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Cos'è il RAID e come funziona

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Cos'è il RAID e come funziona FASTWEB S.p.A.
Sistema RAID industriale
Internet
Teorizzato nel 1988 da tre informatici americani, permette di migliorare le prestazioni del sistema e incrementare il livello di sicurezza dello storage dei dati

Acronimo di Redundant Array of Inexpensive Disk, insieme ridondante di dischi economici (o Redundant Array of Indipendent Disk, insieme ridondante di dischi indipendenti), il RAID è una tecnologia informatica per il salvataggio delle stesse informazioni su più hard disk (e per questo ridondante). Salvando gli stessi dati su più dischi, le operazioni di I/O (Input/Output) possono sovrapporsi, garantendo quindi un miglioramento nelle prestazioni generali del sistema. Rispetto all'utilizzo di un singolo hard disk, il RAID garantisce anche una maggiore capacità di salvataggio e un livello più elevato di affidabilità.

Nella sua configurazione più semplice, il RAID viene visto dal sistema operativo come se fosse una singola unità logica (o meglio una suddivisione o subunità di un singolo hard disk) nella quale allocare i dati da salvare.

 

Sistema RAID casalingo

 

Un sistema RAID fu descritto per la prima volta da David Patterson, Garth Gibson e Randy Katz nell'articolo “A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks” pubblicato nel 1988. Era intenzione dei tre informatici dimostrare che utilizzare due o più hard disk datati ed economici era più conveniente, performante e sicuro dell'utilizzo di un solo disco rigido. Visto come sono andate le cose, Patterson, Gibson e Katz avevano perfettamente ragione.

Tipologie di RAID

Ci sono due differenti approcci “concettuali” al RAID, che può essere creato con un'implementazione hardware o con un'implementazione software. La prima prevede l'utilizzo di (almeno) un controller RAID ad hoc. Nel caso di un personal computer, ad esempio, può essere una scheda di espansione PCI o, nel caso di sistemi più grandi, di un alloggiamento esterno. L'implementazione software, invece, non ha bisogno di controller ad hoc, ma è il sistema operativo a gestire il RAID utilizzando controller già esistenti nella macchina.

Data Striping

Un elemento imprescindibile per il corretto funzionamento del RAID è il cosiddetto Data Striping. I dati da scrivere su ogni disco del RAID vengono divisi in segmenti della stessa grandezza (da 512 byte sino a diversi megabyte) e scritti su dischi differenti. La grandezza della segmentazione è detta unità di striping.

 

Alloggiamento esterno per dischi RAID

 

Se la quantità delle informazioni da allocare è superiore alla dimensione dell'unità di striping, allora i dati vengono distribuiti tra i vari dischi del RAID usando un algoritmo round robin. Ciò permette sia di aumentare le prestazioni (più unità di striping vengono lette contemporaneamente da più dischi)sia di incrementare il livello di sicurezza dello storage dei dati.

Livelli RAID standard

Con il passare degli anni, sono state sviluppate diverse configurazioni RAID ognuna delle quali adatta a svolgere un determinato compito. Queste configurazioni sono chiamate livelli RAID, identificati grazie ad una serie crescente di numeri naturali. Originariamente i livelli erano solo 5 ma oggi se ne contano molti di più: merito della “proliferazione” dei cosiddetti livelli RAID annidati.

RAID 0 (striping)

Al primo e più elementare livello di RAID, detto livello 0, i dati da salvare sono suddivisi in stringhe di ugual grandezza (unità di striping) e allocati in maniera sequenziale nei vari dischi che compongono il sistema RAID.

 

RAID 0

 

In questo caso non viene assicurata la ridondanza dei dati ma solamente una miglioramento delle prestazioni del sistema, dato che è possibile leggere e scrivere contemporaneamente su più dischi. Il RAID 0 viene utilizzato quando si deve creare un piccolo numero di dischi virtuali partendo da un grande numero di dischi rigidi fisici. È utile, quindi, quando si devono creare server NFS in una sola posizione e quando la ridondanza dei dati è irrilevante.

