Wat is RAID 1? Kenmerken, Werking, Voordelen, Beperkingen & Implementatiescenario’s

Toen Patterson, Gibson en Katz RAID in 1988 introduceerden, bewees de demo dat het striping van een reeks goedkope pc-harde schijven beter kon presteren dan een IBM 3380 van £ 100.000.

Wat het niet bewees, was de overlevingskansen: één defecte spindel en de hele array stortte in. De auteurs wezen de lezers daarom op een beveiligingsmethode die al lang voordat het woord RAID bestond, in de praktijk bewezen had: schijfspiegeling.

• Jaren 70: Tandem NonStop-mainframes hadden twee identieke schijven op afzonderlijke I/O-paden, zodat een enkele storing de transactiestroom nooit onderbrak.
• 1977: Een IBM-octrooi (Ken Ouchi) beschreef "schaduwkopieën" op twee identieke harde schijven om de integriteit van de data te waarborgen. 
• 1983: DEC HSC50 leverde RA8x-subsystemen met mirroring op controllerniveau, het eerste commerciële product dat we nu RAID 1 zouden noemen. 

Onderzoekers in Berkeley formaliseerden deze praktijk op eenvoudige wijze als niveau 1 in de nieuwe RAID-taxonomie (of RAID 1) en combineerden deze bovendien met niveau 0 (of RAID 0) striping om zowel prestaties als beschikbaarheid te dekken.

Nu u deze basisbegrippen kent, gaan we kijken wat de term RAID 1 eigenlijk betekent, hoe het achter de schermen werkt en waarom het de standaardoplossing is geworden voor data die zelfs bij een defecte harde schijf online moeten blijven.

1. Het I/O-verzoek van de host komt binnen bij de RAID-controller. De server behandelt de hele array als één logische harde schijf en begint met schrijven.
2. De controller dupliceert elke schrijfbewerking. Elk blok (A, B, C... in het diagram) wordt naar beide schijven in de mirrorset gestuurd. Deze duplicatie is transparant voor de host; er zijn geen wijzigingen in stuurprogramma's of toepassingen nodig.
3. Beide harde schijven kunnen leesbewerkingen uitvoeren. Voor een leesverzoek kan de controller het lid met de dichtstbijzijnde koppen selecteren, waardoor de zoektijd wordt verkort en, met intelligente HBA's (hostbusadapters), de IOPS (input/outputbewerkingen per seconde) voor willekeurige leesbewerkingen bijna worden verdubbeld.
4. Als een schijf defect raakt, gebruikt de controller op eenvoudige wijze de partner-schijf die nog steeds functioneert. Aangezien de data al volledig op deze harde schijf aanwezig is, is het gegevensverlies minimaal in vergelijking met alle andere RAID-niveaus – geen pariteitsberekeningen, geen langdurig de recovery.
5. Wanneer de defecte schijf wordt vervangen (of er een hot spare beschikbaar is), voert de verantwoordelijke persoon een sequentiële kloonbewerking uit van de intacte harde schijf naar de nieuwe harde schijf, waarna de normale mirroring wordt hervat.

RAID 1 is daarom de canonieke spiegelpaarconfiguratie: elk blok dat door de host wordt geschreven, wordt op twee onafhankelijke schijven opgeslagen, zodat er te allen tijde twee identieke kopieën beschikbaar zijn. Als een van de twee schijven defect raakt, blijft de overgebleven schijf de gegevens zonder onderbreking leveren. Aangezien slechts één van de twee spiegelparen functioneel hoeft te blijven, is de fouttolerantie van de array één schijf per paar. De capaciteit is echter slechts de helft van de oorspronkelijke totale capaciteit.

Bruikbare GB = n×d / 2

waarbij n het aantal schijven is en d hun individuele capaciteit.

Voor leesbewerkingen kan de RAID 1-controller een van de twee harde schijven selecteren. 

Intelligente HBA's wisselen verzoeken af met behulp van een round-robin-methode of het principe van de kortste zoektijd, zodat beide koppen tegelijkertijd kunnen werken. Wanneer deze load balancing is ingeschakeld, kan de IOPS voor willekeurige leesbewerkingen bijna twee keer zo hoog zijn als bij een enkele schijf. Eenvoudige of oudere firmware behandelt de mirror echter als een enkel apparaat en bereikt weinig of geen prestatieverbetering.

