RAID 0, 1, 5, 6, 10 și SHR: diferențe și ce alegi pentru NAS

Cum calculezi capacitatea utilă

Capacitatea utilă a unei matrice cu paritate e capacitatea celui mai mic disc înmulțită cu numărul de discuri, minus discurile consumate de redundanță. Formula e aceeași pentru toate nivelurile cu paritate:

Capacitate utilă = (N - P) x C

N e numărul de discuri, C capacitatea celui mai mic disc din matrice, iar P numărul de discuri consumate de redundanță: 0 la RAID 0, 1 la RAID 5 și SHR, 2 la RAID 6 și SHR-2. RAID 1 face excepție și dă simplu C, iar RAID 10 dă N / 2 x C.

Trei exemple:

• 2 discuri de 4 TB, RAID 1: 4 TB utili. Al doilea disc nu adaugă spațiu, adaugă timp de reacție.

• 4 discuri de 4 TB, RAID 5: (4 - 1) x 4 TB = 12 TB. Cu RAID 6 pe aceleași discuri: (4 - 2) x 4 TB = 8 TB.

• 5 discuri de 4 TB, RAID 5: (5 - 1) x 4 TB = 16 TB, adică 80 la sută eficiență. Cu RAID 6: (5 - 2) x 4 TB = 12 TB, 60 la sută.

A doua paritate costă proporțional tot mai puțin pe măsură ce matricea crește: la 4 discuri plătești jumătate din spațiu pentru ea, la 8 discuri doar un sfert.

Ultimul pas produce cele mai multe reclamații: cifra afișată de sistem e mai mică. Producătorii socotesc 1 TB ca o mie de miliarde de octeți, iar sistemele de operare împart la 1024 de trei ori, deci înmulțește rezultatul cu 0,91: cei 12 TB utili ai unui RAID 5 cu patru discuri de 4 TB apar ca circa 10,9 TiB, din care sistemul de fișiere mai reține câteva procente.

Formula spune cât spațiu primești, nu cât îți trebuie: dacă NAS-ul urmează să înregistreze camere, dimensionarea pornește de la bitrate și de la zilele de păstrare, iar calculul e în ghidul despre câți TB de hard disk îți trebuie pentru camere de supraveghere.

Paritatea în două rânduri: de unde reapare un disc întreg

Paritatea nu e o copie, e o sumă de control reversibilă: sistemul aplică operația logică XOR (adunare pe biți, fără transport) peste blocurile de date de pe celelalte discuri și scrie rezultatul separat. Dacă știi rezultatul și toți termenii mai puțin unul, îl reconstitui pe cel lipsă, bloc cu bloc, până când discul înlocuit e complet.

Numărul de ecuații dă și limita fiecărui nivel: RAID 5 are o singură ecuație, deci rezolvă o singură necunoscută, adică un disc. RAID 6 adaugă o a doua paritate, calculată altfel (coduri Reed-Solomon), nu cu un al doilea XOR, iar două ecuații independente rezolvă două necunoscute.

Reconstrucția e momentul cel mai periculos

Reconstrucția e intervalul în care matricea nu mai are plasă de siguranță: datele sunt încă acolo, dar se calculează din mers, iar pe discuri mari asta ține de la câteva ore la câteva zile. Durata se estimează simplu:

Ore = Capacitate disc (TB) x 278 / Viteză susținută (MB/s)

Un disc de NAS de 3,5 inch scrie susținut 150-200 MB/s pe pistele exterioare și mai puțin spre interior. Cu 150 MB/s ca medie prudentă rezultă:

Două lămuriri față de cifrele care circulă. Într-un RAID 5 de 4 discuri de 8 TB nu se citesc 24 TB unul după altul: fiecare disc rămas își citește proprii 8 TB în paralel, deci timpul e dat de un singur disc, nu de suma lor. Iar reconstrucția unei oglinzi nu durează de cinci ori mai puțin, ci cam la fel, fiindcă tot atâția octeți se scriu pe discul nou. Avantajul oglinzii e că citește de pe un singur partener și nu solicită toată matricea, deci expunerea la o a doua eroare e mult mai mică.

