שאלת מבחן במערכות הפעלה - האוניברסיטה הפתוחה 2017 - קלט/פלט

נתונה מערכת עם 8 דיסקים של 1TB כל אחד. בסעיפים א-ה ננסה לעשות השוואה בין RAID0, RAID1 ו-RAID5. א. (6 נק') עבור כל אחת ממערכות RAID ציינו כמה נתונים נוכל לשמור במערכת זו. ___ - RAID0 ___ - RAID1 ___ - RAID5 ב. (6 נק') נניח שאנחנו רוצים לבצע רק קריאות של בלוקים בודדים ונניח שקצב הקריאה של כל דיסק הינו 100 בלוקים לשנייה. כמו כן נניח שהקריאות שלנו אקראיות. עבור כל אחת ממערכות RAID ציינו מהו קצב הקריאה המקסימאלי שנוכל לצפות במערכת זו. ___ - RAID0 ___ - RAID1 ___ - RAID5 ג. (6 נק') נניח שאנחנו רוצים לבצע רק כתיבות של בלוקים בודדים ונניח שקצב כתיבות של כל דיסק הינו 100 בלוקים לשנייה. כמו כן נניח שהכתיבות שלנו אקראיות. עבור כל אחת ממערכות RAID ציינו מהו קצב כתיבות המקסימאלי שנוכל לצפות במערכת זו. ___ - RAID0 ___ - RAID1 ___ - RAID5 ד. (6 נק') מהו המספר המינימאלי של דיסקים שצריכים ליפול כדי שייתכן איבוד נתונים ___ - RAID0 ___ - RAID1 ___ - RAID5 תזכורת: RAID0 בשיטה זו נתונים פזורים על פני דיסקים של מערך בפיסות (strips) בגודל קבוע. כלומר הנתונים של הדיסק הלוגי שמערכת ההפעלה "רואה" למעשה מחולקים לפיסות ומפוזרים על דיסקים שונים של המערך. RAID1 שיטת level 1 מכפילה את כמות הדיסקים שהיו ב- RAID level 0 ומשתמשת בהם לגיבוי. RAID5 שיטת level 5 משתמשת ב-parity strips כאשר הם מפוזרים על פני כל הדיסקים של המערך (למשל בשיטת ה-round-robin).

רמז: עבור כל תצורה, יש לשקול כיצד המידע והיתירות (אם קיימת) מאורגנים על פני הדיסקים, וכיצד ארגון זה משפיע על הקיבולת, ביצועי הקריאה/כתיבה, ועמידות בפני תקלות.

