PROTEÇÃO DE DADOS - RAID

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Proteção de Dados: RAID
APRESENTAÇÃO
Com a velocidade que os computadores, smartphones, notebooks, tablets, etc., se expandem no 
mercado, é necessário o armazenamento de mais informações. Tais informações devem ser 
armazenadas com confiabilidade, redundância e segurança, e o acesso a elas deve ser rápido, 
localmente ou na nuvem.
Essa demanda contribuiu para o desenvolvimento da tecnologia RAID. Nesta Unidade de 
Aprendizagem você estudará os conceitos de RAID e suas respectivas características.
Bons estudos.
Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
Definir os tipos de RAID.•
Identificar arquiteturas RAID.•
Quantificar a performance de estruturas em RAID.•
DESAFIO
Acompanhe o caso abaixo e ajude Paulo a identificar a melhor solução para o problema 
enfrentado em sua residência.
INFOGRÁFICO
Acompanhe o infográfico e veja como funciona o processo RAID de proteção de dados.
No final da década de 1980, a rápida adoção de 
computadores em processos empresariais estimu-
lou o surgimento de novos aplicativos e bancos de 
dados, aumentando significativamente a deman-
da por capacidade de armazenamento. Naquela 
época, os dados eram armazenados em um único 
drive de disco grande e caro, chamado Single Lar-
ge Expensive Drive (SLED). O uso de discos únicos 
não poderia satisfazer os níveis de desempenho 
exigidos, devido às suas limitações inerentes (detalhadas no Capítulo 2, Seção 2.4, 
“Leis fundamentais que controlam o desempenho do disco”).
HDDs estão sujeitos a falhas em virtude de desgastes mecânicos e outros 
fatores ambientais. Uma falha no HDD pode resultar em perda de dados. As 
soluções disponíveis durante a década de 1980 não conseguiam satisfazer as de-
mandas dos aplicativos quanto a disponibilidade e desempenho.
Um HDD tem uma expectativa de vida projetada antes que venha a falhar. O 
Mean Time Between Failures (MTBF) mede (em horas) a expectativa média de vida 
de um HDD. Atualmente, os data centers possuem milhares de HDDs nas suas 
infraestruturas de armazenamento. Quanto maior o número de HDDs em um 
storage array, maior a probabilidade de ele sofrer uma falha de disco. Por exem-
plo, considere um storage array de 100 HDDs, cada um com um MTBF de 750.000 
horas. O MTBF desse conjunto de HDDs, portanto, é de 750.000/100, ou 7.500 
horas, ou seja, um HDD nesse storage array provavelmente falhará pelo menos 
uma vez em 7.500 horas.
RAID é uma tecnologia que possibilita o uso de múltiplos discos como um 
conjunto, o qual fornece proteção aos dados contra falhas nos HDDs. De modo 
geral, implementações de RAID também melhoram o desempenho de I/O do 
sistema de armazenamento, já que os dados são guardados em múltiplos HDDs.
Em 1987, Patterson, Gibson e Katz, na Universidade da Califórnia, em Berke-
ley, publicaram um artigo chamado “A Case for Redundant Arrays of Inexpensi-
ve Disks (RAID)”. Esse texto descrevia o uso de drives de disco baratos e de pe-
Capítulo 3
Proteção de Dados: RAID
CONCEITOS-CHAVE
Hardware e software RAID
Striping, espelhamento e paridade
Penalidade de gravação RAID
Hot spares
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74 Parte I Sistema de Armazenamento
quena capacidade como alternativa a drives de grande capacidade comuns em 
mainframes. O termo RAID foi redefinido para discos independentes, para refletir 
os avanços na tecnologia de armazenamento. O armazenamento RAID agora 
passou de um conceito acadêmico para um padrão da indústria.
Este capítulo detalha a tecnologia RAID, seus níveis, diferentes tipos de im-
plementação e benefícios.
3.1 Implementação de RAID
Há dois tipos de implementação de RAID: hardware e software. Ambas têm seus 
méritos e problemas e são discutidas nesta seção.
3.1.1 RAID por software
RAID por software usa software baseado no host para fornecer funções de RAID. 
É implementado em nível de sistema operacional e não usa um controlador de 
hardware dedicado para gerenciar o array RAID.
Implementações de RAID por software oferecem benefícios de custo e sim-
plicidade quando comparadas com RAID por hardware. Entretanto, elas apre-
sentam as seguintes limitações:
 ■ Desempenho: RAID por software afeta o desempenho geral do sistema. 
Isso acontece devido aos ciclos adicionais de CPU necessários para execu-
tar os cálculos de RAID. O impacto sobre o desempenho é mais pronun-
ciado em implementações complexas de RAID, conforme detalhado mais 
adiante neste capítulo.
 ■ Recursos suportados: RAID por software não suporta todos os níveis de 
RAID.
 ■ Compatibilidade com o sistema operacional: RAID por software está li-
gado ao sistema operacional do host, de modo que atualizações no RAID 
por software ou no sistema operacional devem ter sua compatibilidade va-
lidada. Isso leva à inflexibilidade no ambiente de processamento de dados.
3.1.2 RAID por hardware
Em implementações de RAID por hardware, um controlador de hardware especia-
lizado é implantado no host ou no array. Essas implementações variam na forma 
pela qual o storage array interage com o host.
Um cartão controlador RAID é uma implementação de RAID por hardware 
baseada no host, em que um controlador RAID especializado é instalado no host 
e os HDDs são conectados a ele. O controlador RAID interage com os discos rígi-
dos por meio de um barramento PCI. Os fabricantes também integram controla-
dores RAID em placas-mãe. Essa integração reduz o custo geral do sistema, mas 
não fornece a flexibilidade necessária para sistemas de armazenamento high-end.
