RAID 10: integração do RAID 0 com RAID 1

Índice:

• Como funciona a integração do RAID 0 com o RAID 1?
• A estrutura de espelhamento do RAID 1
• O ganho de desempenho com o striping do RAID 0
• Requisitos mínimos de hardware para um arranjo RAID 10
• A capacidade útil em um volume RAID 10
• Níveis de tolerância a falhas e cenários de falha
• O processo de reconstrução de um disco
• Aplicações ideais para o RAID 10
• Comparando o RAID 10 com outras configurações comuns
• A escolha certa para sua infraestrutura

Muitas empresas enfrentam um dilema clássico na hora de configurar seus sistemas de armazenamento. Elas precisam de alta velocidade para executar aplicações exigentes, mas também necessitam de máxima segurança para proteger dados críticos contra falhas de hardware. Frequentemente, as soluções de armazenamento priorizam um desses aspectos em detrimento do outro, o que força gestores de TI a fazerem escolhas difíceis.

O RAID 10 surge como uma solução híbrida que resolve esse impasse de forma bastante eficaz. Ele combina as melhores características de dois níveis de RAID fundamentais, o RAID 0 (striping) e o RAID 1 (mirroring), em uma única estrutura. O resultado é um arranjo que entrega tanto o desempenho necessário para cargas de trabalho intensas quanto a redundância robusta para garantir a continuidade dos negócios.

Como funciona a integração do RAID 0 com o RAID 1?

O RAID 10, também conhecido como RAID 1+0, é um arranjo que primeiro espelha pares de discos para criar redundância (RAID 1) e depois distribui os dados entre esses pares espelhados para aumentar a velocidade (RAID 0). Essa arquitetura exige um mínimo de quatro discos para sua implementação.

O processo ocorre em duas etapas claras. Primeiramente, o sistema cria conjuntos espelhados. Por exemplo, o disco 1 e o disco 2 formam um par idêntico, enquanto o disco 3 e o disco 4 formam outro. Cada par funciona como um volume RAID 1 independente, onde todos os dados escritos em um disco são replicados instantaneamente no outro.

Em seguida, esses conjuntos espelhados são agrupados em um arranjo RAID 0. Quando o sistema operacional grava um arquivo, os dados são divididos e distribuídos entre os pares espelhados, não entre os discos individuais. Essa combinação inteligente entrega a alta velocidade do striping e a segurança do espelhamento simultaneamente.

A estrutura de espelhamento do RAID 1

A base da segurança no RAID 10 vem do seu componente RAID 1. A função primária do espelhamento é garantir a redundância dos dados. Cada bit de informação gravado em um disco é duplicado em tempo real no seu parceiro dentro do mesmo par, criando uma cópia exata e sempre disponível.

Essa arquitetura oferece uma tolerância a falhas muito direta. Se um dos discos de um par espelhado falhar, o sistema continua operando normalmente, sem qualquer interrupção, pois utiliza a cópia intacta no outro disco. Nossa equipe frequentemente observa que essa transição é transparente para os usuários e aplicações, o que melhora a disponibilidade do serviço.

No entanto, essa segurança tem um custo em capacidade. Um conjunto RAID 1 com dois discos de 4 TB, por exemplo, oferece apenas 4 TB de espaço útil, porque o segundo disco é uma réplica. Esse fator é crucial no planejamento do orçamento, já que metade da capacidade bruta dos discos é dedicada à redundância.

O ganho de desempenho com o striping do RAID 0

A outra metade da equação do RAID 10 é o desempenho, que vem do componente RAID 0. A técnica de striping, ou distribuição, divide os dados em blocos e os grava simultaneamente em todos os pares espelhados disponíveis no arranjo. Essa paralelização das operações de escrita e leitura aumenta drasticamente a velocidade.

Muitas aplicações que dependem de altas taxas de I/O (operações de entrada e saída por segundo), como bancos de dados transacionais ou servidores de virtualização, se beneficiam imensamente dessa aceleração. Em nossos testes, a latência para operações de escrita aleatória é significativamente menor em RAID 10 quando comparada a arranjos com paridade.

Vale ressaltar que um arranjo RAID 0 puro é bastante arriscado. Nele, a falha de um único disco resulta na perda total e irrecuperável de todos os dados do volume. No RAID 10, porém, esse risco é completamente neutralizado pela camada de espelhamento que protege cada conjunto de discos.

Requisitos mínimos de hardware para um arranjo RAID 10

Para montar um volume RAID 10, o requisito fundamental é um mínimo de quatro discos rígidos. Além disso, o número total de discos no arranjo deve ser sempre par, pois eles são organizados em pares espelhados. É possível expandir o arranjo adicionando novos pares, sempre de dois em dois discos.

Nossos técnicos sempre recomendam o uso de discos idênticos, ou seja, com a mesma capacidade, velocidade de rotação (RPM) e modelo. A utilização de drives diferentes pode criar gargalos de desempenho, pois o arranjo tende a nivelar sua performance pelo disco mais lento. Em alguns casos, essa incompatibilidade pode até gerar instabilidade.

O sistema também precisa de uma controladora RAID competente. As controladoras de hardware dedicadas geralmente oferecem o melhor desempenho e recursos avançados. No entanto, muitos sistemas operacionais modernos, como o Linux e o Windows Server, também incluem suporte a RAID 10 via software, uma opção viável para ambientes com menor exigência.

A capacidade útil em um volume RAID 10

O cálculo da capacidade em um arranjo RAID 10 é bastante simples. O espaço de armazenamento útil será sempre 50% da capacidade bruta somada de todos os discos que compõem o volume. Essa regra se aplica independentemente do número de discos, desde que seja um número par a partir de quatro.

