Informática

RAID: níveis, capacidade útil e tolerância a falhas com cálculos

RAID (conjunto redundante de discos independentes, ou de baixo custo, conforme o autor) combina vários discos físicos em um volume lógico para ganhar desempenho, tolerância a falhas ou os dois. Em provas, o assunto vira cálculo de capacidade e pergunta sobre quantos discos podem falhar. Este guia reúne as regras, com as contas conferidas por execução.

Três técnicas de base

  • Striping (distribuição): os dados são divididos em faixas espalhadas por vários discos. Ganha velocidade, porque os discos trabalham em paralelo, mas não dá redundância.
  • Espelhamento (mirroring): os mesmos dados são gravados em dois ou mais discos. Dá redundância, ao custo de capacidade.
  • Paridade: guarda-se uma informação calculada (uma soma lógica) que permite reconstruir o conteúdo de um disco perdido, com custo menor que o espelhamento.

Os níveis mais cobrados

Seja n o número de discos e S a capacidade de cada um, todos iguais.

Nível Técnica Mínimo de discos Capacidade útil Tolera falha de
RAID 0 striping 2 n x S nenhum disco
RAID 1 espelhamento 2 S (em par) um disco do par
RAID 5 striping com paridade distribuída 3 (n - 1) x S um disco
RAID 6 striping com dupla paridade 4 (n - 2) x S dois discos
RAID 10 (1+0) espelhos combinados com striping 4 (n x S) / 2 pelo menos um disco; mais se em pares diferentes

Exemplo numérico

Com quatro discos de 2 TB:

Nível Conta Capacidade útil
RAID 0 4 x 2 8 TB
RAID 5 (4 - 1) x 2 6 TB
RAID 6 (4 - 2) x 2 4 TB
RAID 10 (4 x 2) / 2 4 TB

Com seis discos de 4 TB: RAID 0 dá 24 TB; RAID 5 dá 20 TB; RAID 6 dá 16 TB; RAID 10 dá 12 TB. Repare que a proporção de capacidade perdida para a paridade encolhe quando se acrescentam discos ao RAID 5 e ao RAID 6: no RAID 5, 1 de 4 discos (um quarto) com quatro discos, e 1 de 6 com seis. O RAID 10 perde sempre a metade.

Se os discos tiverem tamanhos diferentes, o conjunto costuma usar a capacidade do menor disco para todos. Por isso a regra mais segura da prova é: use discos iguais, ou considere o menor.

Observações por nível

  • RAID 0 não é redundância, apesar do nome: a falha de um único disco perde todo o volume, e a chance de falha cresce com o número de discos.
  • RAID 1 lê de qualquer cópia (leitura pode ser mais rápida) e grava em todas (escrita não acelera).
  • RAID 5 distribui a paridade entre todos os discos, evitando um disco de paridade dedicado que viraria gargalo. Cada escrita pequena exige atualizar também a paridade, o que reduz o desempenho de escrita.
  • RAID 6 custa mais uma unidade de capacidade que o RAID 5, mas sobrevive a duas falhas simultâneas, o que é útil quando a reconstrução de um disco grande demora e outro disco falha durante o processo.
  • RAID 10 combina espelhos com striping: bom desempenho e boa tolerância, mas caro. Distinga de RAID 0+1, em que se espelham dois grupos distribuídos: nessa ordem inversa a tolerância é pior. Se o enunciado trouxer um dos dois nomes, leia a ordem com atenção.

Como a paridade reconstrói um disco

A paridade usa a operação lógica OU exclusivo (XOR), que dá 1 quando os bits são diferentes e 0 quando são iguais. Propriedade que torna tudo possível: XOR de qualquer conjunto de valores, incluindo a paridade, devolve zero; logo, o valor faltante é o XOR dos que restam.

Três discos de dados com um byte cada (valores fictícios):

Disco Byte
D1 10110010
D2 01101100
D3 11100001
Paridade (D1 XOR D2 XOR D3) 00111111

Se o disco D2 falhar, calcula-se D1 XOR D3 XOR paridade, e o resultado é 01101100, exatamente o byte perdido. A conta foi conferida por execução. É isso que o RAID 5 faz, bloco a bloco, durante a reconstrução (“rebuild”), e é por isso que ele suporta uma só falha: com dois discos perdidos, há duas incógnitas para uma equação.

Em RAID 6, usa-se uma segunda informação de paridade, calculada por método diferente, para resolver o sistema com dois discos faltando.

RAID não é backup

Ponto frequente de pegadinha: RAID protege contra falha de hardware do disco, não contra exclusão acidental, corrupção lógica, ataque de ransomware, incêndio ou roubo. A alteração errada é replicada nos discos espelhados. Cópias de segurança continuam necessárias; veja backup completo, incremental e diferencial.

RAID por hardware ou por software

  • Por hardware: uma controladora dedicada gerencia o conjunto, às vezes com memória própria e bateria para proteger gravações em curso.
  • Por software: o sistema operacional faz o trabalho, com menor custo e mais flexibilidade, usando a CPU do computador.

Um disco reserva (hot spare) pode ficar à espera para assumir automaticamente o lugar de um disco que falhou.

Passo a passo do cálculo

  1. Anote n, a capacidade S e o nível.
  2. Aplique a fórmula do quadro; se os discos forem diferentes, use o menor.
  3. Verifique o mínimo de discos do nível.
  4. Pergunte quantas falhas o nível suporta.
  5. Converta unidades com cuidado; veja sistema binário, bits, bytes e unidades.

Erros comuns

  • Achar que RAID 0 tem redundância.
  • Usar a fórmula do RAID 5 para o RAID 6 (falta descontar mais um disco).
  • Confundir RAID 10 com RAID 0+1.
  • Dizer que RAID substitui backup.
  • Esquecer o mínimo de discos: RAID 5 exige ao menos três.

Fontes e atualização

Não há norma oficial brasileira sobre RAID; o conteúdo segue a literatura clássica de armazenamento. As capacidades dos exemplos e a reconstrução por XOR foram conferidas por cálculo executado. Fabricantes podem oferecer variações próprias de nomenclatura: confira o edital.

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