O controlador RAID externo é um RAID por hardware baseado no array. Ele 
atua como interface entre o host e os discos e apresenta volumes de armazena-
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Capítulo 3 Proteção de Dados: RAID 75
mento para o host, o qual gerencia os drives por meio do protocolo suportado. 
As funções-chave do controlador são:
 ■ Gerenciamento e controle de agregações de discos
 ■ Tradução de solicitações de I/O entre discos lógicos e físicos
 ■ Regeneração de dados no caso de falhas de disco
3.2 Componentes do array RAID
Um array RAID é um invólucro com certo número de HDDs e suporte de hard-
ware e software para implementar RAID. Os HDDs dentro de um array RAID 
geralmente ficam em subinvólucros. Esses subinvólucros, ou arrays físicos, con-
têm um número fixo de HDDs e também podem incluir mais hardware de apoio, 
como para fornecimento de energia. Um subconjunto de discos dentro de um 
array RAID pode ser agrupado para formar associações lógicas chamadas de 
arrays lógicos, também conhecidas como um conjunto RAID ou um grupo RAID 
(veja a Figura 3-1).
Arrays lógicos são compostos de volumes lógicos (LV). O sistema operacio-
nal reconhece os LVs como se eles fossem HDDs físicos gerenciados pelo contro-
lador RAID. O número de HDDs em um array lógico depende do nível de RAID 
usado. As configurações podem ter um array lógico com múltiplos arrays físicos 
ou um array físico com múltiplos array lógicos.
Controlador
RAID
Host
Array
Físico
Array
Lógico
Array RAID
Discos Rígidos
Figura 3-1 Componentes de um array RAID.
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3.3 Níveis de RAID
Os níveis de RAID (veja a Tabela 3-1) são definidos com base em técnicas de 
striping, espelhamento e paridade. Essas técnicas determinam a disponibilidade 
dos dados e as características de desempenho de um array. Alguns arrays RAID 
usam uma técnica, enquanto outras dispõem de uma combinação de técnicas. Os 
requisitos de desempenho do aplicativo e de disponibilidade de dados determi-
nam a seleção do nível de RAID.
3.3.1 Striping
Um conjunto RAID é um grupo de discos. Dentro de cada disco, um número pre-
determinado de blocos de discos endereçáveis contiguamente é definido como 
strips. O conjunto de strips alinhadosque se espalham por todos os discos dentro 
do conjunto RAID é chamado de stripe. A Figura 3-2 mostra as representações 
física e lógica de um conjunto RAID fracionado.
Strip 1 Strip 2 Strip 3
Strips
Stripe 1
Stripe 2
A1
B1
A2
B2
A3
B3
Stripe
Stripe 1
Stripe 2
Eixos
Stripe
St
ri
p
Figura 3-2 Conjunto RAID fracionado.
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Capítulo 3 Proteção de Dados: RAID 77
O tamanho do strip (também chamado de profundidade do stripe) descreve o 
número de blocos de um strip e é a quantidade máxima de dados que podem 
ser gravados ou lidos de um único HDD do conjunto antes que o próximo seja 
acessado, supondo que os dados acessados comecem no início do strip. Observe 
que todos os strips em um stripe têm o mesmo número de blocos, e a diminuição 
do tamanho do strip significa que os dados são divididos em pedaços menores 
quando se espalham pelos discos.
O tamanho do stripe é um múltiplo do tamanho do strip pelo número de 
HDDs no conjunto RAID. A largura do stripe se refere ao número de strips de da-
dos em um stripe.
RAIDs fracionados não protegem os dados a menos que seja usada parida-
de ou espelhamento. Entretanto, o striping pode melhorar significativamente o 
desempenho do I/O. Dependendo do tipo de implementação de RAID, o con-
trolador RAID pode ser configurado para acessar dados por múltiplos HDDs 
simultaneamente.
3.3.2 Espelhamento
Espelhamento é uma técnica segundo a qual os dados são armazenados em dois 
HDDs diferentes, produzindo duas cópias dos dados. No caso de uma falha no 
HDD, os dados permanecem intactos no HDD bom (veja a Figura 3-3) e o contro-
lador continua a atender às solicitações de dados do host a partir do disco bom 
de um par espelhado.
A
B
C
D
E
A
B
C
D
E
A
B
C
D
E
A
B
C
D
E
Discos
Espelhamento
Figura 3-3 Discos espelhados em um array.
Quando o disco que sofreu a falha é substituído por um novo, o controlador 
copia os dados do disco bom do par espelhado. Essa atividade é visível para o 
host.
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Além de fornecer redundância completa de dados, o espelhamento permite re-
cuperação mais rápida depois de uma falha no disco. Não obstante, o espelhamento 
de disco só fornece proteção aos dados e não substitui a cópia de segurança dos 
dados. O espelhamento captura constantemente alterações nos dados, ao passo que 
uma cópia de segurança captura imagens dos dados em determinado momento.
O espelhamento envolve a duplicação dos dados – a capacidade de arma-
zenamento necessária é duas vezes a de dados sendo armazenados. Portanto, 
o espelhamento é considerado custoso e é preferido para aplicativos de missão 
crítica que não podem sofrer perda de dados. O espelhamento melhora o de-
sempenho da leitura porque as solicitações de leitura podem ser atendidas por 
ambos os discos. Contudo, o desempenho da gravação se deteriora, já que cada 
solicitação de gravação gera duas gravações nos HDDs. Em outras palavras, 
o espelhamento não tem o mesmo grau de desempenho de gravação que um 
RAID fracionado.
