RAID

3. 구현 방식

RAID는 데이터를 여러 드라이브에 분산하여 저장하는 기술로, 크게 하드웨어 방식과 소프트웨어 방식으로 구현할 수 있다. 이 두 방식은 명확하게 구분하기 어려운 중간적인 형태도 존재한다.

• 하드웨어 방식: 별도의 RAID 컨트롤러 카드나 디스크 어레이 유닛을 사용하여 RAID를 구현한다.
• 장점:
• 컨트롤러가 대부분의 처리를 담당하여 CPU 부하가 적다.
• 전용 캐시 메모리를 통해 접근 속도를 높일 수 있다. (컨트롤러 카드에 캐시 메모리가 있는 경우)
• 컴퓨터나 OS는 RAID를 SCSI 또는 파이버 채널 드라이브로 인식하여 별도 드라이버가 필요 없다. (디스크 어레이 유닛의 경우)
• 단점:
• 컨트롤러마다 제어 방식이 달라 운영체제별 드라이버가 필요하다. (컨트롤러 카드의 경우)
• 일부 저가형 컨트롤러는 소프트웨어 방식으로 구현되어 CPU 부하가 높고, 지원 운영체제가 제한되거나 신뢰성이 낮을 수 있다.
• 소프트웨어 방식: 운영체제(OS) 자체에서 제공하는 기능을 사용하여 RAID를 구현한다.
• 장점:
• 별도의 하드웨어가 필요 없어 도입 비용이 저렴하다.
• 단점:
• CPU 부하가 높고 시스템 자원을 많이 소모한다.
• 물리적 캐시가 없어 오류 발생 시 RAID 정보에 문제가 생길 가능성이 높다.
• 운영체제별 지원 현황:

3. 3. 펌웨어/드라이버 기반 방식

4. 표준 RAID 레벨

RAID는 여러 개의 하드 디스크를 묶어 하나의 논리적인 디스크처럼 사용하는 기술이다. 다양한 RAID 레벨이 존재하며, 각 레벨은 성능, 안정성, 용량 효율 등에서 차이를 보인다.^[16][17]

흔히 쓰이는 RAID 레벨은 다음과 같다.

• '''RAID 0''': 패리티 없이 데이터를 여러 디스크에 분산 저장(스트리핑)한다. 성능은 향상되지만, 디스크 하나만 고장 나도 전체 데이터를 잃게 된다.
• '''RAID 1''': 패리티 없이 데이터를 여러 디스크에 똑같이 복사(미러링)한다. 디스크 고장에 대한 내결함성이 있지만, 용량 효율이 떨어진다.
• '''RAID 3''' 및 '''RAID 4''': 전용 패리티 디스크를 사용하여 데이터를 스트리핑한다. RAID 3은 바이트 단위, RAID 4는 블록 단위로 스트리핑한다.
• '''RAID 5''': 패리티 정보를 여러 디스크에 분산하여 저장하는 스트리핑 방식이다.
• '''RAID 6''': RAID 5에서 패리티 정보를 이중으로 분산하여 저장하는 방식이다.
• '''RAID 0+1''': RAID 0으로 스트리핑한 디스크들을 다시 RAID 1으로 미러링한다.
• '''RAID 10(RAID 1+0)''': RAID 1로 미러링한 디스크들을 다시 RAID 0으로 스트리핑한다.
• '''RAID 50(RAID 5+0)''': RAID 5로 구성된 디스크들을 다시 RAID 0으로 스트리핑 한다.
• '''RAID 1E''': 미러링과 데이터 스트라이핑을 결합한다.

4. 1. RAID 0 (스트라이핑)

• '''장점'''
• * 드라이브 수가 늘어날수록 순차 접근 및 임의 접근 속도가 향상된다. 단, 임의 접근 속도 향상을 위해서는 스트라이프 크기(데이터 분할 단위), 섹터 크기, 클러스터 크기, 블록 크기, 미리 읽기 깊이 등을 적절하게 설정해야 한다.
• '''단점'''
• * 데이터를 중복해서 저장하지 않는다.
• * 드라이브 수가 늘어날수록 전체 시스템의 고장 확률이 높아진다.
• * 스트라이프 크기나 명령어 큐를 적절하게 조정하지 않으면 임의 접근 속도가 거의 향상되지 않거나 오히려 드라이브 수가 증가함에 따라 속도가 느려질 수 있다.
• * RAID 0의 전체 용량은 구성 드라이브 중 가장 작은 용량에 드라이브 수를 곱한 값과 같다. 따라서 용량이 다른 드라이브를 함께 사용하면 용량 차이가 낭비된다.

