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RAID（/ r eɪ d / ; 「安価なディスクの冗長アレイ」[1]または「独立したディスクの冗長アレイ」[2]）は、データの冗長性、パフォーマンスの向上、またはその両方の目的で、複数の物理ディスクドライブコンポーネントを1つ以上の論理ユニットに結合するデータストレージ仮想化テクノロジです。これは、「単一の大きな高価なディスク」（SLED）と呼ばれていた以前の信頼性の高いメインフレームディスクドライブの概念とは対照的です。[3] [1]
データは、必要な冗長性とパフォーマンスのレベルに応じて、RAID レベルと呼ばれるいくつかの方法のいずれかでドライブに分散されます。さまざまなスキーム、つまりデータ分散レイアウトは、RAID 0 や RAID 1 のように、「RAID」という単語の後に数字が続く名前で呼ばれます。各スキーム、つまり RAID レベルは、信頼性、可用性、パフォーマンス、容量という主要な目標の間で異なるバランスを提供します。RAID 0 よりも高い RAID レベルは、回復不可能なセクター読み取りエラーや物理ドライブ全体の障害に対する 保護を提供します。
歴史
「RAID」という用語は、1987 年にカリフォルニア大学バークレー校のDavid Patterson、Garth Gibson、Randy Katzによって考案されました。1988 年 6 月のSIGMODカンファレンスで発表された論文「安価なディスクの冗長アレイ (RAID) のケース」では、当時の最高性能のメインフレームディスク ドライブは、成長するパーソナル コンピュータ市場向けに開発された安価なドライブのアレイによって性能面で上回ることができると主張しました。障害はドライブの数に比例して増加しますが、冗長性を構成することで、アレイの信頼性は単一の大型ドライブの信頼性をはるかに上回ります。[4]
1988年6月の論文で言及されている5つのRAIDレベルの技術は、まだその用語は使われていないものの、論文が発表される前からさまざまな製品で使用されており、[3]次のようなものがありました。
- ミラーリング (RAID 1) は、たとえばTandem NonStop Systemsなどによって 1970 年代に確立されました。
- 1977年、IBMのノーマン・ケン・オウチは、後にRAID 4と名付けられた技術を公開する特許を申請した。[5]
- 1983年頃、DECはHSC50サブシステムの一部としてサブシステムミラーリングRA8Xディスクドライブ（現在はRAID 1として知られている）の出荷を開始しました。[6]
- 1986年、IBMのクラークらは、後にRAID 5と名付けられた技術を公開する特許を申請した。[7]
- 1988年頃、Thinking Machines社の DataVaultはディスクドライブアレイでエラー訂正コード（現在はRAID 2として知られている）を使用していました。[8]同様のアプローチは1960年代初頭にIBM 353で使用されていました。[9] [10]
業界のメーカーは後にRAIDの頭字語を「独立したディスクの冗長アレイ」の略として再定義しました。 [2] [11] [12] [13]
概要
多くの RAID レベルでは、「パリティ」と呼ばれるエラー保護方式が採用されています。これは、特定のデータセットにフォールトトレランスを提供するために情報技術で広く使用されている方法です。ほとんどは単純なXOR を使用しますが、RAID 6 では、特定のガロア体での加算と乗算、またはリードソロモンエラー訂正に基づく 2 つの別々のパリティを使用します。[14]
RAID は、オール SSD システムに費用をかけずに、ソリッド ステート ドライブ(SSD)でデータ セキュリティを提供することもできます。たとえば、高速 SSD を機械式ドライブでミラーリングできます。この構成で大幅な速度の利点を得るには、すべての読み取り操作に高速 SSD を使用する適切なコントローラが必要です。Adaptecはこれを「ハイブリッド RAID」と呼んでいます。[15]
標準レベル
もともと、RAIDには5つの標準レベルがありましたが、いくつかのネストされたレベルや多くの非標準レベル（ほとんどが独自のもの）を含む多くのバリエーションが進化しました。RAIDレベルとそれに関連するデータ形式は、ストレージネットワーキング業界協会（SNIA）によって共通RAIDディスクドライブフォーマット（DDF）標準で標準化されています。[16] [17]
