RAID 電源問題

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RAID

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/12/17 23:11 UTC 版)

電源問題

ハードディスクの必要台数が増えるため、特にRAIDコントローラカードを用いて装置内部にハードディスクを取り付けている場合、電源がハードディスク台数分の負担に耐えられるか注意すべきである。

ハードディスクは突入電流等により起動時に最も電力を必要とするため、スタッガードスピンアップ（各ディスクに時間差を置いて起動する）機能を搭載しているRAIDコントローラもある。

ライトホール問題

RAID 5の問題として有名だが、複数のHDDを束ねて1つのグループと見なす、すべてのRAIDシステムで起こりうる。 RAID 2以外のRAIDは読み出し時のエラー検出をHDDのエラー検出に依存しているので、RAIDシステムではエラー検出が出来ない。 物理的な破損等でHDDから応答が無かった場合や読み出しエラーをHDDが返した場合に限り、RAIDシステムではエラーを検出できるが、正しく読み出せる場合はエラー検出が出来ない。

例えば、2台でのRAID 1の場合、RAIDコントローラからHDD AとHDD Bに同時に書き込みリクエストは発生するが、HDDには書き込み時の処理のタイムラグがあるため、HDD Aには書き込みが完了したがHDD Bには書き込みが発生していないと言うタイミングが存在する(逆もしかり)。 このタイミングで電源断等により処理が中断した場合、HDD Aには新しく書き込まれたデータ、HDD Bには上書きされる前の古いデータが記録されており、HDD AとHDD Bのミラーとして対になるセクタの値が同一ではなくなる。 ブロックサイズが大きい場合は、ブロック自体が複数のセクタで構成されているため、同一HDDの中でも、ブロックを構成する一部のセクタのみ書き込み完了しそれ以外は書き換えられていないということも発生する。 このようにRAIDを構成するグループのHDDのブロックすべてに書き込めずに、穴が開いたのように書き込まれるためライトホールと呼ばれる。

HDDレベルではどちらも正常なのでエラー無く読み出せるが、HDD毎に異なる値が読み出されるようになる。 これはRAIDレベルでは不整合を起こした状態となり、RAIDシステムではエラー検出機能を持っていないために、エラーが起きている事を検出することが出来ない。

結果として、RAID 1の場合は、読み込むHDDによって値が変わる。上記の例ではHDD Bの書き込みがされていないためにBから読み出された場合やHDD Aが破損し、HDD BからHDD A'にリビルドされた際にデータが壊れる。 RAID 3，4，5、6の場合は、誤ったパリティによりデータが破壊される。 これらを、サイレントクラッシュ（正確にはサイレントデータコラプション)と呼ぶ。

バッテリバックアップされたNVRAMやフラッシュメモリ等の不揮発メモリを持っているハードウェアRAIDでは、 HDDから書き込みの完了・未完了等のトランザクション管理をしているためこの問題は発生しないようになっているが、 ソフトウェアRAIDや、不揮発メモリを持たない安価なハードウェアRAIDでは、この問題が発生する。

RAID 2はそれ自体がハミングコードによるエラー検出機能を持っているので、この問題は発生しない。 RAID-Zもブロック単位での書き換えがCopyOnWriteにより保証される事とチェックサムがあるためにこの問題は発生しない。

RAIDレベル

RAID 0からRAID 6まで7種類のうち、よく利用されるのはRAID 0・RAID 1・RAID 5・RAID 6で、RAIDコントローラやソフトウェアによって使用できるレベルが限定されている場合が多い。

各RAIDレベルを組み合わせて信頼性と速度を両立させることができる。

サーバ用途としては、データの保全性を重視するためRAID 1またはRAID 5が主に利用されている。サーバ台数の限られた環境で、一台のサーバにかかる負担が高い場合はこれらにRAID 0を組み込んで高速化を狙うケースもある（もちろんサーバ自体を増設して、一台あたりの負担を軽減することも検討すべきであり、負荷の度合い・設置場所の都合・予算などを多角的に検討する必要がある。単にRAID 0をかぶせて高速化することだけに過度の期待を寄せるべきではない）。

RAIDの方式によらず、サーバ用途の場合はトラブル発生時に速やかなハードディスク交換を実施できる態勢を採るのが重要であり、ホットスペアやホットスワップ対応の製品を用いるのが望ましい。

また、ある種のアプリケーションは、制御情報はRAID 1またはRAID 5のファイルシステムに保存し、マルチメディアデータはRAID 0に保存するとともにテープや光メディアにバックアップしている。