4. 2. RAID 1 (미러링)

• 장점
• * OS나 마더보드에 기본적으로 장착되어 있는 경우, 별도로 RAID 하드웨어나 소프트웨어를 준비하지 않아도 사용할 수 있다.
• * 드라이브 수가 증가할수록 내결함성이 높아진다.
• 단점
• * 용량 활용 효율이 나쁘다. N대의 드라이브로 구성할 때, 용량 효율은 1/N이 된다.
• * 대용량화를 목적으로 하지 않는다.
• * 고속화는 제한적이다.

4. 3. RAID 2

• 장점
• * 모든 RAID 레벨 중 가장 높은 내결함성을 가진다. 최소 구성인 5대를 기준으로 3대의 드라이브가 고장 나도 견딜 수 있다.^[102]
• 단점
• * 해밍 코드 계산 비용이 매우 크다.^[115]
• * 디스크 사용 효율이 매우 낮다. 최소 5대로 구성할 경우 사용 가능한 용량은 2대분이다.^[115] 드라이브가 7대일 경우 4대분, 15대일 경우 11대분, 31대일 경우 26대분의 용량을 사용할 수 있다. 단, 최소 구성을 제외하면 RAID 1보다는 효율이 좋다.

4. 4. RAID 3 및 RAID 4

• '''장점'''
• * 패리티를 정정 부호로 사용하여 RAID 2보다 계산 비용이 낮다.
• * (구성 드라이브 수 - 1)개의 용량을 확보하여 디스크 용량 낭비를 최소화한다.
• '''단점'''
• * 비트/바이트 단위 접근으로 I/O 효율이 나쁘다.
• * 패리티 드라이브가 쓰기 처리 시 병목 현상이 된다.

4. 5. RAID 5

• 장점
• RAID 3이나 RAID 4와 달리 전용 패리티 드라이브가 없어 병목 현상이 발생하지 않는다.
• 드라이브 수가 증가할수록 속도 향상을 기대할 수 있다.
• 드라이브 하나가 고장 나더라도 데이터 복구가 가능하다.
• 단점
• 패리티 연산이 필요하여 소프트웨어 RAID에는 적합하지 않다. 그러나 I/O 프로세서를 탑재한 고성능 제품은 대용량 캐시 메모리와 I/O 프로세서 또는 패리티 연산 장치를 통해 RAID 0 수준의 읽기/쓰기 속도를 제공하기도 한다.
• 정전이나 디스크 손상으로 인해 쓰기 작업이 부분적으로만 완료된 채 중단되면, 감지하기 어려운 데이터 불일치가 발생할 수 있다. 이를 'RAID 5 쓰기 홀'이라고 한다. 하드웨어 RAID는 배터리 백업 등으로 이러한 문제를 방지하지만, 소프트웨어 RAID는 대응이 어렵다. (RAID 4, RAID 6 등에서도 동일한 문제 발생) RAID-Z는 소프트웨어적으로 이 문제를 해결하는 방법 중 하나이다.
• 저가형 또는 저성능 제품에서는 장애 발생 후 복구 처리가 느리다.
• 드라이브 하나가 고장 나면 패리티를 통해 데이터를 재생하므로 성능이 저하된다.
• 2개 이상의 드라이브가 동시에 고장 나면 데이터를 복구할 수 없다. (RAID 6는 3개 드라이브 동시 고장 시 복구 불가)
• 드라이브 하나가 고장 난 경우, RAID 0 수준으로 신뢰성이 낮아진다. 특히, 구성 드라이브 수가 많으면 복구 작업 중 다른 드라이브가 추가로 고장 나 복구가 불가능해지는 경우가 있다. (RAID 6가 이에 대한 해결책)