- RAID 0 はブロックレベルのストライピングで構成されますが、ミラーリングやパリティはありません。スパンボリュームと比較すると、RAID 0 ボリュームの容量は同じで、セット内のドライブの容量の合計です。しかし、ストライピングでは各ファイルの内容がセット内のすべてのドライブに分散されるため、いずれかのドライブに障害が発生すると、RAID 0 ボリューム全体とすべてのファイルが失われます。これに対して、スパンボリュームでは、障害のないドライブ上のファイルが保持されます。RAID 0 の利点は、スパンボリュームとは異なり、読み取りと書き込みが同時に行われるため、ファイルに対する読み取りおよび書き込み操作のスループットがドライブの数だけ増加することです。 [11]コストは、ドライブ障害に対する脆弱性が増すことです。RAID 0 セットアップ内のいずれかのドライブに障害が発生するとボリューム全体が失われるため、ボリュームの平均障害率は接続されているドライブの数に応じて上昇します。
- RAID 1 は、パリティやストライピングのないデータ ミラーリングで構成されています。データは 2 台以上のドライブに同一に書き込まれるため、ドライブの「ミラー セット」が作成されます。したがって、読み取り要求はセット内のどのドライブでも処理できます。要求がセット内のすべてのドライブにブロードキャストされる場合、その要求は最初にデータにアクセスするドライブによって処理され (シーク時間と回転待ち時間によって異なります)、パフォーマンスが向上します。コントローラまたはソフトウェアが最適化されている場合、持続読み取りスループットは、RAID 0 の場合と同様に、セット内のすべてのドライブのスループットの合計に近づきます。ほとんどの RAID 1 実装の実際の読み取りスループットは、最速のドライブよりも低速です。書き込みスループットは常に低速です。これは、すべてのドライブを更新する必要があり、最も遅いドライブが書き込みパフォーマンスを制限するためです。少なくとも 1 つのドライブが機能している限り、アレイは動作し続けます。 [11]
- RAID 2は、専用のハミングコードパリティを備えたビットレベルのストライピングで構成されています。すべてのディスクスピンドルの回転は同期されており、データは各連続ビットが異なるドライブ上に存在するようにストライピングされます。ハミングコードパリティは対応するビット間で計算され、少なくとも1つのパリティドライブに保存されます。 [11]このレベルは歴史的な意味合いのみを持ちます。初期のマシン（たとえば、 Thinking Machines CM-2）では使用されていましたが、 [18] 2014年現在、市販のシステムでは使用されていません。 [19][アップデート]
- RAID 3は、専用のパリティを備えたバイトレベルのストライピングで構成されています。すべてのディスクスピンドルの回転は同期されており、データは各連続バイトが異なるドライブ上に存在するようにストライピングされます。パリティは対応するバイト間で計算され、専用のパリティドライブに保存されます。 [11]実装は存在しますが、 [20] RAID 3は実際にはあまり使用されていません。
- RAID 4 は、専用パリティを使用したブロックレベルのストライピングで構成されています。このレベルは以前はNetAppによって使用されていましたが、現在ではRAID-DPと呼ばれる 2 つのパリティ ディスクを備えた RAID 4 の独自の実装に大きく置き換えられています。 [21] RAID 2 および 3 に対する RAID 4 の主な利点は、I/O の並列処理です。RAID 2 および 3 では、1 回の読み取り I/O 操作でデータ ドライブのグループ全体を読み取る必要がありますが、RAID 4 では、1 回の I/O 読み取り操作がすべてのデータ ドライブに分散する必要はありません。その結果、より多くの I/O 操作を並列に実行できるようになり、小さな転送のパフォーマンスが向上します。 [1]
- RAID 5 は、分散パリティによるブロックレベルのストライピングで構成されています。RAID 4 とは異なり、パリティ情報はドライブ間で分散されるため、1 台を除くすべてのドライブが動作している必要があります。1 台のドライブに障害が発生した場合、その後の読み取りは分散パリティから計算されるため、データが失われることはありません。RAID 5 には少なくとも 3 台のディスクが必要です。 [11]すべてのシングルパリティ コンセプトと同様に、大規模な RAID 5 実装は、アレイ再構築時間に関する傾向と再構築中のドライブ障害の可能性 (以下の「再構築時間と障害の可能性の増加」セクションを参照) により、システム障害の影響を受けやすくなります。 [22]アレイを再構築するには、すべてのディスクからすべてのデータを読み取る必要があるため、2 台目のドライブ障害が発生してアレイ全体が失われる可能性があります。
