing Ausfall betrifft viele Dateien *) Die Größe der Striping-Unit: Groß: Ausnutzen des gleichzeitigen Zugriffs auf viele Dateien Klein: Einzelne Datei ist verteilt über mehrere Platten transfer parallelism Beste Wahl: Workload abhängig (für allgemeine Zwecke, strip-unit size ~ 10 E [Größe der Anfrage]) Viele Anfragen sind klein zeitgleicher Zugriff Einige jedoch groß paralleler Transfer auf mehrer Platten

Feingranulares Striping: Alle N Platten beinhalten einen 1/N-Anteil aller Blöcke Stripsize ~ 1 Byte 1Sektor (512 Bytes) Belastung (Load) perfekt balanciert Übertragungsrate verbessert sich um Faktor

3 Alternativen der Datenverteilung Redundanz wird benötigt um die Systemzuverlässigkeit zu verbessern, allerdings verringert sie auch ausnahmslos die Leistungsfähigkeit und/oder Kapazität des Systems und erhöht dessen Kosten Grob gilt: Anzahl der betroffenen Dateien beim Ausfall einer Platte wird durch das sogen. Striping erhöht Daten-Vervielfachung (data replication) jeder Datenblock D ( 2) Kopien auf separate Platten Schreibvorgänge müssen D-mal durchgeführt werden D Leseanfragen gleichzeitig Scheduling eines Lesevorgangs auf der dafür optimalen Platte (Kürzester Plattenzugriff) D1- Fehler können überlebt werden Fehler können die Performanz beeinflussen Bottlenecks auch Mirroring, Shadowing oder RAID-1 genannt

Striping erhöht Daten-Vervielfachung (data replication) jeder Datenblock D ( 2) Kopien auf separate Platten Schreibvorgänge müssen D-mal durchgeführt werden D Leseanfragen

4 Alternative Dual-Copy Datenvervielfachung Replikation (Vervielfachung) sehr teuer (D > 2 selten!) Nutzung von error-detection/correction Codes Grundidee: fehlerhaftes Bit + nichtfehlerhafte Bits + Paritätsbit Erkennung des fehlerhaften Bits 1 Paritätsplatte << D Plattennachbildungen (Fig. 3a)

) Nutzung von error-detection/correction Codes Grundidee: fehlerhaftes

5 Paritätsplatten haben Einfluss auf Performanz Lesen/Modifizieren/Schreiben Berechnung und Schreiben der Paritätsdaten Regenerierung und Schreiben Dynamische Auswahl Lesen und Überprüfen der Paritätsdaten Paritätsplatten können zum Bottleneck werden Paritäts-Striping (Fig. 3b) Paritäts-Entclusterung (Fig. 3c) Mehrfache Paritätsplatten RAID - Systeme Alternative Paritäts-Schutz-Schemata

der Paritätsdaten Paritätsplatten können zum Bottleneck werden Paritäts-Striping (Fig.

6 RAID: Redundant Arrays of Independent Disks Nutzung mehrerer einfacher Platten anstelle einer großen Platte Zur Verbesserung der Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit 6 (eigentlich 7) RAID-Level: RAID-0: nicht-redundantes Striping RAID-1: gespiegel RAID-2: memory-style ECC RAID-3: bitweise überlappte Parität RAID-4: blockweise überlappte Parität RAID-5: blockweise überlappte verteilte Parität RAID-6: P + Q - Redundanz RAID Level 0-3

nicht-redundantes Striping RAID-1: gespiegel RAID-2: memory-style ECC RAID-3: bitweise überlappte Parität

7 RAID Level 4-6 RAID-0: keine Redundanz, kein Striping RAID-1: Spiegelung Zwei Mengen von Platten (Kosten!) Schreiben: doppelt, parallel Lesen: auf einer Platte (schnellste!) RAID-2: Memory-Style ECC Genaue, fast kleinliche Nutzung von Hamming-Codes Mit N Datenbits, nutze log 2 (N +1) Prüfbits (z.b. 4 Daten- und 3 Checkbits) Zum Schreiben: Lies Daten, berechne Prüfsumme (Matrix-Vektor- Operation), schreibe Prüfsummen Zum Lesen: Lies Daten und Prüfsumme, berechne Prüfsumme erneut, wenn: Okay: fertig Einzelfehler: korrigiere ihn Mehrere Fehler: Abbruch Sehr teuer

) RAID-2: Memory-Style ECC Genaue, fast kleinliche Nutzung von Hamming-Codes Mit N Datenbi

