標準RAIDレベル

コンピュータストレージにおける標準RAID レベルは、ストライピング、ミラーリング、またはパリティの技術を使用して複数の汎用コンピュータハードディスクドライブ (HDD) から大規模で信頼性の高いデータストアを作成する RAID ("redundant Array of independent disks" または "redundant Array of inexpensive disks") 構成の基本セットで構成されています。最も一般的なタイプは、RAID 0 (ストライピング)、RAID 1 (ミラーリング) とそのバリエーション、RAID 5 (分散パリティ)、および RAID 6 (デュアルパリティ) です。複数の RAID レベルを組み合わせたりネストしたりすることもできます。たとえば、RAID 10 (ミラーのストライピング) や RAID 01 (ミラーリングストライプセット) などです。RAID レベルとそれに関連するデータ形式は、Storage Networking Industry Association (SNIA) によって Common RAID Disk Drive Format (DDF) 標準で標準化されています。^[1]数値は識別子としてのみ機能し、パフォーマンス、信頼性、世代、階層、またはその他のメトリックを示すものではありません。

ほとんどの RAID レベルは、ハードウェアの欠陥や不良セクター/読み取りエラー (ハード エラー) に対する優れた保護と回復機能を提供しますが、壊滅的な障害 (火災、水害) や、ユーザー エラー、ソフトウェアの誤動作、マルウェア感染などのソフト エラーによるデータ損失に対する保護は提供しません。貴重なデータの場合、RAID は、より大規模なデータ損失防止および回復スキームの 1 つの構成要素にすぎず、バックアッププランに代わるものではありません。

RAID 0 (ストライプ セットまたはストライプ ボリュームとも呼ばれる)は、パリティ情報、冗長性、フォールト トレランスなしで、データを 2 台以上のディスクに均等に分割 (「ストライプ」)します。RAID 0 はフォールト トレランスや冗長性を提供しないため、データがすべてのディスクにストライプ化されているため、1 つのドライブに障害が発生するとアレイ全体に障害が発生します。この構成は通常、速度を目的に実装されます。^{[2] [3]} RAID 0 は通常、パフォーマンスを向上させるために使用されますが、 2 台以上の物理ディスクから大きな論理ボリューム を作成する方法としても使用できます。 ^[4]

RAID 0 セットアップは異なるサイズのディスクで作成できますが、各ディスクによってアレイに追加されるストレージ スペースは、最小のディスクのサイズに制限されます。たとえば、120 GB のディスクを 320 GB のディスクと一緒にストライプ化した場合、アレイのサイズは 120 GB × 2 = 240 GB になります。ただし、一部の RAID 実装では、残りの 200 GB を他の目的に使用できます。^{[引用が必要]}

このセクションの図は、データが 2 つのディスクのストライプに分散される様子を示しています。最初のストライプは A1:A2、2 番目のストライプは A3:A4 などです。RAID 0 アレイの作成時にストライプ サイズが定義されると、常にそのサイズを維持する必要があります。ストライプは並列にアクセスされるため、nドライブの RAID 0 アレイは、単一ディスクの速度よりも n倍高いデータ速度を持つ単一の大きなディスクとして表示されます。

n台のドライブからなるRAID 0アレイは、個々のドライブの速度の最大n倍のデータ読み取りおよび書き込み転送速度を提供しますが、データの冗長性はありません。そのため、RAID 0は主に、科学計算^[5]やゲーム^[6]など、高いパフォーマンスが要求され、信頼性が低くても許容できるアプリケーションで使用されます。

デスクトップ アプリケーションのベンチマークの中には、RAID 0 のパフォーマンスが単一ドライブよりもわずかに優れていることが示されています。^{[7] [8]} 別の記事では、これらの主張を検証し、「ストライピングによってパフォーマンスが常に向上するわけではありません (特定の状況では、非 RAID セットアップよりも実際に遅くなります) が、ほとんどの状況ではパフォーマンスが大幅に向上します」と結論付けています。^{[9] [10]} 合成ベンチマークでは、RAID 0 セットアップで複数の HDD または SSD を使用した場合、単一ドライブのパフォーマンスと比較して、パフォーマンスがさまざまなレベルで向上することが示されています。ただし、一部の合成ベンチマークでは、同じ比較でパフォーマンスが低下することも示されています。^{[11] [12]}