- RAID 6 は、二重分散パリティによるブロックレベルのストライピングで構成されています。二重パリティは、最大 2 台のドライブが故障するまでの耐障害性を提供します。これにより、特に高可用性システムでは、大容量ドライブの復元に時間がかかるため、RAID グループを大きくすることがより現実的になります。RAID 6 には、最低 4 台のディスクが必要です。RAID 5 と同様に、1 台のドライブが故障すると、故障したドライブが交換されるまでアレイ全体のパフォーマンスが低下します。 [11]複数のソースとメーカーのドライブを使用する RAID 6 アレイでは、RAID 5 に関連するほとんどの問題を軽減できます。ドライブ容量が大きく、アレイ サイズが大きいほど、RAID 5 ではなく RAID 6 を選択することが重要になります。 [23] RAID 10 もこれらの問題を最小限に抑えます。 [24]
ネストされた（ハイブリッド）RAID
もともとハイブリッドRAIDと呼ばれていたもの[25]では、多くのストレージコントローラがRAIDレベルをネストすることができます。RAIDの要素は、個々のドライブまたはアレイ自体のいずれかです。アレイが1レベル以上深くネストされることはほとんどありません。
最後のアレイはトップ アレイと呼ばれます。トップ アレイが RAID 0 (RAID 1+0 や RAID 5+0 など) の場合、ほとんどのベンダーは「+」を省略します (それぞれRAID 10と RAID 50 になります)。
- RAID 0+1: 2 つのストライプを作成し、それらをミラーリングします。1 つのドライブに障害が発生すると、ミラーの 1 つが故障し、この時点で冗長性のない RAID 0 として効果的に動作します。再構築中に RAID 1+0 よりも大幅に高いリスクが発生します。これは、1 つのドライブからだけでなく、残りのストライプのすべてのドライブからすべてのデータを読み取る必要があるため、回復不能な読み取りエラー (URE) の可能性が高まり、再構築ウィンドウが大幅に長くなるためです。[26] [27] [28]
- RAID 1+0: ( RAID 10を参照) は、一連のミラードライブからストライプセットを作成します。アレイは、ミラーがすべてのドライブを失わない限り、複数のドライブの損失に耐えることができます。[29]
- JBOD RAID N+N: JBOD ( just a bundle of disks ) を使用すると、ディスクを連結できるだけでなく、RAID セットなどのボリュームも連結できます。ドライブ容量が大きいほど、書き込み遅延と再構築時間が大幅に増加します (特に、前述のように、RAID 5 および RAID 6 の場合)。大きな RAID N セットを小さなサブセットに分割し、リニア JBOD で連結すると、 [説明が必要]書き込み時間と再構築時間が短縮されます。ハードウェア RAID コントローラーがリニア JBOD を RAID N でネストできない場合は、OS レベルのソフトウェア RAID と、1 つ以上のハードウェア RAID コントローラー内に作成された個別の RAID N サブセット ボリュームを組み合わせて、リニア JBOD を実現できます。速度が大幅に向上するほか、これは大きな利点ももたらします。小さなディスク セットでリニア JBOD を開始し、後で異なるサイズのディスクでセット全体を拡張できる可能性です (やがて、より大きなサイズのディスクが市場で入手可能になります)。災害復旧という点でも別の利点があります (RAID N サブセットに障害が発生した場合でも、他の RAID N サブセットのデータは失われず、復元時間が短縮されます)。 [要出典]
非標準レベル
基本的な番号付き RAID レベル以外にも多くの構成が可能であり、多くの企業、組織、グループが独自の非標準構成を作成しています。多くの場合、これらは小規模なニッチ グループの特殊なニーズを満たすように設計されています。このような構成には次のものがあります。
- Linux MD RAID 10 は、一般的な RAID ドライバーを提供します。このドライバーの「近い」レイアウトでは、デフォルトで 2 つのドライブを持つ標準 RAID 1 と 4 つのドライブを持つ標準 RAID 1+0 になりますが、奇数を含む任意の数のドライブを含めることができます。「遠い」レイアウトでは、MD RAID 10 は、レイアウトに 2 つのドライブしかない場合でも、ストライプとミラーの両方を実行できます。これにより、ストライプ読み取りでミラーリングが実行され、RAID 0 の読み取りパフォーマンスが得られます。Linuxソフトウェア RAID