RAID 0

RAID 0の概念図。一つのファイルをA1からA8に分割して、これを複数のディスクに同時に分散して書き込む。

RAID 0はデータを分割し、複数台のハードディスクに同時に分散して読み書きする。高速化が可能となる。ストライピングとも呼ぶ。冗長性がなく耐障害性もないが、実装要素（ハードウェアおよびソフトウェア）はRAIDのそれらを転用できるため、他のRAIDモードとともに実装しているコントローラが多い。冗長性を持たないことを明示する意味で、無を表現する数であるゼロが付される。最低2台のドライブが必要である。

1台のドライブが故障しただけでアレイ全体の故障となるため、その故障率は単体ドライブに比べ高い。例えば、単位時間あたりのドライブ故障率が1%の場合、2台でRAID 0を構成した場合のアレイの故障率は約2% (1-0.99*0.99=0.0199) と約2倍に上昇する。

単独のRAID 0では速度は向上するものの故障率が増加することから、後述のRAID 1や5と組み合わせて用いられることも多い。

• 長所
  • ドライブ数が増えるほどシーケンシャル及びランダムアクセス速度が上がる。但し後者の向上にはストライプサイズ（分割の粒度）、セクタサイズ、クラスタサイズ、ブロックサイズ、先読み深度などを適切に設定する事が必要である。
• 短所
  • 冗長性が全くない。
  • ドライブ数が増えるほどアレイの故障率が上がる。
  • 適切なストライプサイズやコマンドキューの調整が出来ない場合、ランダムアクセス速度はあまり向上しないかドライブ数の増加に伴い低下する可能性がある。

RAID 1

RAID 1の概念図。データをA1-4に分割して同じデータを同時に書き込む。

RAID 1は複数台のハードディスクに、同時に同じ内容を書き込む。これをミラーリングと呼ぶ。最もシンプルな方式であり、RAIDの弱点であるコントローラの故障にも対応しやすい。最低2台のドライブが必要である。

全てのディスクが同時に故障する可能性は低いため、システムの安定性は高い。

例えば、単位時間当たりのドライブの故障率を1%として2台でRAID 1を構成する場合、アレイの故障率は0.01% (0.01*0.01=0.0001) と1/100となる。

ただし、利用可能な容量は単体のハードディスク容量を超えない。台数が増えるほど容量効率が悪くなる。効率重視ならばRAID 5の方がよい。

本来読み出しは、一つのドライブからのみでそれ以外はバックアップである。全てのディスクから読み出せば、理論上、高速に読み出せる。

初期のネットワークOSであるNetware 2.x、3.xは、上記を取り入れており、コントローラが複数個ある場合には、一方のディスクに書き込みながら他方のディスクから読み込みを行うなどの負荷分散を行っていた。従って、ディスク間で記録データに不一致が発生する時間があり、ディスクの同期を完了させてから終了する必要があった。

しかし、常に性能を重視した実装が行われている訳ではなく、Windows NTのソフトウェアRAID 1では、読み込みは常にひとつのディスクからのみ行われる。Windows Server 2003は低負荷時には片方から、高負荷時には負荷分散を行う。

• 長所
  • OSやマザーボードに標準装備されている場合、RAIDハード/ソフトウェアを別途用意せずとも使用できる。
  • ドライブ数が増えるほど耐障害性が上がる。
• 短所
  • 容量の利用効率が悪い。N 台のドライブとした時、容量効率は1/Nとなる。
  • 大容量化を目的としていない。
  • 高速化は限定的である。

RAID 01 (0+1) および RAID 10 (1+0)

RAID 0+1 (RAID 01)

RAID 1+0 (RAID 10)

RAID 0とRAID 1を組み合わせた構成を特別にRAID 0+1 (RAID 01) およびRAID 1+0 (RAID 10) と呼ぶ。高速化、大容量化を目指したRAID 0と高信頼性を求めたRAID 1を組み合わせることにより、速度、容量、耐障害性の向上を図ることができる。最低4ドライブ必要である。

RAID 0とRAID 1は相性がよく、 RAID 1の特性によりRAID 0の弱点であったランダムアクセスも高速化できる。RAID 1を使用しているためコントローラの2重化にも対応できるので、容量が必要でなおかつ強力な耐障害性を求める場合に採用されることが多い。

RAID 0とRAID 1、どちらを下層で行うかにより名前が変わる。0または1は、下層で行われる処理を先に表記する。一見どちらも同じように見えるが耐障害性の面で異なる。

• RAID 0+1 : ストライプされた領域をミラーリング
• RAID 1+0 : ミラーセットをストライプ

ドライブ故障への耐性はRAID 1+0のほうが優れている。RAID 0+1ではRAID 1を構成するRAID 0領域のドライブそれぞれ1台ずつが故障した時点でデータが破壊されるが、RAID 1+0ではRAID 0を構成するRAID 1セットの構成ドライブ2台がどちらも故障しない限りデータは破壊されない。台数が増えれば増えるほどRAID 1+0のほうが耐障害性が上がる。コントローラ故障への耐性はRAID 0+1が上回る局面も存在しうるが、基本的にはRAID 1+0のほうが優れていると考えてよい。