RAID 1 – Foutverwerking, hot spares en de recovery

1. Wanneer een harde schijf offline gaat in RAID 1, blijft het virtuele volume optimaal; de controller leidt alle I/O-bewerkingen eenvoudig om naar de schijf die nog functioneert. 
2. Als er een hot spare (een schijf in stand-by modus die klaar is om een defecte schijf te vervangen) beschikbaar is, wordt deze automatisch opgeëist en kopieert een resynchronisatie op de achtergrond elk blok van het intacte onderdeel naar de vervangende schijf – zonder pariteitsberekening, alleen als een sequentiële kloon.
3. De recovery-tijd is gelijk aan het schijfvolume gedeeld door de aanhoudende overdrachtssnelheid; voor 4 TB SATA-schijven is dit enkele uren.

Zo meteen, RAID 1 ruilt de helft van uw ruwe capaciteit in voor de zekerheid dat een enkele schijf nooit tot data-verlies zal leiden, terwijl goed afgestelde controllers nog steeds leesprestaties leveren die bijna gelijk zijn aan RAID 0.

In zeldzame gevallen waarin beide gespiegelde schijven defect raken of de RAID-controller beschadigd raakt, kunnen professionele RAID-data-de recovery-diensten echter essentieel zijn om business-kritische data te herstellen.

Vervolgens zullen we deze voordelen en kosten afwegen tegen RAID 0 en de andere klassieke niveaus.

Waarom ontwerpers van opslagoplossingen voor RAID 1 kiezen (en waarom niet)

Het enige verkoopargument van RAID 1 is duidelijk: de array blijft werken, zelfs als één schijf defect raakt. Deze betrouwbaarheid gaat echter ten koste van de capaciteit en (soms) de schrijfsnelheid. Hieronder vindt u de praktische balans die u krijgt wanneer u RAID 0 met pure striping inruilt voor gespiegelde redundantie.

Let in de onderstaande vergelijkingstabel op hoe RAID 1 van "geen sterren" naar een beoordeling van vier sterren springt voor fouttolerantie, maar daalt naar 50% opslaggebruik – precies de helft van uw ruwe terabytes. 

De netto voordelen van RAID 1

• Constante beschikbaarheid: een enkele storing is geen probleem; gebruikers merken er niets van.
• Voorspelbare de recovery: hersynchronisatie is eenvoudigweg een kopieerbewerking; 4 TB bij 200 MB/s SATA duurt ongeveer 6 uur – geen dagen.
• Leessnelheid: met een intelligente controller kan de IOPS-snelheid voor willekeurige leesbewerkingen bijna het dubbele zijn van die van een enkele schijf, omdat beide koppen elk verzoek kunnen verwerken.  

De onvermijdelijke compromissen

• 50% van uw ruwe capaciteit gaat verloren – gespiegelde data worden per definitie dubbel betaald.
• De schrijfprestaties zijn gelijk aan die van het traagste onderdeel; elke commit wacht op twee harde schijven.
• De kosten per beschermde terabyte zijn het hoogst van alle standaardniveaus.
• Nog steeds geen back-up: beschadiging, ransomware of onbedoelde wisse worden onmiddellijk gespiegeld; u hebt nog steeds off-site snapshots of kopieën nodig.

Meer dan eenvoudige mirroring – wat komt er na RAID 1?

RAID 1 loste het probleem van een enkele harde-schijfstoring op, maar grotere arrays vereisten al snel meer bandbreedte per spindel of bescherming tegen meer dan één storing. Leveranciers en open-sourcekernels combineerden daarom mirroring met striping en herschikten later mirrors binnen grotere, zelfherstellende lay-outs. 

Een voorbeeld hiervan zijn gestripte mirrors of RAID 10 (ook bekend als RAID 1 + 0). Neem meerdere gespiegelde paren en strip deze paren. Lees- en schrijfbewerkingen worden over alle mirrors verdeeld, zodat de prestaties bijna lineair schalen met het aantal paren, terwijl een enkele harde schijfstoring – en vaak meerdere, zolang de getroffen harde schijven zich in verschillende paren bevinden – het volume online laat.

Gespiegelde sets – of het nu klassieke RAID 1 of gestripte spiegels (RAID 10) zijn – blijven ongeëvenaard als het gaat om onmiddellijke failover en voorspelbare latentie. Ze verbruiken echter de helft van elke terabyte en bieden alleen bescherming tegen hardwarestoringen. 

De volgende sprong voorwaarts was het behouden van de stripingsnelheid, maar het vervangen van kopieën van volledige blokken door wiskundige pariteit, waardoor de overhead werd teruggebracht tot 20-33% en het uitvallen van twee schijven of zelfs volledige knooppunten mogelijk werd. Dit verhaal begint met RAID 5 en RAID 6.