Comparação RAID vs LVM vs ZFS

Introdução

Quando se trata de armazenamento, há uma grande chance de que sua mente gire um pouco devido às muitas opções e toneladas de terminologias que lotam aquela arena. Por que não podemos simplesmente conectar um disco no host e encerrar o dia? Essa foi uma das minhas frustrações até que cheguei a ver a essência de todas as tecnologias existentes. Os problemas que o armazenamento apresenta a você como administrador de sistemas ou engenheiro farão você apreciar as várias tecnologias que foram desenvolvidas para ajudar a mitigá-las e resolvê-las.

Neste breve artigo, vamos analisar as tecnologias RAID, Logical Volume Manager (LVM) e ZFS. Vamos investigar o que eles fazem de melhor em implementações, bem como verificar as suas diferenças. Bem-vindo e fique ligado.

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RAID

RAID significa Redundant Array of Independent Disks. Foi basicamente desenvolvido para permitir combinar muitos discos pequenos e baratos em um array, a fim de realizar objetivos de redundância. A redundância não pode ser alcançada por uma unidade de disco enorme conectada ao seu projeto. Mesmo que o array seja composto de vários discos, o computador “o vê” como uma unidade ou uma única unidade de armazenamento lógica, o que é bastante surpreendente.

Usando técnicas como striping de disco (RAID Nível 0), espelhamento de disco (RAID Nível 1) e striping de disco com paridade (RAID Nível 5), o RAID é capaz de alcançar redundância, menor latência, maior largura de banda e capacidade máxima de recuperação de falhas de disco rígido.

Razões primárias pelas quais você deve considerar a implantação do RAID em seus projetos que gerenciam grandes quantidades de dados incluem o seguinte:

• Aquisição de velocidades melhores
• Aumento da capacidade de armazenamento usando um único disco virtual
• Minimiza a perda de dados por falha do disco. Dependendo do seu tipo de RAID, você será capaz de alcançar redundância que mais tarde irá salvá-lo caso haja incidências de perdas de dados.

Esta tecnologia RAID vem em três sabores: RAID por Firmware, RAID por Hardware e RAID por Software. O RAID por hardware lida com as suas matrizes independentemente do host e ainda apresenta o host com um único disco por array RAID. Utiliza uma placa controladora RAID de hardware que lida com as tarefas RAID de forma transparente para o sistema operativo. O RAID por software, por outro lado, implementa os vários níveis de RAID no código do disco do kernel (dispositivo de bloco) e oferece a solução mais barata possível, uma vez que não são necessárias placas controladoras de disco caras ou chassi hot-swap. Existem CPUs mais rápidas na era atual, portanto o RAID por software geralmente supera o RAID por hardware.

Características originais do RAID por software. Fonte (access.redhat.com)

• Portabilidade de matrizes entre máquinas Linux sem reconstrução
• Reconstrução de matrizes em segundo plano usando recursos do sistema ocioso
• Hot-suporte a unidades intercambiáveis
• Detecção automática da CPU para tirar vantagem de certos recursos da CPU, como suporte a streaming SIMD

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• Correção automática de setores ruins em discos de uma matriz
• Verificações regulares de consistência dos dados RAID para garantir a integridade da matriz

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• Monitoração proativa de matrizes com alertas de e-mail enviados para um endereço de e-mail designado em eventos importantes

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• Escrever…bitmaps de intenção que aumentam drasticamente a velocidade dos eventos de resync permitindo ao kernel saber com precisão quais partes de um disco precisam ser resynced ao invés de ter que resync todo o array

LVM

Aqui vem o bonito Logical Volume Manager. O que o LVM lindamente faz é a abstração da idéia de unidades de disco individuais e permite que você como administrador esculpa “pedaços” de espaço para usar como unidades. Ele permite que você conecte tantos drives físicos em seu sistema individual e depois aumente e diminua flexivelmente seus volumes lógicos em seu host ao vivo. Você pode adicionar outros drives físicos no futuro e adicionar seu espaço sem reformatar ou se preocupar em parar aplicações ou desmontar sistemas de arquivos ou desligar seu host. Este tipo de flexibilidade torna o trabalho com LVM um processo tão suave.

Vantagens do LVM sobre as partições físicas. Fonte (access.redhat.com)

Capacidade flexível

Quando usa volumes lógicos, os sistemas de arquivos podem se estender por vários discos, já que você pode agregar discos e partições em um único volume lógico.

Pacotes de armazenamento redimensionáveis

Pode estender volumes lógicos ou reduzir volumes lógicos em tamanho com simples comandos de software, sem reformatar e reparticionar os dispositivos de disco subjacentes.

Re-alocação de dados em linha

Para implantar subsistemas de armazenamento mais novos, mais rápidos ou mais resilientes, você pode mover os dados enquanto o seu sistema estiver ativo. Os dados podem ser rearranjados em discos enquanto os discos estão em uso. Por exemplo, você pode esvaziar um disco hot-swappable antes de removê-lo.

Convenient device naming

Logical storage volumes podem ser gerenciados em grupos definidos pelo usuário e com nomes personalizados.