RAID 1 は、2 つ以上のディスク上のデータ セットの正確なコピー (またはミラー) で構成されます。従来の RAID 1 ミラー ペアには 2 つのディスクが含まれます。この構成では、データがアレイに属するすべてのディスクにミラーリングされ、アレイは最小のメンバー ディスクと同じサイズに制限されるため、パリティ、ストライピング、または複数のディスクにまたがるディスク領域のスパンは提供されません。このレイアウトは、書き込みパフォーマンスや結果として得られるデータ ストレージ容量よりも、読み取りパフォーマンスや信頼性が重要な場合に便利です。^{[13] [14]}

少なくとも1つのメンバードライブが動作している限り、アレイは動作し続けます。^[15]

読み取り要求はアレイ内のどのドライブでも処理できるため、I/O 負荷の性質に応じて、RAID 1 アレイのランダム読み取りパフォーマンスは各メンバーのパフォーマンスの合計に等しくなることがありますが、^[a]書き込みパフォーマンスは単一のディスクのレベルにとどまります。ただし、RAID 1 アレイで速度の異なるディスクが使用されている場合、全体的な書き込みパフォーマンスは最も遅いディスクの速度に等しくなります。^{[14] [15]}

合成ベンチマークでは、RAID 1 セットアップで複数の HDD または SSD を使用した場合、単一ドライブのパフォーマンスと比較して、さまざまなレベルのパフォーマンス向上が示されています。ただし、一部の合成ベンチマークでは、同じ比較でパフォーマンスが低下することも示されています。^{[11] [12]}

RAID 2は実際にはめったに使用されないが、データをブロックレベルではなくビットレベルでストライプ化し、ハミングコードを使用してエラー訂正を行う。ディスクはコントローラによって同期され、同じ角度で回転する（^{インデックス}に同時に到達）ため、通常、複数の要求を同時に処理することはできない。^{[17] [18]} ただし、高速ハミングコードを使用すると、多くのスピンドルが並行して動作して同時にデータを転送するため、「非常に高いデータ転送速度」が可能になる^[19] 。たとえば、Thinking Machines のDataVaultでは、32 のデータビットが同時に転送された。IBM 353 ^{[20]でも同様の}ハミングコードが使用され、8 つの ECC ビットとともに 64 のデータビットを同時に転送することができた。

すべてのハードディスクドライブが内部エラー訂正を実装しているため、外部ハミングコードの複雑さはパリティに比べてほとんど利点がないため、RAID 2はほとんど実装されていません。これは現在使用されていない唯一のRAIDのオリジナルレベルです。^{[17] [18]}

実際にはめったに使用されないRAID 3は、専用のパリティディスクを使用したバイトレベルのストライピングで構成されています。RAID 3 の特徴の 1 つは、通常、複数の要求を同時に処理できないことです。これは、定義上、単一のデータ ブロックがセットのすべてのメンバーに分散され、各ディスクの同じ物理的な場所に存在するためです。したがって、すべてのI/O操作にはすべてのディスクでのアクティビティが必要であり、通常は同期されたスピンドルが必要です。

これにより、非圧縮ビデオ編集など、長時間の連続読み取りと書き込みで最高の転送速度を要求するアプリケーションに適しています。ランダムなディスク位置から小さな読み取りと書き込みを行うアプリケーションでは、このレベルではパフォーマンスが最低になります。^[18]

すべてのディスクが同期して回転する必要があるという要件は、他のRAIDレベルに比べて大きな利点がない設計上の考慮事項を追加しました。RAID 3とRAID 4はどちらもすぐにRAID 5に置き換えられました。 ^[21] RAID 3は通常ハードウェアで実装され、パフォーマンスの問題は大容量のディスクキャッシュを使用することで解決されました。^[18]

RAID 4は、専用のパリティディスク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。そのレイアウトの結果、RAID 4はランダム読み取りのパフォーマンスが良好ですが、ファイルシステムがRAID 4に対応していてそれを補正しない限り、すべてのパリティデータを単一のディスクに書き込む必要があるため、ランダム書き込みのパフォーマンスは低くなります ^{[22] 。}

RAID 4 の利点は、新しく追加されたディスクが完全に 0 バイトで埋められている限り、パリティの再計算なしでオンラインで迅速に拡張できることです。

図 1 では、ブロック A1 の読み取り要求はディスク 0 によって処理されます。ブロック B1 の同時読み取り要求は待機する必要がありますが、B2 の読み取り要求はディスク 1 によって同時に処理できます。