PH1 = A1 + B1

PH2 = A2 + B2

PH3 = A3 + B3

4. 6. RAID 6

• 장점
• * RAID 5와 동등한 장점을 가진다.
• ** RAID 3이나 RAID 4처럼 전용 패리티 드라이브가 병목 현상을 일으키지 않는다.
• ** 드라이브 수가 증가할수록 속도 향상을 기대할 수 있다.
• * RAID 5보다 더 높은 내결함성을 가진다. 드라이브 1대 고장 시에도 RAID 5 수준의 신뢰성을 유지한다.
• 단점
• * 초기 투자가 크다(단, 장기적인 운영 비용은 RAID 5와 큰 차이가 없다).
• * 패리티를 이중으로 생성하기 때문에 RAID 5보다 쓰기 속도가 더 저하된다.
• * RAID 5와 마찬가지로 드라이브 고장 시 성능이 저하된다.
• * 3개 이상의 드라이브가 동시에 고장 나면 복구할 수 없다.

PD1 = PH1 + C2 + B3


PD2 = B1 + A2 + PH3


PD3 = C1 + PH2 + A3


P 패리티는 RAID 5와 같은 XOR 연산을 사용하는 패리티이며, 다른 하나의 중복 데이터인 Q 패리티는 가중치가 부여된 갈루아 체 GF(2)에서의 나머지, 즉 8비트 CRC를 사용한다. 8비트 CRC의 제한으로 인해, 이 방식을 사용하는 한 데이터 디스크는 255대(+중복 디스크 2대)까지밖에 지원할 수 없다.

표준이 없기 때문에, 생성 다항식이나 가중치 부여 방식이 제조사마다 다르다. 또한 고속화나 하드웨어적인 최적화를 위해 미리 상수를 곱한 테이블이 준비되어 있는 등, 단순한 CRC와는 다르게 보이는 경우도 있다. 또는, 이 외의 계산 방법을 채택하고 있는 경우도 있을 수 있다.

구체적인 계산 방법은 다음과 같다.

데이터 디스크를 A, B, C, D로 하고, 중복 디스크를 P, Q로 한다. 현실적으로는 중복 디스크가 분산되어 있지만, 편의상 이렇게 한다.

: P = A + B + C + D (RAID 5와 같음)

: Q = CRC(A + B * 2 + C * 4 + D * 8)

여기서, A는 데이터 디스크 A에 있는 1바이트의 데이터이며, 이하 B, C, D, P, Q 각각, 해당하는 같은 위치에 있는 1바이트의 데이터를 나타낸다. 또한 CRC(x)는 값 x를 비트열로 했을 때의 CRC 코드이다. 이 CRC는 생성 다항식이 기약다항식(==원시 다항식)일 필요가 있다. 또한 위의 덧셈(+)과 곱셈(*)은 모두 갈루아 체에서의 덧셈과 곱셈이다.

또한 복구 방법은 다음과 같다.

• 데이터 디스크 A, B, C, D 중 하나가 손상된 경우에는 RAID 5와 같다. 또한 중복 디스크 P, Q 중 하나 또는 둘이 손상된 경우에는 데이터 디스크 A, B, C, D에서 재계산한다.
• A, B, C, D 중 하나와 Q가 손상된 경우에는, P와 정상적인 데이터 디스크로 손상된 데이터 디스크를 (RAID 5와 마찬가지로) 복구하고, Q를 재계산한다.
• A, B, C, D 중 하나와 P가 손상된 경우에는, Q에서 손상된 데이터 디스크의 위치에 8비트 버스트 오류가 있었던 것으로 간주하여 오류 정정하여 복구한다.
• A, B, C, D 중 둘이 손상된 경우에는, P와 Q에 관한 연립 방정식을 풀어서 복구한다.

5. 중첩 RAID 레벨

RAID 5의 속도나 내결함성에 불만이 있는 경우, RAID 0+1이나 RAID 1+0과 같이 다른 RAID와 조합하여 약점을 보완할 수 있다. RAID 6보다 강력한 내결함성이 요구될 경우에도 이러한 조합이 선택지가 될 수 있다.

RAID 5+1과 RAID 1+5는 모두 최대 3개의 드라이브 동시 고장에도 견딜 수 있지만, RAID 1+5가 더 강력한 내결함성을 가진다.^[117] 유지보수성 또한 뛰어나, 모든 드라이브를 교체해야 할 경우에도 장치를 중지하지 않고 교체할 수 있으며, 이 작업 중에도 RAID 5의 내결함성이 유지된다.