f2によって提供される通常の RAID 1 では、読み取りをストライプ化しませんが、読み取りを並列で実行できます。[29] [30] [31] - Hadoopには、単一のHDFSファイル内のブロックのストライプを排他的論理和演算してパリティファイルを生成するRAIDシステムがある。[32]
- 並列ファイルシステムであるBeeGFS には、複数のサーバーのスループットと容量を集約するための内部ストライピング (ファイルベースの RAID0 に相当) とレプリケーション (ファイルベースの RAID10 に相当) のオプションがあり、通常は基盤となる RAID をベースとしてディスク障害を透過的にします。
- デクラスタ化 RAID は、ストレージ サブシステム内のすべてのディスク (数百台になる可能性あり) にデータの 2 つ以上のコピーを分散させ、少数のディスクが故障しても対応できる十分な予備容量を確保します。分散は、一見すると恣意的であるように見えるアルゴリズムに基づいています。1 台以上のディスクが故障すると、失われたコピーがその予備容量に再構築されますが、これもまた恣意的です。再構築は残りのすべてのディスクから、また残りのすべてのディスクに対して行われるため、従来の RAID よりもはるかに高速に動作し、ストレージ システムのクライアントへの全体的な影響が軽減されます。
実装
複数のドライブにわたるデータの分散は、専用のコンピュータ ハードウェアまたはソフトウェアによって管理できます。ソフトウェア ソリューションは、オペレーティング システムの一部である場合もあれば、標準ドライブ コントローラに付属するファームウェアおよびドライバの一部である場合 (いわゆる「ハードウェア支援ソフトウェア RAID」) もあれば、ハードウェア RAID コントローラ内に完全に存在する場合もあります。
ハードウェアベース
ハードウェア RAID コントローラは、オペレーティングシステムの起動前にカードBIOSまたはオプション ROMを介して構成でき、オペレーティングシステムの起動後は、各コントローラの製造元から独自の構成ユーティリティが提供されます。通常、サードパーティのツールを必要とせずに、 Unixのifconfigなどの一般的なオペレーティングシステムパラダイムを通じて完全に構成およびサービス提供できるEthernetのネットワークインターフェイスコントローラとは異なり、各 RAID コントローラの各製造元は通常、サポートする必要があるとみなしたオペレーティングシステムごとに独自のソフトウェアツールを提供しており、ベンダーロックインが確実に発生し、信頼性の問題につながります。[33]
例えば、FreeBSDでは、 Adaptec RAIDコントローラの設定にアクセスするには、ユーザーはLinux互換レイヤーを有効にし、AdaptecのLinuxツールを使用する必要があります。 [34]特に長期的な視点で見ると、セットアップの安定性、信頼性、セキュリティが損なわれる可能性があります。[33]
他のオペレーティングシステムの中には、RAID コントローラとインターフェイスするための独自の汎用フレームワークを実装し、RAID ボリュームの状態を監視するツールや、カード BIOS に再起動することなくオペレーティングシステム内から LED の点滅、アラーム管理、ホットスペアディスクの指定によるドライブの識別を容易にするツールを提供しているものもあります。たとえば、これは2005 年にOpenBSDが採用したアプローチで、bio(4) 疑似デバイスとbioctlユーティリティによってボリュームの状態が提供され、LED/アラーム/ホットスペアの制御や、ヘルスモニタリング用のセンサー (ドライブセンサーを含む) が可能になります。[35]このアプローチはその後、2007 年にNetBSDでも採用され、拡張されました。[36]
ソフトウェアベース
ソフトウェア RAID の実装は、多くの最新のオペレーティング システムで提供されています。ソフトウェア RAID は次のように実装できます。
- 複数のデバイスを抽象化し、単一の仮想デバイスを提供するレイヤー（ LinuxカーネルのmdやOpenBSDのsoftraidなど）
- より汎用的な論理ボリューム マネージャー( VeritasやLVMなどのほとんどのサーバー クラスのオペレーティング システムで提供される)
- ファイルシステムのコンポーネント（ZFS、Spectrum Scale、Btrfsなど）
- あらゆるファイルシステムの上に位置し、ユーザーデータにパリティ保護を提供するレイヤー（RAID-Fなど）[37]
一部の高度なファイル システムは、サードパーティの論理ボリューム マネージャーの助けを借りずに、複数のストレージ デバイス間でデータを直接整理するように設計されています。