RAID 5は、分散パリティを備え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。RAID 4とは異なり、パリティ情報はドライブ間で分散されています。RAID 5が動作するには、1台を除くすべてのドライブが存在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。^[5] RAID 5には少なくとも3台のディスクが必要です。^[23]

RAID 5ディスクドライブアレイでは、ディスクへの書き込み順序に応じて、データとパリティのレイアウトが多数存在します。 ^[24]

1. ディスク 0 から N までのディスク アレイに左から右または右から左に書き込まれるデータ ブロックの順序。
2. ストライプの先頭または末尾のパリティ ブロックの位置。
3. 前のストライプのパリティに対するストライプの最初のブロックの位置。

この図は、1) データ ブロックが左から右に書き込まれ、2) ストライプの最後にあるパリティ ブロック、および 3) 次のストライプの最初のブロックが前のストライプのパリティ ブロックと同じディスク上にないことを示しています。これは、左非同期RAID 5 レイアウト^[24]として指定することができ、これは、解散したRaid Advisory Board ^{[26]によって発行された}The Raid Book ^[25]の最終版で特定された唯一のレイアウトです。同期レイアウト では、次のストライプの最初のデータ ブロックは、前のストライプのパリティ ブロックと同じドライブに書き込まれます。

RAID 4と比較すると、RAID 5の分散パリティは、専用パリティディスクのストレスをすべてのRAIDメンバー間で均等化します。さらに、すべてのRAIDメンバーが書き込み要求の処理に参加するため、書き込みパフォーマンスが向上します。ストライピング（RAID 0）セットアップほど効率的ではありませんが、パリティの書き込みは依然として必要であり、これがボトルネックではなくなります。^[27]

パリティ計算はフルストライプで実行されるため、アレイへの小さな変更は書き込み増幅^[要引用]を引き起こします。最悪の場合、単一の論理セクターを書き込むときに、元のセクターとそれに対応するパリティ セクターを読み取る必要があり、元のデータはパリティから削除され、新しいデータがパリティに計算され、新しいデータ セクターと新しいパリティ セクターの両方が書き込まれます。

RAID 6は、2番目のパリティブロックを追加することでRAID 5を拡張します。つまり、2つのパリティブロックをすべてのメンバーディスクに分散したブロックレベルのストライピングを使用します。 ^[28] RAID 6には少なくとも4つのディスクが必要です。

RAID 5 と同様に、データ ブロックが書き込まれる方向、データ ブロックに対するパリティ ブロックの位置、および後続のストライプの最初のデータ ブロックが前のストライプの最後のパリティ ブロックと同じドライブに書き込まれるかどうかに応じて、RAID 6 ディスク アレイのレイアウトは多数あります。右の図は、そのようなレイアウトの 1 つにすぎません。

ストレージネットワーキング業界協会 (SNIA) によると、RAID 6 の定義は、「2 つのディスクが同時に故障した場合でも、RAID アレイのすべての仮想ディスクへの読み取りおよび書き込み要求を継続的に実行できる RAID の形式。RAID レベル 6 の実装には、デュアル チェック データ計算 (パリティとリード ソロモン)、直交デュアル パリティ チェック データ、対角パリティなど、いくつかの方法が使用されています。」です。^[29]

2番目のブロックは通常Qとラベル付けされ、最初のブロックはPとラベル付けされる。通常、PブロックはRAID 5と同様にデータのパリティ（XOR）として計算される。RAID 6の異なる実装では、Qブロックを計算するために異なる消去コードが使用され、多くの場合、リードソロモン、EVENODD、行対角パリティ（RDP）、モジェット、またはリベレーションコードのいずれかが使用される。^{[30] [31] [32] [33]}

RAID 6 では読み取り操作のパフォーマンスは低下しませんが、パリティ計算に関連するオーバーヘッドのため、書き込み操作のパフォーマンスは低下します。パフォーマンスは、RAID 6 がメーカーのストレージ アーキテクチャにどのように実装されているか (ソフトウェア、ファームウェア、またはファームウェアと集中的なパリティ計算用の専用ASICの使用) によって大きく異なります。RAID 6 は、同じ数の物理ドライブを使用して、RAID 5 と同じ速度で読み取りを行うことができます。^[34]

対角または直交デュアルパリティを使用する場合、書き込み操作には 2 回目のパリティ計算が必要です。これにより、シングルパリティ RAID レベルと比較して、RAID-6 書き込みの CPU オーバーヘッドが 2 倍になります。リード ソロモン コードを使用する場合、2 回目のパリティ計算は不要です。^[要出典] リード ソロモンの利点は、すべての冗長情報を特定のストライプ内に含めることができることです。^[要説明]