5. 1. RAID 0+1

5. 2. RAID 1+0 (RAID 10)

• RAID 0+1: 스트라이핑된 영역을 미러링
• RAID 1+0: 미러 세트를 스트라이핑

5. 3. RAID 50 (RAID 5+0)

5. 4. RAID 1E

6. 비표준 RAID 레벨

읽기 시에는 RAID 0처럼 작동하여 성능상의 이점을 얻는다. 쓰기 시에는 RAID 5처럼 작동하여 안정성을 도모한다. RAID 1에 비해 읽기 성능에서 약간의 이점이 있을 뿐이라 널리 쓰이지는 않는다. HighPoint사의 컨트롤러에서만 지원하는 방식이다.

7. RAID의 한계 및 문제점

RAID는 여러 개의 하드 디스크(HDD)를 묶어 가용성을 높이는 기술이지만, 완벽한 데이터 보호 솔루션은 아니다. 다음과 같은 한계와 문제점을 가지고 있다.

• 소프트웨어적 오류 대응 불가: RAID는 파일의 잘못된 삭제, 컴퓨터 바이러스로 인한 손상, 파일 시스템 불일치 등 소프트웨어적인 오류에는 대응할 수 없다.
• HDD 동시 고장 가능성: RAID는 여러 HDD를 사용하지만, 동시에 여러 개가 고장나거나, 리빌드 중 다른 HDD가 고장나는 경우 데이터 손실이 발생할 수 있다. 특히 RAID 1은 두 HDD에 거의 동일한 부하가 걸려 동시에 고장날 가능성이 있다.
• 백업과의 역할 차이: 백업은 데이터를 정적인 상태로 일정 기간 보관하는 것이며, RAID와는 역할이 다르다. 데이터는 RAID와 백업을 함께 운용해야 안전성을 높일 수 있다.

7. 1. 연관된 오류

7. 2. 복구 불가능한 읽기 오류 (URE)

7. 3. 재구축 시간 증가 및 고장 확률 증가

7. 4. 쓰기 캐시 안정성

7. 5. 데이터 스크러빙(Integrity)

7. 6. 라이트홀 문제

8. RAID 용량 계산

9. Defunct Disk Drive (DDD)

'''무효 디스크 드라이브'''(Defunct Disk Drive|디펑트 디스크 드라이브^영어, '''DDD''')는 RAID를 구성하는 디스크에서 어떤 장애가 발생하여 RAID 구성 디스크에서 제외된 디스크 또는 그 상태를 가리킨다.^[120]

10. Spare Disk Drive

'''예비 디스크 드라이브''' ('''Spare Disk Drive''', 예비 디스크)는 RAID 구성에서 평상시에는 사용되지 않지만, 사용 중인 디스크 중 하나에 오류가 발생했을 때 해당 디스크를 교체하기 위해 연결된 하드 디스크 장치이다. 벤더에 따라 명칭은 다르지만, 핫 스페어에 해당한다.

예를 들어, 총 4개의 디스크 중 3개로 RAID 5를 구성하는 시스템을 생각해 보자. RAID 5에서 어느 하나의 디스크가 고장 나면, 예비 디스크가 고장난 디스크를 자동으로 교체하여 RAID 5를 원래대로 구성한다.

이 4개의 디스크로 RAID 6을 구성해도 같은 실효 디스크 용량을 얻을 수 있지만, 그것과 비교하여 예비 디스크는 다음과 같은 장점과 단점을 가지고 있다.

• '''장점:''' RAID 5이므로 RAID 6에 비해 쓰기 속도가 빠르다. 예비 디스크는 평상시에는 작동하지 않으므로(단, 통전은 계속됨) 수명이 길어질 것으로 기대된다.
• '''단점:''' 예비 디스크로 고장난 디스크를 교체하고 리싱크(resync, 재동기화)가 완료될 때까지(2013년 기술로 1TB당 10분 이상) 시스템은 중복성을 갖지 않으므로, 또 다른 디스크가 고장 나면 시스템 전체의 정보가 손실될 수 있다.

11. 비RAID 설계

RAID를 사용하지 않는 디스크 구성 방식도 존재한다.

JBOD는 여러 개의 물리적 디스크를 하나의 디스크처럼 취급하는 방식이다.^[121] 중복성은 없으며, 스패닝(SPANNING)이라고도 불린다.^[122]

11. 1. JBOD (Just a Bunch Of Disks)

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