URE: de ce RAID 5 a devenit riscant pe discuri mari

RAID 5 a devenit riscant pe discuri de 8 TB și peste fiindcă reconstrucția citește zeci de terabytes dintr-o trecere, iar un sector ilizibil găsit atunci nu mai are cu ce să fie corectat. Fiecare hard disk are trecută în fișa tehnică o rată de erori nerecuperabile de citire (URE, Unrecoverable Read Error): câți biți garantează producătorul că îi poți citi până la un sector pe care unitatea nu îl mai poate reconstitui. Sunt două valori pe piață: 1 eroare la 10 la puterea 14 biți, adică circa 12,5 TB citiți, la discurile de birou și la o parte din cele de NAS (un WD Red Plus e specificat tot la 10 la puterea 14), respectiv 1 la 10 la puterea 15, circa 125 TB, la seriile Pro și enterprise. Diferența de zece ori e argumentul concret pentru care, într-o matrice cu discuri mari, se plătește seria Pro. Nu presupune valoarea după numele seriei, citește fișa modelului exact.

Aritmetica pe un RAID 5 de 4 discuri de 8 TB: reconstrucția citește 24 TB, adică circa 1,9 x 10 la puterea 14 biți. Pe discuri de 10 la puterea 14 înseamnă aproape două erori „așteptate" statistic, deci peste 80 la sută șanse să întâlnești cel puțin una; pe discuri de 10 la puterea 15 scazi sub 20 la sută.

Calculul e pesimist prin construcție. Valoarea din fișă e o limită garantată în cel mai rău caz, nu o rată măsurată, iar în practică reconstrucțiile reușesc mult mai des decât prezice modelul: e un indicator de risc, nu o prognoză. Contează și ce face sistemul când eroarea apare totuși. Controllerele hardware clasice scoteau matricea din uz, de unde vine faima teribilă a URE, în timp ce un RAID software modern, adică exact ce rulează într-un Synology, QNAP, TrueNAS sau Unraid, marchează blocul afectat, pierde fișierul care îl conținea și continuă.

Concluzia practică: de la 8 TB pe disc, alege RAID 6 sau SHR-2, fiindcă a doua paritate corectează exact sectorul ilizibil găsit la reconstrucție.

Modelele potrivite pentru matrice sunt în categoria de hard diskuri pentru server și NAS, iar restul gamei de stocare în medii de stocare.

Penalizarea de scriere: unde contează RAID 10 și unde nu

Penalizarea de scriere contează doar la scrieri mici și simultane, unde RAID 10 e de circa două ori mai rapid decât RAID 5, și e irelevantă la copierea fișierelor mari, unde limita rămâne rețeaua. Ca să modifice un singur bloc mic, o matrice cu paritate face patru operații pe disc în loc de una: citește blocul vechi de date, citește paritatea veche, scrie blocul nou, scrie paritatea nouă. Calculul XOR e gratuit pentru un procesor modern, operațiile de disc sunt scumpe. La RAID 6 sunt șase, fiindcă se actualizează două parități; la RAID 1 și RAID 10 sunt două.

Împarte performanța brută la numărul acela ca să obții scrierea aleatorie reală. Patru discuri mecanice de 7200 rpm fac împreună în jur de 320 de operații pe secundă: în RAID 10 rămâi cu circa 160, în RAID 5 cu circa 80, în RAID 6 cu circa 50.

Pentru un NAS de acasă cifrele astea nu contează aproape deloc. Copierea unui film e o scriere secvențială, unde paritatea se calculează pe bandă întreagă direct în memorie, fără citirile preliminare: un port de 1 Gbps se saturează la circa 110 MB/s, pe care orice RAID 5 cu trei discuri mecanice îi atinge fără efort. Se simte la mașini virtuale, baze de date sau un server de fișiere cu douăzeci de oameni pe el, iar acolo RAID 10 își merită jumătatea de spațiu pierdută. Dacă vrei viteză pentru un singur calculator, nu construiești un RAID, pui un SSD: comparația e în ghidul despre SSD NVMe, SATA sau extern.