Disk striping

Você pode criar um volume lógico que risca os dados em dois ou mais discos. Isto pode aumentar drasticamente a produção. A especificação da configuração de faixas é feita ao criar o volume lógico com lvcreate

Espelhar volumes

Volumes lógicos fornecem uma maneira conveniente de configurar um espelho para os seus dados. Mesmo que o LVM não suportasse isso nativamente no passado, versões recentes o fornecem.

Volume Snapshots

Utilizando volumes lógicos, você pode tirar instantâneos do dispositivo para backups consistentes ou testar o efeito das alterações sem afetar os dados reais.

A única diferença entre RAID e LVM é que o LVM não fornece nenhuma opção de redundância ou paridade que o RAID fornece.

ZFS

ZFS foi originalmente desenvolvido pela Sun Microsystems para Solaris (propriedade da Oracle), mas foi portado para Linux.

ZFS é fundamentalmente diferente nesta arena porque é mais do que um sistema de arquivos. O ZFS combina as funções de um sistema de arquivos e gerenciador de volume, permitindo que dispositivos de armazenamento adicionais sejam adicionados a um sistema ao vivo e tendo o novo espaço disponível em todos os sistemas de arquivos existentes naquele pool imediatamente. Ele faz o que LVM e RAID fazem em um pacote. Portanto, o ZFS é capaz de superar as limitações anteriores que impediram que os grupos RAID pudessem crescer. A combinação das funções tradicionalmente separadas de gerenciador de volume e sistema de arquivos fornece ao ZFS um conjunto único de vantagens.

Tradicionalmente, os sistemas de arquivos podem ser criados em um único disco de cada vez. Isto significa que se houvesse dois discos, então dois sistemas de arquivo teriam que ser criados. RAID evitou este problema apresentando o sistema operacional com um único disco lógico composto pelo espaço fornecido pela combinação de muitos discos físicos. O sistema operacional então colocava um sistema de arquivos no topo. Mas com o ZFS, o sistema de arquivos está ciente da estrutura do disco subjacente. Esta consciência torna possível o crescimento automático do sistema de arquivos existente quando discos adicionais são adicionados ao pool. Além disso, em ZFS, uma série de propriedades diferentes pode ser aplicada a cada sistema de arquivo, daí a capacidade de criar uma série de sistemas de arquivo e conjuntos de dados diferentes ao invés de um único sistema de arquivo monolítico.

Características do ZFS

RAID-Z

ZFS implementa RAID-Z, uma variação no RAID-5 padrão que oferece melhor distribuição de paridade e elimina o “buraco de escrita RAID-5” no qual os dados e informações de paridade se tornam inconsistentes em caso de perda de energia.

Redundância

Redundância é possível no ZFS porque suporta três níveis de RAID-Z. Os tipos são chamados RAID-Z1 através de RAID-Z3 baseados no número de dispositivos de paridade no array e no número de discos que podem falhar enquanto o pool permanece operacional.

Spare

ZFS tem um tipo especial de pseudo-vdev para manter um registro das peças de reserva quentes disponíveis. Note que as hot spares instaladas não são implementadas automaticamente; elas devem ser configuradas manualmente para substituir o dispositivo com falha usando zfs replace.

L2ARC

Este é o segundo nível do sistema de cache ZFS. O ARC (Adaptive Replacement Cache) primário é armazenado na RAM. Como a quantidade de RAM disponível é frequentemente limitada, o ZFS também pode usar cache vdevs (um único disco ou um grupo de discos). Discos de Estado Sólido (SSDs) são frequentemente usados como dispositivos de cache devido à sua maior velocidade e menor latência

Mirroring

Um espelho é composto por dois ou mais dispositivos e todos os dados serão gravados em todos os dispositivos membros. Um espelho vdev conterá apenas a mesma quantidade de dados que o seu menor membro. Um vdev espelho pode suportar a falha de todos, exceto um de seus membros, sem perder nenhum dado.

SSD Hybrid Storage Pools

SSDs de alto desempenho podem ser adicionados no pool de armazenamento ZFS para criar um tipo híbrido de pool. Esses SSDs de alto desempenho podem ser configurados como um cache para armazenar dados acessados com freqüência a fim de aumentar o desempenho.

Copiar em Write

A técnica Copy on Write é usada pela ZFS para verificar a consistência dos dados nos discos.

Checksum

Todos os blocos que são alocados são checksummed usando o algoritmo de checksum de propriedade por conjunto de dados fletcher2, fletcher4, sha25). O checksum de cada bloco é validado de forma transparente à medida que é lido, permitindo ao ZFS detectar corrupção silenciosa. No caso dos dados lidos não corresponderem aos checksums esperados. ZFS vai em frente e tenta recuperar os dados da redundância configurada como mirror ou RAID-Z.

Encontrar mais sobre ZFS: https://www.freebsd.org/doc/handbook/zfs-term.html

Conclusions

Há muito mais sobre ZFS, RAID, e LVM. Espero que você tenha tido uma boa base no que diz respeito a essas três tecnologias e que você possa escolher uma que se adeque ao seu projeto. Obrigado pela leitura.

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