- ZFS は、RAID 0、RAID 1、RAID 5 (RAID-Z1) シングルパリティ、RAID 6 (RAID-Z2) ダブルパリティ、および RAID 7 とも呼ばれるトリプルパリティバージョン (RAID-Z3) と同等のものをサポートしています。[38]常に最上位レベルの vdev にストライプ化されるため、1+0、5+0、6+0 のネストされた RAID レベル (およびストライプ化されたトリプルパリティセット) と同等のものをサポートしていますが、他のネストされた組み合わせはサポートしていません。ZFS はSolarisおよびillumosのネイティブファイルシステムであり、FreeBSD および Linux でも利用できます。オープンソースの ZFS 実装は、OpenZFS傘下プロジェクトの下で積極的に開発されています。[39] [40] [41] [42] [43]
- Spectrum Scale は、もともと IBM がメディアストリーミングとスケーラブルな分析のために開発したもので、 n+3 までのデクラスター RAID保護スキームをサポートしています。特徴は、データチャンクが n+0 冗長性に達するまでバックグラウンドで低負荷で実行される動的な再構築優先度です。データチャンクが n+0 冗長性に達すると、このチャンクはすぐに少なくとも n+1 に再構築されます。さらに、Spectrum Scale はメトロ距離 RAID 1 をサポートしています。[44]
- BtrfsはRAID 0、RAID 1、RAID 10をサポートしています（RAID 5と6は開発中です）。[45] [46]
- XFSはもともと、複数の物理ストレージデバイスの連結、ミラーリング、ストライピングをサポートする統合ボリュームマネージャを提供するために設計されました。[47]しかし、LinuxカーネルでのXFSの実装には統合ボリュームマネージャがありません。[48]
多くのオペレーティング システムでは、次のような RAID 実装が提供されています。
- ヒューレット・パッカードのOpenVMSオペレーティングシステムはRAID 1をサポートしています。「シャドウセット」と呼ばれるミラーリングされたディスクは、災害復旧を支援するために異なる場所に配置できます。[49]
- AppleのmacOSとmacOS ServerはRAID 0、RAID 1、RAID 1+0をサポートしています。[50] [51]
- FreeBSDは、GEOMモジュールとccdを介してRAID 0、RAID 1、RAID 3、RAID 5、およびすべてのネストをサポートしています。[52] [53] [54]
- LinuxのmdはRAID 0、RAID 1、RAID 4、RAID 5、RAID 6、およびすべてのネストをサポートしています。[55]特定の再形成/サイズ変更/拡張操作もサポートされています。[56]
- Microsoft Windows は、さまざまなソフトウェア実装を使用して RAID 0、RAID 1、および RAID 5 をサポートしています。Windows 2000で導入された論理ディスク マネージャーでは、ダイナミック ディスクを使用して RAID 0、RAID 1、および RAID 5 ボリュームを作成できますが、これはWindows 8がリリースされるまで、Windows のプロフェッショナル エディションとサーバー エディションに限定されていました。[57] [58] Windows XP は、RAID 0、1、および 5 のサポートを解除するように変更できます。 [59] Windows 8とWindows Server 2012では、記憶域スペースと呼ばれる RAID のような機能が導入され、ユーザーはフォルダーごとにミラーリング、パリティ、または冗長性なしを指定することもできます。これらのオプションは RAID 1 および RAID 5 に似ていますが、より高い抽象レベルで実装されています。[60]
- NetBSDはRAIDframeと呼ばれるソフトウェア実装を通じてRAID 0、1、4、5をサポートしています。[61]
- OpenBSDはsoftraidと呼ばれるソフトウェア実装を通じてRAID 0、1、5をサポートしています。[62]
ブートドライブが故障した場合、システムは残りのドライブからブートできるほど洗練されていなければなりません。たとえば、ディスクが RAID 1 (ミラードライブ) として構成されているコンピュータを考えてみましょう。アレイの最初のドライブが故障した場合、第 1 ステージのブートローダーは、フォールバックとして 2 番目のドライブから第 2 ステージのブートローダーをロードしようとするほど洗練されていない可能性があります。FreeBSD の第 2 ステージのブートローダーは、そのようなアレイからカーネルをロードできます。 [63]