SHR: ce câștigi când discurile nu sunt egale

SHR (Synology Hybrid RAID) aduce spațiu în plus într-un singur caz: când discurile au capacități diferite, iar surplusul de pe cele mari e acoperit de cel puțin două discuri. E un strat de automatizare peste RAID-ul clasic Linux, disponibil doar pe NAS-urile Synology și nici acolo pe toate modelele: împarte fiecare disc în regiuni de capacitate egală și construiește o matrice separată în fiecare regiune.

Exemplu, cu două discuri de 4 TB și două de 8 TB:

• RAID 5 clasic aliniază totul la cel mai mic disc: (4 - 1) x 4 TB = 12 TB utili, iar cei 4 TB rămași liberi pe fiecare disc mare se irosesc. Total pierdut: 8 TB.

• SHR face două regiuni. Jos, o matrice cu paritate din patru felii de 4 TB: 12 TB utili. Sus, o oglindă din cele două felii de 4 TB rămase pe discurile mari: 4 TB utili. Total: 16 TB.

Câștigul e real, dar nu e magie. Cu două discuri, unul de 4 TB și unul de 8 TB, SHR îți dă tot 4 TB: felia de sus nu are cu ce să fie oglindită și rămâne neutilizată până pui un al doilea disc mare. Toleranța la defect rămâne de un disc, sau două la SHR-2, indiferent câte regiuni ai. În timp câștigi altceva: poți crește volumul înlocuind discurile pe rând, cu modele mai mari, fără să cumperi patru deodată. Dacă ai un Synology și nu ai un motiv precis să nu, alege SHR la inițializare, fiindcă trecerea ulterioară la RAID clasic cere refacerea volumului.

De ce o matrice cu paritate are nevoie de UPS

O matrice cu paritate are nevoie de un UPS fiindcă o pană de curent în mijlocul unei scrieri poate lăsa datele și paritatea desincronizate, fără ca sistemul să știe (defectul se numește write hole). ZFS îl evită prin felul în care scrie, controllerele hardware serioase prin bateria proprie, iar un NAS obișnuit prin cea mai ieftină măsură dintre toate: un UPS (sursă neîntreruptibilă, bateria care ține echipamentul pornit la pană) legat prin USB, care îi comandă oprirea curată. Același UPS îți salvează și reconstrucțiile, care pot dura zile. Alege-l după principiile din ghidul despre UPS line-interactive sau online cu PFC activ, din categoria de surse neîntreruptibile.

RAID nu e backup, indiferent de nivel

RAID nu ține loc de backup, indiferent de nivel: rezolvă o singură problemă, defectarea fizică a unui disc, fără oprirea serviciului. Ștergerea din greșeală se propagă instantaneu pe toate discurile, fiindcă toate execută aceeași comandă. La fel un ransomware care criptează fișierele: RAID-ul îi replică fidel munca. Mai rămân furtul, incendiul, supratensiunea care prăjește tot ce e în priză și greșeala de administrare care șterge volumul. Nici snapshoturile Btrfs nu sunt backup, fiindcă stau în același pool cu datele.

Regula minimă e trei copii, pe două tipuri de suport, dintre care una în altă locație. Cea din afara casei poate fi un simplu disc dus la birou și rotit lunar. Mediile potrivite și costul lor real pe terabyte sunt comparate în ghidul despre HDD intern, extern sau rack pentru backup.

Checklist înainte să inițializezi volumul

Șase lucruri se decid înainte de inițializare; după ce volumul e creat, majoritatea cer refacerea lui.

1. Câte discuri pui de la început. RAID 6 și SHR-2 cer minimum patru; sub atât, decizia e deja luată de carcasă.

2. Capacitatea unui disc. Până în 8 TB, RAID 5 sau SHR sunt rezonabile. De la 8 TB, RAID 6 sau SHR-2.

3. Rata URE de pe fișa discului. 10 la puterea 15 în loc de 10 la puterea 14 înseamnă de zece ori mai puține șanse să dai peste un sector ilizibil la reconstrucție.

4. CMR, nu SMR. Discurile cu piste suprapuse (SMR) se prăbușesc la scrieri susținute și pot fi scoase din matrice în timpul reconstrucției. Verifică explicit tehnologia în fișa tehnică.