Vamos a um exemplo prático para ilustrar. Se você montar um servidor com quatro discos de 2 TB cada, a capacidade bruta total será de 8 TB. No entanto, ao configurar o RAID 10, o espaço disponível para armazenamento de dados será de apenas 4 TB. Os outros 4 TB são inteiramente dedicados ao espelhamento para redundância.

Esse aproveitamento de 50% torna o custo por terabyte do RAID 10 mais elevado em comparação com outras configurações, como o RAID 5. Por isso, sua adoção é uma decisão estratégica que quase sempre prioriza a performance e a segurança em detrimento da otimização do espaço de armazenamento.

Níveis de tolerância a falhas e cenários de falha

A tolerância a falhas do RAID 10 é um dos seus pontos mais fortes. O arranjo pode sobreviver à falha de pelo menos um disco em cada par espelhado sem perder dados. Em uma configuração com quatro discos, por exemplo, o sistema pode perder até dois discos, contanto que eles não pertençam ao mesmo par.

Imagine um cenário com dois pares, A (discos 1 e 2) e B (discos 3 e 4). Se o disco 1 falhar, o par A continua funcionando com o disco 2. Se, em seguida, o disco 3 também falhar, o par B continua operacional com o disco 4. O arranjo só entrará em estado crítico se ambos os discos de um mesmo par, como o 1 e o 2, falharem.

Esse nível de proteção é bastante robusto e torna o RAID 10 uma escolha muito popular para aplicações críticas, onde a indisponibilidade do serviço pode causar grandes prejuízos financeiros ou operacionais. A chance de dois discos do mesmo par falharem simultaneamente é estatisticamente baixa.

O processo de reconstrução de um disco

Quando um disco defeituoso em um arranjo RAID 10 é substituído por um novo, a controladora RAID inicia automaticamente um processo de reconstrução, conhecido como rebuild. Durante esse processo, os dados do disco saudável do par são copiados integralmente para o novo disco, restaurando o espelhamento.

Uma vantagem notável é que o tempo de rebuild em um RAID 10 é geralmente muito mais rápido do que em arranjos baseados em paridade, como o RAID 5 ou RAID 6. Isso acontece porque a controladora apenas realiza uma cópia direta dos dados, sem a necessidade de cálculos complexos de paridade para recriar as informações.

Ainda assim, durante o período de reconstrução, o desempenho do arranjo pode sofrer uma leve degradação. Além disso, o volume fica temporariamente vulnerável a uma nova falha de disco. Por essa razão, a substituição do disco defeituoso deve ser feita o mais rápido possível para minimizar a janela de risco.

Aplicações ideais para o RAID 10

O RAID 10 se destaca em ambientes que demandam alta performance de I/O aleatório e baixa latência. Por isso, ele é a escolha ideal para servidores de bancos de dados transacionais (OLTP), sistemas de virtualização com muitas máquinas virtuais ativas e servidores de e-mail com grande volume de mensagens.

Nessas cargas de trabalho, as operações intensivas de leitura e escrita se beneficiam diretamente da combinação de striping e mirroring. O arranjo não sofre com a chamada "penalidade de escrita" que afeta os RAIDs baseados em paridade, onde cada operação de escrita exige cálculos adicionais, o que torna o processo mais lento.

Por outro lado, para tarefas como armazenamento de arquivos grandes, arquivamento de dados ou servidores de backup, onde a capacidade máxima e o custo por gigabyte são mais importantes que a velocidade de I/O, outras configurações podem ser mais adequadas. Nesses casos, um RAID 6, por exemplo, talvez ofereça um melhor retorno sobre o investimento.

Comparando o RAID 10 com outras configurações comuns

Ao comparar o RAID 10 com o RAID 5, a principal diferença está no equilíbrio entre desempenho e capacidade. O RAID 5 é mais eficiente em espaço, pois usa a capacidade de apenas um disco para paridade. No entanto, seu desempenho de escrita é inferior, e o processo de rebuild é muito mais lento e estressante para os discos restantes.

Já o RAID 6 aumenta a segurança do RAID 5 ao utilizar dupla paridade, o que permite a falha de até dois discos simultaneamente sem perda de dados. Contudo, essa segurança extra impõe uma penalidade de escrita ainda maior, e seu tempo de reconstrução é o mais longo entre as configurações mais comuns, o que aumenta a janela de risco.

O RAID 10, embora seja a opção com o maior custo de implementação devido ao seu aproveitamento de 50% da capacidade, quase sempre supera ambos em performance de escrita e velocidade de rebuild. Essa característica simplifica bastante a gestão de falhas e reduz o tempo de exposição a riscos.

A escolha certa para sua infraestrutura

A decisão de implementar o RAID 10 deve ser baseada em uma análise cuidadosa do orçamento, da necessidade de desempenho e da criticidade dos dados armazenados. Não existe uma solução única que sirva para todos os cenários, e o RAID 10 não é uma exceção a essa regra.

Para ambientes de produção que executam aplicações críticas e onde o tempo de inatividade é inaceitável, o investimento adicional em discos para formar um arranjo RAID 10 se justifica plenamente. Muitas empresas veem esse custo extra não como uma despesa, mas como uma apólice de seguro para a continuidade de suas operações.

Portanto, a avaliação da carga de trabalho específica e dos requisitos de disponibilidade do seu ambiente é o passo final e decisivo. Quando a velocidade de acesso e a segurança dos dados precisam coexistir sem qualquer tipo de compromisso, o RAID 10 é a resposta.