ファームウェアおよびドライバーベース
ソフトウェアで実装された RAID は、システムのブート プロセスと互換性がないことが多く、デスクトップ版の Windows では一般的に実用的ではありません。しかし、ハードウェア RAID コントローラーは高価で独自仕様です。このギャップを埋めるために、専用の RAID コントローラー チップではなく、標準のドライブ コントローラー チップ、またはチップセットに組み込まれた RAID 機能と独自のファームウェアおよびドライバーを備えた安価な「RAID コントローラー」が導入されました。起動初期には、RAID はファームウェアによって実装され、オペレーティング システムがより完全にロードされると、ドライバーが制御を引き継ぎます。その結果、ホスト オペレーティング システムでドライバー サポートが利用できない場合、このようなコントローラーは機能しない可能性があります。[64]一例として、多くのコンシューマー レベルのマザーボードに実装されているIntel Rapid Storage Technologyがあります。[65] [66]
最小限のハードウェアサポートが関係するため、この実装は「ハードウェア支援ソフトウェア RAID」[67] [68] [69]「ハイブリッドモデル」RAID [69]または「偽RAID」とも呼ばれます。[70] RAID 5 がサポートされている場合、ハードウェアはハードウェア XOR アクセラレータを提供する場合があります。このモデルが純粋なソフトウェア RAID よりも優れている点は、冗長モードを使用している場合、オペレーティングシステムのドライバーが引き継ぐ前であっても、ブートプロセス中にブートドライブが (ファームウェアによる) 障害から保護されることです。[69]
誠実さ
データスクラビング（一部の環境ではパトロールリードと呼ばれる）では、RAIDコントローラがアレイ内のすべてのブロック（通常はアクセスされないブロックも含む）を定期的に読み取り、チェックします。これにより、使用前に不良ブロックが検出されます。[71]データスクラビングは、アレイ内の各ストレージデバイス上の不良ブロックをチェックするだけでなく、アレイの冗長性を利用して単一のドライブ上の不良ブロックを回復し、回復したデータをドライブ上の他のスペアブロックに再割り当てします。[72]
多くの場合、RAID コントローラは、ドライブが 8 秒程度応答しない場合、コンポーネント ドライブを「ドロップ」する (つまり、コンポーネント ドライブが故障したと想定する) ように構成されています。これにより、アレイ コントローラは正常なドライブをドロップする可能性があります。これは、そのドライブに内部エラー回復手順を完了する時間が十分に与えられていないためです。その結果、消費者向けドライブを RAID で使用することはリスクを伴う可能性があり、いわゆる「エンタープライズ クラス」ドライブでは、リスクを軽減するためにこのエラー回復時間を制限しています。[要出典] Western Digital のデスクトップ ドライブには、以前は特定の修正がありました。WDTLER.exe と呼ばれるユーティリティが、ドライブのエラー回復時間を制限していました。このユーティリティは、エラー回復時間を 7 秒に制限するTLER (時間制限エラー回復) を有効にしました。2009 年 9 月頃、Western Digital はデスクトップ ドライブ (Caviar Black ラインなど) でこの機能を無効にし、そのようなドライブを RAID 構成での使用に適さないようにしました。[73]ただし、Western Digital のエンタープライズ クラス ドライブは、TLER が有効になった状態で工場から出荷されます。同様のテクノロジは、Seagate、Samsung、および Hitachi でも使用されています。したがって、RAID以外の用途では、変更できない短いエラー回復タイムアウトを持つエンタープライズクラスのドライブは、デスクトップドライブほど適していません。[73] 2010年後半、SmartmontoolsプログラムはATAエラー回復制御の構成をサポートし始め、このツールは多くのデスクトップクラスのハードドライブをRAIDセットアップで使用するように構成できるようになりました。[73]
RAIDは物理的なドライブの故障から保護しますが、データは依然としてオペレータ、ソフトウェア、ハードウェア、ウイルスによる破壊にさらされています。多くの研究では、オペレータの過失が一般的な故障の原因であると指摘されています。[74] [75]たとえば、サーバオペレータが故障したRAIDで間違ったドライブを交換し、その過程でシステムを（一時的にでも）無効にすることがあります。[76]