RAID 1 (mirroring)

Come suggerisce il nome, il RAID 1 crea una copia esatta (mirror) di tutti i dati presenti su di un disco su un altro di “appoggio”. In questo caso alle prestazioni viene preferita la ridondanza: gli stessi dati vengono scritti su due diversi dischi nello stesso momento, incrementando l'affidabilità del sistema.

 

RAID 1

 

In questo caso è quasi d'obbligo utilizzare dischi della stessa misura: in caso contrario, lo spazio d'archiviazione massima sarà pari alla grandezza dell'hard disk più piccolo.

RAID 2 (Bit level striping)

Nel RAID 2 l'unità di striping è il singolo bit che, grazie all'utilizzo del codice di Hamming, viene controllato ad ogni scrittura e corretto nel caso in cui vengano riscontrati errori. Si tratta di un utilizzo più specifico del RAID 1, assicurando maggior affidabilità e sicurezza. Il controller RAID svolge un ruolo fondamentale: assicura che le testine dei vari dischi occupino sempre la stessa posizione e che scrivano nello stesso istante lo stesso bit di informazione.

RAID 3 (Byte Level Striping with Dedicated Parity Disk)

I dati vengono suddivisi in byte e non in blocchi come accade nel RAID 0. I dati così divisi vengono ripartiti su diversi dischi (byte level striping) e viene aggiunto un bit di parità per ogni “parola” scritta. I bit di parità vengono tutti archiviati su un unico disco (dedicated parity disk).

 

RAID 3

 

Data la suddivisione in byte, l'intero sistema viene coinvolto nelle operazioni di lettura e scrittura: questo comporta un generale degrado delle prestazioni del sistema.

RAID 4 (Block Level Striping with Dedicated Parity Disk)

E’ simile al RAID 3 ma i dati sono divisi in blocchi anziché in byte. In questo caso, nelle operazioni di lettura e scrittura non è coinvolto tutto il sistema ma solo l'hard disk su cui è salvato il blocco che si cerca. Il sistema può quindi rispondere contemporaneamente a richieste di dati allocati in blocchi diversi su dischi diversi.

RAID 5 (Distributed Parity)

Il funzionamento del RAID 5 ricorda molto da vicino quello del RAID 3. L'unica differenza risiede nel fatto che non esiste un disco dedicato ad ospitare esclusivamente i bit di parità ma questi possono essere archiviati su tutti gli hard disk del sistema. Si usa, però, l'accortezza di salvare i dati e il bit di parità ad essi riferiti su hard disk differenti.

RAID 6 (Distributed Double Parity)

Il funzionamento è lo stesso del RAID 5, con l'unica differenza che i bit di parità vengono scritti due volte su due dischi differenti. Nel caso di un sistema composto da un numero limitato di dischi, le prestazioni ne risentono fortemente.

RAIDO 0+1 e RAID 1+0

Tra i livelli annidati, i più famosi e utilizzati sono i livelli RAID 0+1 e RAID 1+0. In entrambi i casi queste configurazioni garantiscono lo striping dei dati e la loro replicazione ridondante ma differiscono tra di loro nel modo in cui sono distribuiti il RAID 0 e il RAID 1.

 

RAID 0+1

 

Nel RAID 0+1 lo striping viene prima della ridondanza: il RAID 1 è applicato a monte e permette la replica di due sistemi di hard disk RAID 0. In un ipotetico sistema composto da 6 dischi rigidi da 1 TB ognuno, il RAID 1 permette di copiare i dati di tre hard disk configurati in RAID 0 su altrettanti dischi con la medesima configurazione.

 

RAID 1+0

 

Nel RAID 1+0, invece, la ridondanza viene prima dello striping. I 6 dischi dell'esempio precedente vengono divisi in tre coppie: ogni coppia è configurata in RAID 1, mentre le tre “doppiette” sono configurate in un unico sistema RAID 0.

In entrambi i casi lo spazio totale per l'archiviazione dei dati è di 3 TB ma il RAID 1+0 è più robusto e sicuro rispetto al RAID 0+1: anche se dovesse rompersi uno dei dischi delle tre coppie, i dati non andranno persi.

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