פתרון: זוהי שאלה המשווה בין שלוש תצורות RAID נפוצות על פני ארבעה מדדים: קיבולת, קצב קריאה, קצב כתיבה ועמידות בפני תקלות. נתונים: $N=8$ דיסקים, כל אחד בגודל 1TB. קצב קריאה/כתיבה לדיסק בודד הוא 100 בלוקים/שנייה. **א. קיבולת אחסון** * **RAID0 (Striping):** בתצורה זו אין **שרידות** (redundancy), והנתונים נפרסים על פני כל הדיסקים. הקיבולת הכוללת היא סכום הקיבולת של כל הדיסקים. קיבולת: $8 \times 1\text{TB} = 8\text{TB}$. * **RAID1 (Mirroring):** בתצורה זו, כל דיסק מגובה על ידי דיסק "מראה" (mirror) זהה. מחצית מהדיסקים משמשים לנתונים והמחצית השנייה לגיבוי. הקיבולת היא מחצית מהקיבולת הגולמית. קיבולת: $\frac{8}{2} \times 1\text{TB} = 4\text{TB}$. * **RAID5 (Striping with Distributed Parity):** בתצורה זו, המידע נפרס על פני $N-1$ דיסקים, ומידע **זוגיות** (parity) נשמר על הדיסק הנותר, כאשר תפקיד דיסק הזוגיות מתחלף בין הדיסקים. הקיבולת האפקטיבית היא של $N-1$ דיסקים. קיבולת: $(8-1) \times 1\text{TB} = 7\text{TB}$. **ב. קצב קריאה מקסימלי (קריאות אקראיות)** בקריאות אקראיות של בלוקים בודדים, כל בקשה מכוונת לבלוק לוגי אחר, אשר בדרך כלל נמצא על דיסק פיזי אחר. לכן, ניתן לבצע קריאות במקביל מכל הדיסקים במערך. * **RAID0:** בקשות קריאה מתחלקות בין 8 הדיסקים. קצב הקריאה המצרפי הוא סכום הקצבים של כל הדיסקים. קצב קריאה: $8 \times 100 = 800$ בלוקים/שנייה. * **RAID1:** לכל בלוק יש שני עותקים. ניתן לספק בקשת קריאה מכל אחד משני הדיסקים, מה שמאפשר חלוקת עומסים. בפועל, כל 8 הדיסקים יכולים לשרת בקשות קריאה במקביל. קצב קריאה: $8 \times 100 = 800$ בלוקים/שנייה. * **RAID5:** בדומה ל-RAID0, הנתונים פרוסים על כל הדיסקים. בקריאות רגילות, אין צורך לגשת לבלוק הזוגיות. לכן, כל 8 הדיסקים יכולים לשרת בקשות קריאה במקביל. קצב קריאה: $8 \times 100 = 800$ בלוקים/שנייה. **ג. קצב כתיבה מקסימלי (כתיבות אקראיות)** * **RAID0:** כל כתיבה לוגית מתורגמת לכתיבה פיזית אחת בדיסק בודד. ניתן לבצע כתיבות במקביל לכל 8 הדיסקים. קצב כתיבה: $8 \times 100 = 800$ בלוקים/שנייה. * **RAID1:** כל כתיבה לוגית דורשת שתי כתיבות פיזיות: אחת לדיסק המקורי ואחת לדיסק המראה. לכן, קצב הכתיבה האפקטיבי הוא חצי מקצב המערכת הגולמי. קצב כתיבה: $\frac{8}{2} \times 100 = 400$ בלוקים/שנייה. * **RAID5:** כתיבה אקראית קטנה ב-RAID5 יקרה במיוחד, תופעה הידועה כ-**RAID5 write penalty**. כדי לעדכן בלוק נתונים בודד, יש לעדכן גם את בלוק הזוגיות המתאים. הפעולה דורשת 4 פעולות I/O פיזיות: קריאת בלוק הנתונים הישן, קריאת בלוק הזוגיות הישן, כתיבת בלוק הנתונים החדש, וכתיבת בלוק הזוגיות החדש. לכן, כל כתיבה לוגית "עולה" 4 פעולות פיזיות. קצב הכתיבה המקסימלי הוא סך קצב הפעולות הפיזיות של המערכת חלקי 4. קצב כתיבה: $\frac{8 \times 100}{4} = 200$ בלוקים/שנייה. **ד. מספר כשלים מינימלי לאיבוד מידע** * **RAID0:** אין שום שרידות. כשל של דיסק בודד יגרום לאיבוד מידע. מספר מינימלי: 1. * **RAID1:** המערכת יכולה לשרוד כשל של עד $N/2=4$ דיסקים, כל עוד לא כושלים שני דיסקים המהווים זוג מראה. התרחיש הגרוע ביותר, שבו מאבדים מידע עם מספר הכשלים הקטן ביותר, הוא כשל של שני הדיסקים באותו זוג. מספר מינימלי: 2. * **RAID5:** המערכת מסוגלת להתמודד עם כשל של דיסק בודד, מכיוון שניתן לשחזר את המידע שלו באמצעות בלוק הזוגיות. אם דיסק שני כושל לפני שהדיסק הראשון הוחלף והמערך נבנה מחדש, המידע יאבד. מספר מינימלי: 2. $\blacksquare$