アレイは、その回復能力を超える壊滅的な障害によって圧倒される可能性があり、アレイ全体が火災、自然災害、人為的要因によって物理的損傷を受けるリスクがありますが、バックアップはオフサイトに保存できます。アレイは、データ損失なしで新しい別のコントローラに移行できるとは限らないため、コントローラ障害に対しても脆弱です。[77]
弱点
相関する障害
実際には、ドライブは多くの場合、同じ年数（摩耗も同様）で、同じ環境にさらされています。多くのドライブ障害は機械的な問題（古いドライブでより起こりやすい）によるものであるため、これはドライブ間の障害率が独立して同一であるという仮定に反します。障害は実際には統計的に相関しています。[11]実際には、最初の障害が回復する前に 2 回目の障害が発生する可能性（データ損失の原因）は、ランダム障害が発生する可能性よりも高くなります。約 100,000 台のドライブの調査では、同じクラスター内の 2 つのドライブが 1 時間以内に故障する確率は、指数統計分布（イベントが一定の平均率で継続的かつ独立して発生するプロセスを特徴付ける）によって予測されるよりも 4 倍高くなりました。同じ 10 時間以内に 2 つの障害が発生する確率は、指数分布によって予測されるよりも 2 倍高くなりました。[78]
再構築中に回復不能な読み取りエラーが発生した
回復不能な読み取りエラー (URE) は、セクター読み取り障害として現れ、潜在セクター エラー (LSE) とも呼ばれます。関連するメディア評価基準である回復不能ビット エラー (UBE) 率は、通常、エンタープライズ クラスのドライブ ( SCSI、FC、SAS、または SATA)では 10 15 [議論中–議論]分の 1 未満、デスクトップ クラスのドライブ (IDE/ATA/PATA、または SATA) では 10 14 [議論中–議論]分の 1未満であることが保証されています。ドライブ容量の増加と RAID 5 インスタンスの大規模化により、RAID セットの再構築中に 1 つ以上の残りのドライブでこのようなエラーが発生する可能性が高くなり、最大エラー率が正常な回復を保証するのに不十分になっています。[11] [古い情報源] [79] RAID 5などのパリティベースのスキームでは、再構築時にUREの影響を受けやすく、UREが発生したセクターだけでなく、そのセクターを使用してパリティ計算を行う再構築ブロックにも影響を及ぼします。[80]
RAID 6などの二重保護パリティベースのスキームでは、二重ドライブ障害を許容する冗長性を提供することでこの問題に対処しようとしていますが、欠点として、このようなスキームでは書き込みペナルティ（1回の書き込み操作中にストレージメディアにアクセスする必要がある回数）が高くなります。[81] RAID 1やRAID 10など、ドライブ間でデータを複製（ミラーリング）するスキームでは、パリティ計算やストライプセット間のミラーリングを使用するスキームよりもUREによるリスクが低くなります。[24] [82]バックグラウンドプロセスとしてのデータスクラビングを使用してUREを検出し、回復できるため、RAID再構築中にUREが発生して二重ドライブ障害が発生するリスクを効果的に軽減できます。UREの回復には、ドライブのセクター再マッピングプールを使用して、影響を受ける基礎ディスクセクターの再マッピングが含まれます。バックグラウンドスクラビング中にUREが検出された場合、完全に機能するRAIDセットによって提供されるデータ冗長性により、失われたデータを再構築し、再マップされたセクターに書き直すことができます。[83] [84]
再構築時間と故障確率の増加
ドライブ容量は転送速度よりもはるかに速いペースで増加しており、エラー率はそれに比べてわずかに低下しただけです。したがって、大容量ドライブの再構築には数時間、場合によっては数日かかることがあり、その間に他のドライブが故障したり、まだ検出されていない読み取りエラーが表面化したりする可能性があります。アレイ全体が容量を減らした状態でまだ動作している場合、再構築時間も制限されます。[85]冗長ドライブが 1 つしかないアレイの場合 (RAID レベル 3、4、5、および「クラシック」な 2 ドライブ RAID 1 に適用)、2 つ目のドライブが故障するとアレイが完全に故障します。個々のドライブの平均故障間隔(MTBF) は時間の経過とともに増加していますが、この増加はドライブのストレージ容量の増加に追いついていません。1 つのドライブが故障した後にアレイを再構築する時間、および再構築中に 2 つ目の故障が発生する可能性は、時間の経過とともに増加しています。[22]