3.3.3 Paridade
Paridade é um método de proteção de dados fracionados contra falhas de HDD 
sem o custo do espelhamento. Um HDD extra é acrescentado à largura do stripe 
para armazenar a paridade, uma construção matemática que permite a recriação 
dos dados perdidos. A paridade é uma verificação de redundância que assegura 
proteção integral dos dados sem manter um conjunto inteiro de dados duplicados.
Informações sobre paridade podem ser armazenadas em HDDs separados 
e dedicados ou ser distribuídas por todos os drives de um conjunto RAID. A Fi-
gura 3-4 mostra um RAID de paridade. Os primeiro quatro discos, rotulados D, 
contêm o dados. O quinto disco, rotulado P, armazena as informações de parida-
de, que neste caso são a soma dos elementos de cada linha. Agora, se um dos Ds 
falhar, o valor perdido poderá ser calculado subtraindo-se do valor de paridade 
a soma do resto dos elementos.
3
1
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1
1
1
3
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2
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5
9
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D D D D P
Discos de Dados Disco de Paridade
Figura 3-4 RAID de paridade.
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Capítulo 3 Proteção de Dados: RAID 79
Na Figura 3-4, o cálculo da paridade é representado como uma simples ope-
ração aritmética sobre os dados. Entretanto, esse cálculo é uma operação bitwise 
XOR. O cálculo da paridade é uma função do controlador RAID.
Comparado com o espelhamento, a implementação de paridade reduz con-
sideravelmente o custo associado à proteção dos dados. Considere uma confi-
guração RAID com cinco discos. Quatro deles armazenam dados, e, o quinto, 
informações de paridade. A paridade requer 25% de espaço adicional em disco. 
Contudo, há algumas desvantagens no seu uso. Informações de paridade são 
geradas a partir de dados contidos nos discos. Portanto, a paridade é recalculada 
cada vez que há alteração nos dados. Esse novo cálculo consome tempo e afeta o 
desempenho do controlador RAID.
Tabela 3-1 Níveis de RAID
Níveis Descrição breve
RAID 0 Array fracionado sem tolerância a falhas
RAID 1 Espelhamento de disco
RAID 3 Acesso paralelo com disco dedicado de paridade
RAID 4 Array fracionado com discos independentes e disco dedicado de paridade
RAID 5 Array fracionado com discos independentes e disco distribuído de paridade
RAID 6 Array fracionado com discos independentes e disco dual de paridade
Aninhado Combinações de níveis de RAID. Exemplo: RAID 1 + RAID 0
3.3.4 RAID 0
Em uma configuração RAID 0, os dados são distribuídos pelos HDDs de um con-
junto RAID. Ela utiliza a capacidade integral de armazenamento distribuindo strips 
de dados por múltiplos HDDs de um conjunto RAID. Para ler os dados, todos os 
strips são juntados pelo controlador. O tamanho do stripe é especificado em um 
nível de host para RAID por software e é específico do fornecedor para RAID por 
hardware. A Figura 3-5 mostra RAID 0 em um storage array no qual os dados estão 
fracionados por cinco discos. Quando o número de drives no array aumenta, o de-
sempenho melhora, porque mais dados podem ser lidos ou gravados simultanea-
mente. RAID 0 é usado em aplicativos que precisam de altas taxas de transferência 
de I/O. Todavia, se esses aplicativos requererem alta disponibilidade, RAID 0 não 
fornecerá proteção e disponibilidade de dados no caso de falhas nos drives.
3.3.5 RAID 1
Em uma configuração RAID 1, os dados são espelhados para melhorar a tolerância 
a falhas (veja a Figura 3-6). Um grupo RAID 1 consiste em pelo menos dois HDDs. 
Conforme explicado no espelhamento, cada escrita é gravada em ambos os discos, 
o que é visível para o host em uma implementação de RAID por hardware. No 
caso de uma falha de disco, o impacto sobre a recuperação dos dados é o menor 
entre todas as implementações de RAID. Isso ocorre porque o controlador RAID 
usa o drive de espelho para recuperação de dados e operação contínua. RAID 1 é 
apropriado para aplicativos que requeiram alta disponibilidade.
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B
A
Controlador RAID
Dados
do host
Discos
Figura 3-5 RAID 0.
E
D
C
B
A
J
I
H
G
F
Controlador RAID
Dados
do host
A
B
C
D
E
A
B
C
D
E
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
A
B
C
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E
F
G
H
I
J
Discos
Conjunto Espelho Conjunto Espelho
Figura 3-6 RAID 1.
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Capítulo 3 Proteção de Dados: RAID 81
3.3.6 RAID aninhado
A maioria dos data centers requer desempenho e redundânciade dados dos 
seus arrays RAID. RAID 0+1 e RAID 1+0 combinam os benefícios de desem-
penho de RAID 0 com os de redundância de RAID 1. Eles usam técnicas de 
distribuição e espelhamento e combinam seus benefícios. Esses tipos de RAID 
requerem um número ainda maior de discos, sendo no mínimo quatro (veja a 
Figura 3-7).
RAID 1+0 também é conhecido como RAID 10 (dez) ou RAID 1/0. De forma 
semelhante, RAID 0+1 também é conhecido como RAID 01 ou RAID 0/1. RAID 
1+0 tem bom desempenho com cargas de trabalho que usem I/O com grava-
ções intensivas, aleatórias e pequenas. Entre os aplicativos que se beneficiam de 
RAID 1+0 estão:
 ■ Processamento de Transações Online (OLTP) com taxas altas de transações
 ■ Instalações com mensagens grandes
 ■ Aplicativos de banco de dados que requeiram alta taxa de I/O, acesso 
aleatório e alta disponibilidade
Um equívoco comum é achar que RAID 1+0 e RAID 0+1 são a mesma coisa. 