パリティ関数をより慎重に選択することで、はるかに多くのドライブをサポートできます。私たちが直面している問題は、有限体 上の連立方程式が一意の解を持つことを保証することです。これを実現するには、有限体上の多項式方程式の理論を使用することができます。 ${\displaystyle \mathbb {Z} _{2}}$

のガロア体 を考えます。この体は、上の次数の適切な既約多項式の多項式体と同型です。データ要素をガロア体の多項式として表します。が、このように体の要素としてエンコードされたハードドライブ間のデータのストライプに対応するものとします。 を体での加算を表すために使用し、連結を乗算を表すために使用します。 の再利用は意図的です。これは、有限体での加算がXOR 演算子を表すため、2 つの要素の合計を計算することは、多項式係数の XOR を計算することと同等だからです。 ${\displaystyle GF(m)}$${\displaystyle m=2^{k}}$${\displaystyle F_{2}[x]/(p(x))}$ ${\displaystyle p(x)}$${\displaystyle k}$${\displaystyle \mathbb {Z} _{2}}$${\displaystyle D}$${\displaystyle \mathbf {D} =d_{k-1}x^{k-1}+d_{k-2}x^{k-2}+...+d_{1}x+d_{0}}$${\displaystyle \mathbf {D} _{0},...,\mathbf {D} _{n-1}\in GF(m)}$${\displaystyle \oplus}$${\displaystyle \oplus}$${\displaystyle \mathbb {Z} _{2}}$

体 の生成子は、 が各非負の に対して異なるような体の元です。つまり、 以外の体の各元は、のべき乗として表すことができます。有限体には、必ず少なくとも 1 つの生成子があります。そのような生成子を 1 つ選び、 とを次のように定義します。 ${\displaystyle g^{i}}$${\displaystyle i<m-1}$${\displaystyle 0}$${\displaystyle g.}$${\displaystyle g}$${\displaystyle \mathbf {P} }$${\displaystyle \mathbf {Q} }$

${\displaystyle \mathbf {P} =\bigoplus _{i}{\mathbf {D} _{i}}=\mathbf {D} _{0}\;\oplus \;\mathbf {D} _{1}\;\oplus \;\mathbf {D} _{2}\;\oplus \;...\;\oplus \;\mathbf {D} _{n-1}}$

${\displaystyle \mathbf {Q} =\bigoplus _{i}{g^{i}\mathbf {D} _{i}}=g^{0}\mathbf {D} _{0}\;\oplus \;g^{1}\mathbf {D} _{1}\;\oplus \;g^{2}\mathbf {D} _{2}\;\oplus \;...\;\oplus \;g^{n-1}\mathbf {D} _{n-1}}$

以前と同様に、最初のチェックサムは各ストライプのXORに過ぎませんが、多項式として解釈されます。 の効果は、データチャンクに対する慎重に選択された線形フィードバックシフトレジスタのアクションと考えることができます。 ^[35] 簡略化された例のビットシフトは、エンコードが繰り返される前に 回しか適用できませんでしたが、演算子を複数回適用すると、一意の可逆関数が生成されることが保証され、 のチャンク長で 最大データピースをサポートできるようになります。 ${\displaystyle \mathbf {P} }$${\displaystyle g^{i}}$${\displaystyle k}$${\displaystyle g}$${\displaystyle m=2^{k}-1}$${\displaystyle k}$${\displaystyle 2^{k}-1}$

1 つのデータ チャンクが失われた場合、状況は前と同様です。2 つのデータ チャンクが失われた場合は、回復式を代数的に計算できます。 および がの失われた値であるとすると、 の他の値を使用して、定数および を見つけます。 ${\displaystyle \mathbf {D} _{i}}$${\displaystyle \mathbf {D} _{j}}$${\displaystyle i\neq j}$${\displaystyle D}$${\displaystyle A}$${\displaystyle B}$

${\displaystyle A=\mathbf {P} \;\oplus \;(\bigoplus _{\ell :\;\ell \not =i\;\mathrm {and} \;\ell \not =j}{D_{\ell }})=D_{i}\oplus D_{j}}$

${\displaystyle B=\mathbf {Q} \;\oplus \;(\bigoplus _{\ell :\;\ell \not =i\;\mathrm {and} \;\ell \not =j}{g^{\ell }D_{\ell }})=g^{i}D_{i}\oplus g^{j}D_{j}}$