一部の評論家は、RAID 6 は問題を先送りするだけなので、この点では「応急処置」に過ぎないと主張している。[22]しかし、2006 年のNetAppの Berriman らの調査によると、RAID 6 を適切に実装すると、市販のドライブを使用した場合でも、障害の可能性は RAID 5 に比べて約 3,800 倍減少する。[86] [出典が見つかりません]それでも、現在観察されている技術トレンドが変わらない場合、2019 年の RAID 6 アレイの障害の可能性は、2010 年の RAID 5 アレイの障害の可能性と同じになります。[86] [信頼できない情報源? ]
RAID 10 などのミラーリング方式では、アレイ セット内のドライブのすべてのブロックのコピーを必要とする RAID 6 などのパリティ方式と比較して、単一の障害ドライブのコピーを必要とするため、回復時間が制限されます。トリプル パリティ方式、またはトリプル ミラーリングは、この長い再構築時間中に追加のドライブ障害に対する回復力を向上させる 1 つの方法として提案されています。[86] [信頼できない情報源? ]
原子性
システムクラッシュや書き込み操作の中断により、書き込みプロセスの非アトミック性のためにパリティがデータと矛盾する状態になり、ディスク障害が発生した場合にパリティを回復に使用できなくなる可能性があります。これは一般に書き込みホールと呼ばれ、ディスクへの書き込みのデステージングが中断されることによって引き起こされる、古いローエンドの RAID で既知のデータ破損の問題です。[87]書き込みホールはいくつかの方法で対処できます。
- 先行書き込みログ。
- 書き込み意図のログ記録。mdadmは「書き込み意図ビットマップ」を使用します。起動時に書き込みが不完全であるとマークされた場所が見つかった場合、それらを再同期します。書き込みホールは閉じられますが、完全な WAL とは異なり、転送中のデータの損失は保護されません。[88] [91]
- 部分パリティ。mdadmは「部分パリティ」を保存することができ、これを変更されたチャンクと組み合わせると元のパリティを回復します。これにより書き込みホールは閉じられますが、転送中のデータの損失は防げません。[92]
- 動的なストライプサイズ。RAID -Zは各ブロックが独自のストライプであることを保証するため、すべてのブロックが完全です。コピーオンライト（COW）トランザクションセマンティクスは、ストライプに関連付けられたメタデータを保護します。[93]欠点はIOの断片化です。[94]
- 使用済みのストライプの上書きを避ける。コピーガベージコレクターを使用するbcachefsはこのオプションを選択します。COWは再びストライプデータへの参照を保護します。 [94]
書き込みホールは、トランザクション機能を利用しない冗長ストレージシステムの障害モードとしてはあまり理解されておらず、ほとんど言及されていません。データベース研究者のジム・グレイは、リレーショナルデータベースの商用化の初期に「Update in Place is a Poison Apple」と書いています。[95]
書き込みキャッシュの信頼性
ライトバックキャッシュを搭載したデバイスに関しては、特にライトバックキャッシュの信頼性に関する懸念がある。ライトバックキャッシュは、データが不揮発性メディアに書き込まれたときではなく、キャッシュに書き込まれた時点でデータが書き込まれたと報告するキャッシュシステムである。システムで停電やその他の重大な障害が発生すると、データは不揮発性ストレージに到達する前にキャッシュから取り返しのつかないほど失われる可能性がある。このため、優れたライトバックキャッシュの実装には、冗長バッテリ電源などのメカニズムが組み込まれており、システム障害（停電を含む）が発生してもキャッシュの内容が保持され、システムの再起動時にキャッシュがフラッシュされる。[96]
参照
参考文献
- ^ abc Patterson, David ; Gibson, Garth A. ; Katz, Randy (1988). 安価なディスクの冗長アレイ (RAID) のケース(PDF) . SIGMOD カンファレンス. 2024 年 1 月 3 日閲覧。
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外部リンク
ウィキメディア コモンズには、Redundant Array of Independent Disks に関連するメディアがあります。
- 「ディスク障害率とエラー率の実験的測定」、ジム・グレイとキャサリン・ヴァン・インゲン著、2005 年 12 月
- RAID-6 の数学、H. Peter Anvin著
- BAARF: あらゆる RAID 5 との戦い (RAID 3、4、5 対 RAID 10)
- ディスクスクラブのクリーンな見方