Sob condições normais, os níveis RAID 1+0 e 0+1 oferecem vantages idênticas. 
Entretanto, as operações de reconstrução no caso de uma falha no disco se dife-
rem entre os dois.
RAID 1+0 também é chamado de striped mirror. O elemento básico de 
RAID 1+0 é um par espelhado, ou seja, os dados são primeiro espelhados e 
depois ambas as cópias são divididas em múltiplos HDDs de um conjunto de 
RAIDs. Quando um drive com falha substituído, apenas o espelho é recons-
truído. Em outras palavras, o controlador do array de discos usa o drive bom 
do par espelhado para recuperar os dados e continuar a operação. Os dados 
do disco bom são copiados para o disco de substituição.
RAID 0+1 também é conhecido por stripe espelhado. O elemento básico de 
RAID 0+1 é um stripe. Isso significa que a divisão dos dados em HDDs é exe-
cutada inicialmente e depois o stripe inteiro é espelhado. Se um drive falhar, o 
stripe inteiro falhará. Uma operação de reconstrução reproduz o stripe inteiro, 
copiando dados de cada disco do stripe saudável para um disco equivalente no 
stripe que apresentou falha. Isso gera um aumento desnecessário na carga de 
I/O nos discos bons e deixa o conjunto RAID mais vulnerável a uma segunda 
falha de disco.
3.3.7 RAID 3
RAID 3 fraciona os dados para obter alto desempenho e usa paridade para me-
lhorar a tolerância a falhas. Informações sobre paridade são armazenadas em um 
drive dedicado, de modo que os dados possam ser reconstruídos se um drive 
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Sublinhado
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Sistem
a de Arm
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Distribuição Distribuição
Espelhamento
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Espelhamento Espelhamento
Distribuição
Espelhamento
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B
A
E
D
C
B
A
Dados do host
Passo 1
Passo 2
Controlador
Discos
(a) RAID 1+0 (b) RAID 0+1
Discos
Figu
ra 3-7 
R
AID
 aninhado.
S
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S
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Capítulo 3 Proteção de Dados: RAID 83
falhar. Por exemplo, de cinco discos, quatro são usados para dados e um para 
paridade. Portanto, o espaço total de disco necessário é de 1,25 vez o tamanho 
dos discos de dados. RAID 3 sempre lê e grava stripes completos de dados por 
todos os discos, já que os drives operam em paralelo. Não há gravações parciais 
que atualizem um de muitos strips de um stripes. A Figura 3-8 ilustra a imple-
mentação de RAID 3.
RAID 3 fornece boa largura de banda para a transferência de grandes volu-
mes de dados e é usado para aplicativos que envolvam grandes acessos sequen-
ciais de dados, como em streaming de vídeo.
3.3.8 RAID 4
Semelhante a RAID 3, RAID 4 fraciona os dados para obter alto desempenho e 
usa paridade para melhorar a tolerância a falhas (veja a Figura 3-8). Os dados 
são fracionados por todos os discos, menos o disco de paridade do array. Infor-
mações de paridade são armazenadas em um disco dedicado, de modo que os 
dados possam ser reconstruídos se um drive falhar. O striping é feito no nível 
de bloco.
De modo distinto de RAID 3, os discos de dados em RAID 4 podem ser 
acessados independentemente, para que os elementos de dados específicos 
possam ser lidos ou gravados em um único disco sem ler ou gravar um stripe 
inteiro. RAID 4 fornece boa taxa de transferência de leitura e taxa razoável de 
gravação.
A1
B1
C1
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Disco de Paridade
Controlador RAID
Dados
do host
Discos de Dados
Figura 3-8 RAID 3.
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3.3.9 RAID 5
RAID 5 é uma implementação muito versátil. É semelhante a RAID 4 porque usa 
striping e os drives (strips) são acessáveis independentemente. A diferença entre 
RAID 4 e RAID 5 é o local da paridade. Em RAID 4, a paridade é gravada em um 
drive dedicado, criando um gargalo de gravação para o disco de paridade. Em 
RAID 5, a paridade é distribuída por todos os discos. A distribuição de paridade 
em RAID 5 supera o gargalo de gravação. A Figura 3-9 ilustra a implementação 
RAID 5.
A4
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Ap
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A1
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Ep
E
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C
B
A
Controlador RAID
Dados
do host
Discos
Figura 3-9 RAID 5.
RAID 5 é preferido para mensagens, data mining e serviço de mídia de de-
sempenho médio, além de implementações de sistemas de gerenciamento de 
bancos de dados relacionais (SGBDR) nas quais os administradores de banco de 
dados (DBAs) otimizam o acesso aos dados.
3.3.10 RAID 6
RAID 6 funciona da mesma forma que RAID 5, exceto pelo fato de que RAID 6 
inclui um segundo elemento de paridade para permitir a sobrevivência em caso 
de falha de dois discos de um grupo RAID (veja a Figura 3-10). Portanto, uma 
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Capítulo 3 Proteção de Dados: RAID 85
implementação RAID 6 requer pelo menos quatro discos. RAID 6 distribui a pa-
ridade por todos os discos. A penalidade de gravação em RAID 6 é maior que em 
RAID 5; por isso, RAID 5 tem melhor desempenho de gravação do que RAID 6. 