2 番目の方程式 の を解き、それを 1 番目の方程式に代入して を求め、 と を求めることができます。 ${\displaystyle D_{i}}$${\displaystyle D_{j}=(g^{m-i+j}\oplus 1)^{-1}(g^{mi}B\oplus A)}$${\displaystyle D_{i}=A\oplus D_{j}}$

Pとは異なり、 Qの計算は、 での多項式乗算を伴うため、比較的 CPU を集中的に使用します。 これは、ハードウェア実装またはFPGA を使用することで軽減できます。 ${\displaystyle F_{2}[x]/(p(x))}$

上記のヴァンデルモンド行列解は三重パリティに拡張できるが、それを超えるためにはコーシー行列の構成が必要である。^[36]

次の表は、標準的な RAID レベルの考慮事項の概要を示しています。いずれの場合も、アレイのスペース効率はドライブ数n を基準とした式で表されます。この式は、使用可能なドライブ容量の合計の割合を表す、0 から 1 までの小数値を指定します。たとえば、3 つのドライブが RAID 3 に配置されている場合、アレイのスペース効率は1 − 1/ n = 1 − 1/3 = 2/3 ≈ 67% になります。したがって、この例の各ドライブの容量が 250 GB の場合、アレイの合計容量は 750 GB になりますが、データ ストレージに使用できる容量は 500 GB のみです。さまざまな RAID 構成では、いわゆるデータ スクラビング中に障害を検出することもできます。

歴史的に、ディスクの信頼性は低く、RAID レベルは、ディスクの故障に加えて、アレイ内のどのディスクが故障したかを検出するためにも使用されていました。しかし、Patterson らが指摘しているように、RAID の始まりの時点でも、多くの (すべてではないが) ディスクは、エラー訂正コードを使用して内部エラーを見つけることができました。特に、ミラーリングされたディスク セットがあれば故障を検出するのに十分でしたが、エラー訂正機能のないディスク アレイで故障したディスクを検出するには、2 つのディスクでは不十分でした。 ^[37] 現代の RAID アレイは、主に、スクラブの一部として検出できる、ディスクが故障していることを自ら識別する能力に依存しています。冗長情報は、故障したドライブを識別するためではなく、失われたデータを再構築するために使用されます。ドライブがデータの読み取りを何度も再試行して失敗した後に発生する、回復不可能な読み取りエラーが発生した場合、ドライブは故障したと見なされます。エンタープライズ ドライブは、読み取り要求がタイムリーに満たされるように、TLERの一部として、コンシューマー ドライブよりもはるかに少ない試行回数で障害を報告することもあります。 ^[38]

5つのストレージ構成（単一SSD、RAID 0、RAID 1、RAID 10、RAID 5）の5つのファイルシステムのI/Oパフォーマンスを測定したところ、8つのSSDを使用したRAID 0とRAID 5のF2FSは、それぞれEXT4の5倍と50倍優れていることが示されました。また、測定結果から、高速SSDを使用したRAIDシステムの構築において、RAIDコントローラが大きなボトルネックになる可能性があることも示唆されています。^[40]

2 つ以上の標準 RAID レベルの組み合わせ。RAID 0+1 または RAID 01、RAID 0+3 または RAID 03、RAID 1+0 または RAID 10、RAID 5+0 または RAID 50、RAID 6+0 または RAID 60、および RAID 10+0 または RAID 100 とも呼ばれます。

標準およびネストされた RAID レベルに加えて、代替案として、非標準 RAID レベル、および非 RAID ドライブ アーキテクチャがあります。非 RAID ドライブ アーキテクチャは、 JBOD (「just a batch of disks」)、SPAN/BIG、およびMAID (「massive array of idol disks」) などの類似の用語と頭字語で呼ばれます。

• 「RAID について学ぶ」。Support.Dell.com。Dell。2009年。2009 年 2 月 20 日にオリジナルからアーカイブ。2016年 4 月 15 日に取得。
• 安価なディスクの冗長アレイ (RAID)、Remzi H. Arpaci-Dusseau と Andrea C. Arpaci-Dusseau 著の『 Operating Systems: Three Easy Pieces 』の第 38 章

• IBM の RAID レベルの概要
• 標準 RAID レベルおよびその他の RAID ツール用の RAID 計算機
• Sun StorEdge 3000 ファミリ構成サービス 2.5 ユーザーズ ガイド: RAID の基礎