5. Discuri inegale plus Synology înseamnă SHR. În orice altă combinație, surplusul de pe discurile mari se pierde.

6. Disc de rezervă. Unul cumpărat odată cu matricea scurtează la câteva ore intervalul în care ești fără plasă de siguranță.

Greșelile care se plătesc

Cele mai scumpe greșeli nu sunt de configurare, ci de așteptări: RAID confundat cu backup și RAID 5 pus pe discuri mari.

• Confuzia dintre RAID și backup. Cea mai frecventă și cea mai scumpă. RAID te apără de un disc mort, nu de tine.

• RAID 5 pe discuri de 8 TB sau mai mari. Reconstrucția durează zile și o singură eroare de citire îți poate costa un fișier sau, pe un controller vechi, tot volumul.

• Amânarea înlocuirii discului defect. În stare degradată nu mai ai redundanță deloc. Comandă discul în aceeași zi, nu peste trei luni, când „încă merge".

• Fără test SMART extins și fără verificare periodică a matricei. Programează-le din interfața NAS-ului, lunar respectiv trimestrial: citesc sectoarele în liniște și scot problemele la iveală înainte de reconstrucție. Pe Btrfs și ZFS, verificarea repară în plus și coruperile tăcute, fiindcă are sume de control per bloc.

• Toate discurile din același lot. Defectarea corelată nu e o certitudine statistică, dar costul de a lua discurile din două comenzi sau două mărci e zero.

• Oprirea NAS-ului în timpul reconstrucției. De regulă procesul se reia și nu distruge volumul, dar prelungește fereastra vulnerabilă. Lasă-l să termine, cu un UPS în spate.

Trei configurații concrete

Trei dimensionări acoperă aproape toate cazurile de acasă și de birou mic.

• Familie, NAS cu 2 sloturi. Două discuri de 4 TB în RAID 1 sau SHR, 4 TB utili, reconstrucție de circa 7 ore. Ajunge pentru poze, documente și backupul telefoanelor, cu condiția să existe și o copie în afara casei.

• Colecție media și backup pentru mai multe calculatoare, NAS cu 4 sloturi. Aici se ia decizia care contează. Patru discuri de 8 TB în RAID 5 sau SHR dau 24 TB utili, dar cu o reconstrucție de 1-2 zile pe o matrice fără plasă de siguranță. Aceleași discuri în RAID 6 sau SHR-2 dau 16 TB și rezistă la două defecte simultane. Recomandarea implicită e a doua.

• Mașini virtuale, baze de date sau montaj video în rețea. Patru discuri în RAID 10: jumătate din spațiu, dar de două ori scrierea aleatorie a unui RAID 5 și o reconstrucție care nu solicită toată matricea. Dacă volumul de date e mic, un pool de SSD-uri rezolvă problema mai elegant decât orice nivel de RAID.

Pe scurt

• Capacitatea utilă se calculează cu (N - P) x C, unde C e cel mai mic disc din matrice: 4 discuri de 4 TB dau 12 TB în RAID 5 și 8 TB în RAID 6. Înmulțește cu 0,91 ca să vezi cifra afișată de sistem.

• Sub 8 TB pe disc, RAID 5 sau SHR sunt alegeri rezonabile. De la 8 TB, RAID 6 sau SHR-2, din cauza duratei de reconstrucție și a erorilor nerecuperabile de citire.

• Reconstrucția durează Capacitate (TB) x 278 / Viteză (MB/s) ore pe un NAS liber și de două-trei ori mai mult pe unul folosit. E intervalul în care ești fără protecție, iar rata URE din fișa discului diferă de zece ori între seriile obișnuite și cele Pro.

• RAID 10 costă jumătate din spațiu și se justifică prin scrierile mici și simultane, nu prin copierea de fișiere mari, unde limita e rețeaua.

• SHR câștigă spațiu real cu discuri de capacități diferite, dar surplusul devine utilizabil abia când îl acoperă două discuri.

• Niciun nivel nu te apără de ștergere, ransomware, furt sau incendiu. Backupul rămâne separat, cu o copie în altă locație.