A operação de reconstrução em RAID 6 pode demorar mais do que a de RAID 5 
devido à presença de dois conjuntos de paridade.
Ap
Bq
C2
D2
E3
Aq
B3
C3
D3
Ep
A3
Bp
Cq
D1
E2
A2
B2
Cp
Dq
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A1
B1
C1
Dp
Eq
E
D
C
B
A
Controlador RAID
Dados
do host
Discos
Figura 3-10 RAID 6.
3.4 Comparação RAID
A Tabela 3-2 compara os diferentes tipos de RAID.
3.5 Influência de RAID sobre o desempenho do disco
Ao escolher um tipo de RAID, é imperativo considerar o impacto no desempe-
nho do disco e no IOPS do aplicativo.
Tanto nas configurações RAID espelhadas quanto nas de paridade, cada 
operação de gravação é traduzida em mais sobrecarga de I/O para os discos, 
o que é chamado de penalidade de gravação. Em uma implementação RAID 1, 
cada operação de gravação deve ser executada em dois discos configurados 
como um par espelhado, ao passo que, em uma implementação RAID 5, uma 
operação de gravação pode se manifestar como quatro operações de I/O. Ao 
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Parte I 
Sistem
a de Arm
azenam
ento
Tabela 3-2 Comparaçãode diferentes tipos de RAID
RAID Mín. Discos
Eficiência de 
armazenamento % Custo
Desempenho de 
leitura
Desempenho DE 
gravação
Penalidade de 
gravação
0 2 100 Baixo Muito bom para 
leitura sequencial e 
aleatória.
Muito bom Não
1 2 50 Alto Bom. Melhor que 
um disco único.
Bom. Mais lento 
que um disco 
único, já que cada 
gravação deve ser 
confirmada em to-
dos os discos.
Moderada
3 3 (n-1)*100/n 
onde n = número 
de discos
Moderado Bom para leituras 
aleatórias e muito 
bom para leituras 
sequenciais.
Fraco a razoável 
para gravações pe-
quenas aleatórias. 
Bom a para grava-
ções sequenciais 
grandes.
Alta
4 3 (n-1)*100/n 
onde n = número 
de discos
Moderado Muito bom para 
leituras aleatórias. 
Bom a muito bom 
para gravações se-
quenciais.
Fraco a razoável 
para gravações 
aleatórias. Razoável 
a bom para grava-
ções sequenciais.
Alta
(Continua)
S
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Capítulo 3 
Proteção de D
ados: R
AID
 
 
87
Tabela 3-2 Comparação de diferentes tipos de RAID
RAID Mín. Discos
Eficiência de 
armazenamento % Custo
Desempenho de 
leitura
Desempenho de 
gravação
Penalidade de 
gravação
5 3 (n-1)*100/n 
onde n = número 
de discos
Moderado Muito bom para 
leituras aleatórias. 
Bom para leituras 
sequenciais.
Razoável para gra-
vações aleatórias. 
Mais lento devido à 
sobrecarga de pa-
ridade. Razoável a 
bom para gravações 
sequenciais.
Alta
6 4 (n-1)*100/n 
onde n = número 
de discos
Moderado mas 
maior que RAID 5
Muito bom para 
leituras aleatórias. 
Bom para leituras 
sequenciais.
Bom para grava-
ções aleatórias 
pequenas (tem 
penalidade de gra-
vação).
Muito alta
1+0 e 0+1 4 50 Alto Muito bom Bom Moderada
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Realce
88 Parte I Sistema de Armazenamento
executar I/Os pequenos em um disco configurado com RAID 5, o controlador 
tem de ler, calcular e gravar um segmento de paridade para cada operação de 
gravação de dados.
A Figura 3-11 ilustra uma operação única de gravação em RAID 5 que con-
tém um grupo de cinco discos. Quatro desses discos são usados para dados e um 
para paridade.
A paridade (P) no controlador é calculada da seguinte maneira:
Ep = E1 + E2 + E3 + E4 (operações XOR)
Aqui, D1 a D4 são dados fracionados pelo grupo RAID de cinco discos.
Sempre que o controlador executa um I/O de gravação, a paridade deve ser 
calculada lendo-se a paridade antiga (Ep old) e os dados antigos (E4 old) do disco, 
o que significa dois I/Os de leitura. A nova paridade (Ep new) é calculada da se-
guinte forma:
Ep new = Ep old – E4 old +E4 new (operações XOR)
Ep new Ep old E4 old E4 new+-=
Ep oldEp new E4 old E4 new
Controlador RAID
2 XORs
A1
B1
C1
D1
Ep
A2
B2
C2
Dp
E1
A3
B3
Cp
D2
E2
A4
Bp
C3
D3
E3
Ap
B4
C4
D4
E4
Discos
Figura 3-11 Penalidade de gravação em RAID 5.
Depois de calcular a nova paridade, o controlador completa o I/O de grava-
ção registrando os novos dados e a nova paridade nos discos, de forma a alcan-
çar dois I/Os de gravação. Portanto, o controlador executa duas leituras e duas 
gravações em disco para cada operação de gravação, e a penalidade de gravação 
em implementações de RAID 5 é 4.
Em RAID 6, que mantém paridade dual, uma gravação em disco requer três 
operações de leitura: para Ep1 old’, Ep2 old’ e E4 old. Após calcular Ep1 new e Ep2 new’, o 
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Capítulo 3 Proteção de Dados: RAID 89
controlador executa três operações de I/O de gravação para Ep1 new’, Ep2 new e E4 new. 
Portanto, em uma implementação de RAID 6, o controlador executa seis opera-
ções de I/O para cada I/O de gravação, e a penalidade de gravação é 6.