8 RAID-3: Bitweise überlappte Parität Nutze den Plattenkontrollers um Fehlerhafte Platten zu erkennen Nutze Einzelne Platten für Anwendung von Paritätsbits (gerade/ungerade) Zum Schreiben: schreibe Daten, berechne Parität, schreibe Parität (Lies-Modifiziere-Schreibe / Regenerieren Schreiben) Zum Lesen: Lies Daten und überprüfe Plattenzustand am Kontroller, wenn: Okay: fertig Nicht okay: Lies alle Platten und Nutze Parität zur Korrektur der Bitfehler RAID-4: wie RAID-3, jedoch block-basiert Viele kleine Lesevorgänge möglich Parallele große Lesevorgänge Schreiben: on-line-berechnung der Parität (möglicherweise nach dem Lesen anderer Blocks) Paritätsplatte ist Bottleneck RAID-5: verteilter RAID-4 Load-Balancing für Paritätsplatte RAID-6: zwei Paritätsbits (P+Q) doppelte Fehlersicherheit 2 extra Platten Nutzt Reed-Salomon Paritätscodes

alle Platten und Nutze Parität zur Korrektur der Bitfehler RAID-4: wie RAID-3, jedoch block-basiert Viele kleine Lesevorgänge möglich Parallele große Lesevorgänge Schreiben: on-line-berechnung der

9 RAID in der Praxis RAID-2,3,4 werden fast nie genutzt Implementiert in HW oder SW RAID in Software Linux: Level 0,1 und 5 verfügbar NT: Level 0 (OS) Linux (Level 0 -) Erfahrung (mit DIE-Platten): Verbessert Performanz ohne weitere Kosten RAID - Kontroller SCSI-basierte Plattenkontroller (0,1,5) Adaptec, 1 Kanal, 15 Platten ~ 500 Euro Adaptec, 4 Kanal, 60 Platten ~ 1500 Euro Adaptec, 4 IDE-Platten (Level 0,1) ~ 100 Euro Stand 2002

Performanz ohne weitere Kosten RAID - Kontroller SCSI-basierte Plattenkontroller (0,1,5) Adaptec, 1 Kanal,

10 RAID - Subsysteme SUN StoreEdge ggxx 3,5 38 TB (2,4 27 TB in RAID-5 Modus) Platten, plus zusätzliche heiße Reserven Netzwerk Speichersysteme (network storage systems) 5 TB Lösung Euro Originaldefinitionen der interessanten Levels von RAID (I)

Netzwerk Speichersysteme (network storage systems) 5 TB Lösung

11 Originaldefinitionen der interessanten Levels von RAID (II) Berechnung der Zuverlässigkeit MTTF MTTR Eine Platte hat MTTF D und MTTR D, wobei für gewöhnlich MTTF D >> MTTR D Definiere (Fehlerrate und Reparaturrate): Da MTTF D >> MTTR D λ D << µ D

D und MTTR D, wobei für gewöhnlich MTTF D >> MTTR D Definiere

12 N unabhängige Platten haben eine Fehlerrate von: Rate des 1. Fehlers: 2N λ D = 2N / MTTF D Gesamtfehler wenn Mirror-Platte ausfällt während der Reparatur: Gesamtfehlerrate: 2N / MTTF D MTTR D / MTTF D Rate des ersten Fehlers: N λ D = N / MTTF D Der nächste Fehler ist fatal = (N-1) λ D MTTR D = (N-1) / MTTF D MTTR D Gesamtfehlerrate: N / MTTF D (N-1) / MTTF D MTTR D

Reparatur: Gesamtfehlerrate: 2N / MTTF D MTTR D / MTTF D Rate des ersten Fehlers: N λ D = N

13 MTTF RAID-6 =? Rate des ersten Fehlers: N λ D = N / MTTF D W (nächster Fehler während Reparatur) = (N-1) λ D MTTR D W (zweiter Fehler während Reparatur) = (N-2) λ D MTTR D Effektive Fehlerrate = In unseren Modellen waren wir sehr optimistisch, wir haben unter anderem folgende Einflussfaktoren nicht berücksichtigt: Übergreifende Systemfehler, z.b. Stromversorgung, Anwenderfehler, durch das BS hinzugekommene Fehler Korrelation von Plattenfehlern, d.h. nach einem ersten Fehler, ist die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines weiteren erhöht Nicht-korrigierbare Bitfehler 1 von Bits wird bereits falsch gelesen Bei der Verwendung der Paritätsplatte um nach einem Fehler die Daten wieder zu rekonstruieren, könnte die Rekonstruktion unter (solchen) Bitfehlern leiden Verbindung von Platten via Zeichenketten mit einem Zentralcomputer. Zeichenketten sind einzelne Fehlerpunkte.

waren wir sehr optimistisch, wir haben unter anderem folgende Einflussfaktoren nicht berücksichtigt: Übergreifende Systemfehler, z.b. Stromversorgung, Anwenderfehler, durch das BS hinzugekommene Fehler Korrelation von Plattenfehlern, d.

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