RAID 2

RAID 2の冗長化機構はハミング符号で、ストライプ単位は1ビットである。ハミングコードによるビット単位のデータ修復が常に必要なほどHDDの信頼性は低くないので、RAID 2は実用性がなく、製品は市販されていない。

必要なドライブ数は、ハミングコードの訂正可能ビット数により異なるため一意に記述できないが、最低で5台のドライブを必要とする。

• 長所
  • 全RAIDレベルの中で最高の耐障害性を持つ。最小構成の5台の場合、3台のドライブの故障にも耐えられる。
• 短所
  • ハミングコード計算コストが莫大である。
  • ディスクの使用効率が極めて悪い。最小構成の5台で利用可能な容量は2台分。7台の場合には4台分、15台の場合には11台分、31台の場合には26台分となる。但し最小構成時を除けばRAID 1よりも効率は良い。

RAID 3: ビット/バイト単位での専用パリティドライブ

RAID 3

RAID 3はRAID 2の誤り訂正符号を排他的論理和によるパリティに変更し、演算コストを低減したものである。

最低3ドライブで構成され、1台を誤り訂正符号に割り当て、残りの複数台にデータを記録する。

ビデオ編集機器においてはアクセスの殆どがシーケンシャルアクセスであることから、現在でもRAID 3が用いられている場合があるが、パソコンやサーバでRAID 3を用いるメリットは存在しない。

• 長所
  • パリティを訂正符号として用いているためRAID 2に比較して計算コストが低い。
  • 構成ドライブ数-1個の容量が確保できるため、ディスク容量の無駄を最小限に押さえられる。
• 短所
  • ビット/バイト単位でアクセスを行うためI/Oの効率が悪い。
  • パリティドライブが書き込み処理時のボトルネックとなる。

RAID 4: ブロック単位での専用パリティドライブ

RAID 4

RAID 4はRAID 3のI/O単位をブロックに拡大し、I/O効率の改善を図ったものである。最低3台で構成される。以下の短所からRAID5へ移行され、RAID4は実質的に消滅している。

• 長所
  • アクセス単位がブロックになっているため、RAID 3より高速なI/Oが望める。
• 短所
  • パリティドライブは書き込み処理時に常時アクセスが行われるため負担が集中する。性能上のボトルネックとなるだけでなく、消耗が激しく寿命も低下する。（これに対する解がRAID5）

RAID 5: ブロック単位でのパリティ分散記録

RAID 5

RAID 5は水平パリティを使用して複数のハードディスクに誤り訂正符号データと共に分散させて記録することで、RAID 3、RAID 4のボトルネックを回避している。最低3ドライブが必要である。RAID1やRAID1+0に比べて使用効率に優れている。またRAID0のように複数のディスクに分散しているため読み出し性能が優れている。一方で書き込む場合にはパリティブロックを作成しなおすために、ディスクからの既存パリティ読み出しとパリティ演算が伴うが、I/Oプロセッサを搭載した高価格帯製品ではパリティを大容量キャッシュに保存しパリティ演算をI/Oプロセッサや専用演算機にて行う事で速度低下を回避している。

• 長所
  • ボトルネックとなる、RAID 3やRAID 4のような専用のパリティドライブが存在しない。
  • ドライブの台数が増えるほど高速化を見込める。
  • 1台までのドライブが故障してもデータを復旧できる
• 短所
  • パリティ演算が必要なため、ソフトウェアRAIDに不向き。ただしI/Oプロセッサを搭載した高価格帯製品では大容量のキャッシュメモリとI/Oプロセッサやパリティ演算機を搭載することでRAID0並みに読み書きともに高速化している製品もある。
  • 停電やディスククラッシュにより部分的に書き込みが行われた状態での停止が発生した場合に検出困難な不整合が発生するタイミングがあり、RAID 5書き込みホールと呼ばれる。ハードウェアRAIDではバッテリを搭載するなどして電源異常時の問題を回避するように構成されている場合が多いが、ソフトウェアRAIDでは一般に対応は困難である（同様の問題はパリティを用いるRAID 4・RAID 6等でも存在する）。RAID-Zはソフトウェアによるこの問題の解法の一つ。
  • 低価格品や低性能品では（障害発生後の）復元処理が遅い。
  • ドライブ1台故障時にパリティからデータを再生するため、性能が低下する。
  • 2つ以上のドライブが同時に故障すると回復できない（RAID6では3つ同時故障で回復不能）。
  • ドライブ1台故障時はRAID 0並みに信頼性が低い状態となる。特に構成台数が多い場合、復元作業中にもう1台が故障し、回復不可能となってしまうケースがある（これに対する解がRAID 6）。