3.5.1 IOPS de aplicativo e configurações RAID
Ao decidir a quantidade de discos necessária para um aplicativo, é importante 
considerar o impacto de RAID com base em IOPS gerado pelo aplicativo. A carga 
total do disco deve ser calculada analisando-se o tipo de configuração RAID e a 
taxa de leitura comparada para gravar a partir do host.
O exemplo a seguir ilustra o método de cálculo da carga de disco em diferen-
tes tipos de RAID.
Considere um aplicativo que gere 5.200 IOPS, com 60% deles sendo leituras.
A carga de disco em RAID 5 é calculada da seguinte maneira:
Carga de disco RAID 5 = 0,6 × 5.200 + 4 + (0,4 × 5.200) [porque a penalidade 
de gravação para RAID 5 é 4]
= 3.120 + 4 × 2.080
= 3.120 + 8.320
= 11.440 IOPS
A carga de disco em RAID 1 é calculada da seguinte forma:
Carga de disco RAID 1 = 0,6 × 5.200 + 2 × (0,4 + 5.200) [porque cada gravação 
se manifesta como duas gravações nos discos]
= 3.120 + 2 × 2.080
= 3.120 + 4.160
= 7.280 IOPS
A carga de disco calculada determina o número de discos requeridos para o 
aplicativo. Neste exemplo, se for preciso usar um HDD com uma especificação 
de um máximo de 180 IOPS para o aplicativo, o número de discos para satisfa-
zer a carga de trabalho para a configuração RAID será o seguinte:
 ■ RAID 5: 11.440 / 180 = 64 discos
 ■ RAID 1: 7.280 / 180 = 42 discos (aproximado para o número par mais 
próximo)
3.6 Hot spares
Hot spare array é um HDD reserva em um array RAID que substitui temporaria-
mente um HDD que tenha falhado. Um dos seguintes métodos de recuperação é 
executado dependendo da implementação de RAID:
 ■ Se for usado RAID de paridade, os dados serão reconstruídos no hot spare 
a partir da paridade e dos dados nos HDDs bons no conjunto RAID.
 ■ Se for usado espelhamento, os dados do espelho bom serão usados para 
cópia.
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90 Parte I Sistema de Armazenamento
Quando o HDD com falha é substituído por um novo, ocorre uma das se-
guintes opções:
 ■ O hot spare substitui o novo HDD permanentemente. Isso significa que 
ele não é mais um hot spare e que um novo hot spare deve ser configurado 
no array.
 ■ Quando um HDD novo é acrescentado ao sistema, dados do hot spare são 
copiados para ele. O hot spare retorna para seu estado de espera, pronto 
para substituir o próximo drive que falhar.
Um hot spare deve ser suficientemente grande para acomodar dados de um 
drive que tenha falhado. Alguns sistemas implementam vários hot spares para 
melhorar a disponibilidade de dados.
Um hot spare pode ser configurado como automático ou inicializado pelo 
usuário, o que especifica como será usado no caso de uma falha de drive. Na 
configuração automática, quando a taxa de erros recuperáveis de um disco ultra-
passa um limite predeterminado, o subsistema de disco tenta copiar automatica-
mente os dados do disco que falhou para o hot spare. Se essa tarefa se completa 
antes que o disco danificado falhe, então o subsistema alterna para o hot spare 
e marca o disco que falhou como não utilizável. Caso contrário, usa paridade 
ou o disco espelhado para recuperar os dados. No caso de uma configuração 
inicializada pelo usuário, o administrador controla o processo de reconstrução. 
Por exemplo, a reconstrução poderia ocorrer durante a noite para evitar alguma 
degradação no desempenho do sistema. Entretanto, o sistema fica vulnerável a 
outra falha se um hot spare não estiver disponível.
Resumo
Discos individuais são propensos a falhas e representam ameaça de indisponi-
bilidade de dados para os aplicativos. RAID aborda os requisitos de disponibili-
dade de dados através de técnicas de espelhamento e paridade. Implementações 
RAID com distribuição melhoram o desempenho de I/O espalhando os dados 
por múltiplos HDDs, além dos benefícios da redundância.
Este capítulo explicou os componentes fundamentais da distribuição, espe-
lhamento e paridade, que formam a base para diversos níveis de RAID. A imple-
mentação dos níveis de RAID depende dos requisitos de desempenho e proteção 
de dados dos aplicativos.
RAID é a tecnologiade alicerce de diversos avanços no armazenamento. A 
próxima geração de sistemas de armazenamento é de sistemas inteligentes que 
implementam RAID junto com um ambiente operacional especializado que ofe-
rece alto desempenho e disponibilidade. Sistemas de armazenamento inteligen-
tes são detalhados no próximo capítulo.
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Capítulo 3 Proteção de Dados: RAID 91
EXERCÍCIOS
 1. Por que RAID 1 não substitui uma cópia de segurança?
 2. Por que RAID 0 não é uma opção para proteção e alta disponibilidade de dados?
 3. Explique o processo de recuperação de dados no caso de falha de um drive em 
RAID 5.
 4. Quais são os benefícios do uso de RAID 3 em um aplicativo de cópia de segurança?
 5. Discuta o impacto de I/Os aleatórios e sequenciais em diferentes configurações 
RAID.
 6. Um drive de 10.000 rpm é classificada como executando 130 IOPS, e um drive de 
15.000 rpm, como executando 180 IOPS para um aplicativo. A taxa de leitura/gra-
vação é de 3:1. Calcule os IOPS ajustados para RAID dos drives de 10.000 e 15.000 
para RAID 1, RAID 5 e RAID 6.
 7. Um aplicativo tem 1.000 usuários intensivos com um pico de 2 IOPS cada e 2.000 
usuários típicos com um pico de 1 IOPS cada, com uma taxa de leitura/gravação 
de 2:1. É estimado que o aplicativo também tenha uma sobrecarga de 20% para 
outras cargas de trabalho. Calcule o requisito de IOPS de RAID 1, RAID3, RAID 5 e 
RAID 6.
 8. Para a questão 7, determine o número de drives necessários para suportar o apli-
cativo em diferentes ambientes RAID se fossem usados drives de 10.000 rpm com 
uma taxa de 130 IOPS por drive.
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Aplicativos essenciais aos negócios requerem 
altos níveis de desempenho, disponibilidade, 
segurança e capacidade de expansão. Um dri-
ve de disco rígido é um elemento central de 
armazenamento que define o desempenho de 
qualquer sistema de armazenamento. Algu-
mas das tecnologias de arrays de discos mais 
antigas não conseguiam superar restrições de 
desempenho devido às limitações de um dis-
co rígido e de seus componentes mecânicos. A 
tecnologia RAID foi uma contribuição impor-
tante para a melhoria no desempenho de ar-
mazenamento e na confiabilidade, mas drives 
de disco rígido não conseguiriam satisfazer os 
requisitos dos aplicativos atuais, mesmo com 
uma implementação RAID.
Com os avanços na tecnologia, um novo gênero de soluções de armazena-
mento, conhecido como sistema de armazenamento inteligente, se desenvolveu. Tais 
recursos inteligentes detalhados neste capítulo são arrays RAID com muitos re-
cursos que fornecem capacidades de processamento de I/O altamente otimiza-
das. Esses arrays têm um ambiente operacional que controla o gerenciamento, 
alocação e utilização de recursos de armazenamento. Estes sistemas de armaze-
namento são configurados com grandes volumes de memória chamada cache e 
usam algoritmos sofisticados para satisfazer aos requisitos de I/O para aplicati-
vos sensíveis ao desempenho.
Capítulo 4
Sistema de Armazenamento 
Inteligente
CONCEITOS-CHAVE
Sistema de armazenamento inteligente
Enfileiramento de comandos de 
Front-End
Espelhamento e Compartimentação 
de Cache
Número de Unidade Lógica
Máscara de LUN
Sistemas de armazenamento high-end
Sistema de Armazenamento midrange
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94 Parte I Sistema de Armazenamento
4.1 Componentes de um sistema de armazenamento 
inteligente
Um sistema de armazenamento inteligente consiste em quatro componen-
tes-chave: front-end, cache, back-end e discos físicos. Uma solicitação de I/O rece-
bida do host na porta de front-end é processada através do cache e do back-end, 
para permitir o armazenamento e a recuperação de dados do disco físico. Uma 
solicitação de leitura pode ser servida diretamente do cache se os dados solicita-
dos estiverem nele.
Rede de
Armazenamento
Front-End
Cache
Back-End Discos Físicos
Conectividade
Host
Sistema de Armazenamento Inteligente
Controladores
Porta Porta
Figura 4-1 Componentes de um sistema de armazenamento inteligente.
4.1.1 Front-end
O front-end fornece a interface entre o sistema de armazenamento e o host. Ele 
consiste em dois componentes: portas de front-end e controladores de front-end. 
As portas de front-end permitem que os hosts se conectem com o sistema de ar-
mazenamento inteligente. Cada porta de front-end tem uma lógica de proces-
samento que executa o protocolo de transporte apropriado, como SCSI, Fibre 
Channel ou iSCSI, para conexões com o armazenamento. Portas redundantes são 
fornecidas no front-end para obter alta disponibilidade.
Os controladores de front-end roteiam os dados para e do cache através do barra-
mento interno de dados. Quando o cache recebe dados de gravação, o controlador 
envia uma mensagem de reconhecimento de volta para o host. Os controladores oti-
mizam o processamento de I/O usando algoritmos de enfileiramento de comandos.
Enfileiramento de comandos de front-end
O enfileiramento de comandos é uma técnica implementada em controladores de 
front-end. Ele determina a ordem de execução dos comandos recebidos e pode 
reduzir movimentos desnecessários de cabeçotes dos drives de disco e melhorar 
o desempenho delas. Quando um comando é recebido para execução, o algorit-
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Capítulo 4 Sistema de Armazenamento Inteligente 95
mo de enfileiramento de comandos atribui um rótulo que define uma sequência 
na qual os comandos devem ser executados. Com enfileiramento de comandos, 
múltiplos comandos podem ser executados simultaneamente, com base na orga-
nização dos dados no disco, independentemente da ordem na qual são recebidos.
Os algoritmos de enfileiramento mais usados são:
 ■ First In First Out (FIFO): Este é o algoritmo padrão, em que os comandos 
são executados na ordem na qual são recebidos (Figura 4-2 [a]). Não há 
reordenamento de solicitações por motivo de otimização; portanto, é ine-
ficiente em termos de desempenho.
 ■ Otimização do Tempo de Busca: Os comandos são executados com base 
na otimização dos movimentos da cabeça de leitura/gravação. Sem a oti-
mização do tempo de busca, os comandos são executados na ordem em 
que são recebidos. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 4-2 (a), os 
comandos são executados na ordem A, B, C e D. O movimento radial re-
querido pela cabeça para executar C imediatamente após A é menor do 
que o que seria necessário para executar B. Com otimização do tempo de 
busca, a sequência na execução dos comandos seria A, C, B e D, conforme 
mostrado na Figura 4-2 (b).
D C B AD C B A
A
B
C D
Solicitações de I/O Ordem de
Processamento
de I/O
 
Controlador
de Front-End
Cilindros
(a) Sem Otimização (FIFO)
D B C AD C B A
A
B
C D
Solicitações de I/O Ordem de
Processamento
de I/O
 
Controlador
de Front-End
Cilindros
(b) Com Otimização de Tempo de Busca 
Figura 4-2 Enfileiramento de comandos de front-end.
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96 Parte I Sistema de Armazenamento
 ■ Otimização do Tempo de Acesso: Os comandos são executados com base 
na combinação da otimização do tempo de busca e em uma análise da 
latência rotacional para obter desempenho ótimo.
O enfileiramento de comandos também pode ser implementado em con-
troladores de discos e isso pode suplementar ainda mais o enfileiramento de 
comandos implementado nos controladores de front-end. Alguns modelos de 
drives SCSI e Fibre Channel têm enfileiramento de comandos implementado em 
seus controladores.
4.1.2 Cache
O cache é um componente importante que melhora o desempenho de I/O em 
um sistema de armazenamento inteligente. Trata-se de uma memória semicon-
dutora na qual os dados são colocados temporariamente, de modo a reduzir o 
tempo necessário para servirsolicitações de I/O do host.
O cache melhora o desempenho do sistema de armazenamento porque isola 
os hosts dos atrasos mecânicos associados aos discos físicos, que são os compo-
nentes mais lentos de um sistema de armazenamento inteligente. Acessar dados 
de um disco físico geralmente demora alguns milissegundos devido aos tempos 
de busca e à latência rotacional. Se um disco precisa ser acessado pelo host a cada 
operação de I/O, as solicitações são enfileiradas, o que resulta em uma resposta 
retardada. Acessar os dados do cache demora menos de um milissegundo. Os 
dados para gravação são colocados no cache e em seguida gravados no disco. 
Depois que os dados estão seguros no cache, o host recebe o reconhecimento 
imediatamente.
A estrutura do cache
O cache é organizado em páginas ou posições, que são a menor unidade de alo-
cação de cache. O tamanho de uma página de cache é configurado de acordo 
com o volume de I/O do aplicativo. O cache consiste em armazenamento de dados 
e memória TAG (tag RAM). A área de armazenamento guarda os dados, enquanto 
a memória TAG registra a localização deles nesse armazenamento (veja a Figura 
4-3) e no disco.
As entradas em uma memória TAG assinalam onde os dados se encontram 
no cache e onde devem ficar no disco. A memória TAG inclui um marcador bit 
sujo, que indica se o dado no cache já foi gravado no disco ou não. Também con-
tém informações relacionadas a tempo, como o momento do último acesso, que é 
usado para identificar informações em cache que não tenham sido acessadas por 
um período longo e que possam ser liberadas.
Operações de leitura com cache
Quando um host envia uma solicitação de leitura, o controlador de front-end 
acessa a memória TAG para determinar se os dados solicitados estão disponí-
veis em cache. Em caso positivo, isso é chamado de acerto de cache de leitura ou 
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CONTEÚDO DO LIVRO
A proteção de dados utilizando RAID é de extrema importância para ambientes corporativos, 
pois os dados devem estar disponíveis e, em caso de desastres, devem ser restaurados com total 
integridade. Acompanhe um trecho da obra Armazenamento e gerenciamento de informações
, de G. Somasundaram e Alok Shrivastava, que aborda o estudo da proteção de dados RAID.
Boa leitura!
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DICA DO PROFESSOR
No vídeo desta unidade serão abordados os conceitos de RAID, seus respectivos níveis e dicas 
sobre sua usabilidade.
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EXERCÍCIOS
1) Entre os padrões RAID abaixo, qual o que trabalha com array fracionado, porém 
sem tolerância a falhas?
A) a) RAID 9.
B) b) RAID 10.
C) c) RAID 0.
D) d) RAID 5.
E) e) RAID 1.
2) Quando é mais indicado trabalhar com RAID 1?
A) a) Necessidade somente de performance.
B) b) Aplicação necessita de alta disponibilidade.
C) c) Paridade.
D) d) Montar estrutura em 3 discos.
E) e) Fracionar dados.
3) Entre os padrão abaixo, qual NÃO é um RAID válido?
A) a) RAID 10.
B) b) RAID 5.
C) c) RAID 50.
D) d) RAID 100.
E) e) RAID 15
4) Entre os padrões RAID, qual o que permite 2 discos falharem simultaneamente?
A) a) RAID 6.
B) b) RAID 4.
C) c) RAID 8.
D) d) RAID 0.
E) e) RAID 10.
5) Com relação à tecnologia RAID é CORRETO afirmar que:
A) a) Todos os modelos de RAID propiciam alta performance .
B) b) Modelos RAID necessitam de discos em números ímpares para seu funcionamento.
C) c) Pode ser implementada por hardware e por software.
D) d) Não pode ser expandida.
E) e) Todos os modelos de RAID podem ser aninhados.
NA PRÁTICA
Veja na prática um exemplo de como é possível utilizar RAID para proteção de dados. Uma 
forma bem interessante de lidar com RAID é saber que ele também pode ser aplicado para 
servidores com SSD.
SAIBA MAIS
Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto, veja abaixo as sugestões do 
professor:
RAID - Parte 1 Armazenamento com segurança, performance e baixo custo!
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Noções básicas sobre tipos de disco rígido, RAID e controladores RAID no Dell 
PowerEdge e chassis de servidores Blade
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