水平パリティによる分散記録

RAID 5においてパリティはパリティ用領域に使用されるディスク以外のXORで水平方向のパリティ (PH) をとる。水平パリティはそれぞれのディスクに格納され、1台のディスク障害に耐えることができる。ディスク障害時は障害の発生したディスクのXORによる再計算で復元が可能である。 データ書き込み時におけるパリティ計算方法の一例を下記に掲載する（An、BnはA1 B1 A2 B2 A3 B3の順に並んだデータブロック）。

A1/B1/PH1/
A2/PH2/B2/
PH3/A3/B3/

PH1=A1+B1
PH2=A2+B2
PH3=A3+B3

RAID 5を用いた組み合わせ

RAID 5に速度面、耐障害性などでの不満がある場合、RAID 0+1や1+0と同様に、他のRAIDと組み合わせることで弱点をカバーできる。

RAID 5+0とRAID 0+5

RAID 5の速度を向上させたい場合、使っている台数と同数のハードディスクを追加してRAID 0と組み合わせるか、サーバを増設し負荷を分散させるのが有効である。RAID 5+0およびRAID 0+5を構成する場合は、最低6ドライブが必要である。

RAID 1+0や0+1と同様、RAID 5とRAID 0のどちらを先に行うかで名前が変わる。RAID 5のセットによるストライピングを行うRAID 5+0のほうが、次の理由で優れているといえる。

• ドライブ故障への耐性に優れる。
• 読み書きの高速性を利点とするRAID 0を外側にすることで、書き込み速度の向上効果がより強く期待できる。

RAID 5+1とRAID 1+5

RAID 6を上回る強力な耐障害性が要求される場合、この組み合わせが選択肢となる。RAID 5+0やRAID 0+5と同様、最低6ドライブを必要とする。

RAID 5+1、RAID 1+5とも3ドライブまでの同時故障に耐えられるが、RAID 1+5のほうがより強い耐障害性を持つ。

メンテナンス性にも優れる。何らかの理由によりすべてのドライブを交換する必要が生じた場合、ミラーの片方のディスクを一度に交換し、リビルド後に残りを交換して再リビルド、という簡便な手順で、装置を止めることなく交換を完了でき、またこの作業中もRAID 5の耐障害性が残っている。

RAID 5+5

RAID 5によってRAID 5を組む、RAID 5+5も考えられる。この構成には最低9ドライブを要する。

RAID 5+1や1+5と同様、同時に3ドライブまでの故障に耐えられ、またディスク利用効率でそれらを上回る。耐障害性ではRAID 5+1と1+5の中間程度になる。

同様に、3次元化したRAID 5+5+5、4次元化したRAID 5+5+5+5なども考えられる。RAID 5+5+5は7台、RAID 5+5+5+5は15台までの同時故障に耐えられるが、必要となるドライブ数およびディスク効率の面から実用的ではない。

RAID 6: ブロック単位・複数パリティ分散記録

RAID 6

RAID 6は任意の2つのハードディスクに障害が発生してもデータが復元できるRAIDである。冗長データを2種類作成し2つのディスクに記録することで、2重障害に対応でき、同時に2ドライブが故障しても復元できる。最低4ドライブを必要とする。1つの冗長データはRAID5と同じようにパリティ符号を用いる。もう1つの冗長データは、異なるアドレスのデータからパリティを生成する方式（対角線パリティ）や、異なる係数を乗算してから生成する方式（P+Qパリティ）など、複数の実装形態がある。RAID 1のミラーリングを3重化した場合も2つのハードディスク障害に対応できるが、これは通常RAID 6とは呼ばない。

• 長所
  • RAID 5と同等の長所を持つ。
    • RAID 3やRAID 4のように、ボトルネックとなる、専用のパリティドライブが存在しない。
    • ドライブの台数が増えるほど高速化を見込める。
  • RAID 5よりさらに高い耐障害性がある。ドライブ1台故障時においてもRAID 5並みの信頼性を保っている。
• 短所
  • 初期投資が大きい（ただし、長期的な運用コストはRAID 5と大差ない）。
  • 二重にパリティを生成するため、RAID 5よりもさらに書き込み速度が低下する。
  • RAID 5と同様、ドライブ故障時に性能が低下する。
  • 3つ以上のドライブが同時に故障すると回復できない。

EMC CLARiX/CLARiiON のRAID6では EVENODDアルゴリズムを使って、X86プロセッサのXOR命令でパリティの計算、データのリカバリをソフトウェアで行っている。

大規模なシステムでは、RAID 6を用いた多重RAIDも、RAID 5と同様に考えられる。

RAID 6+0とRAID 0+6

RAID 6単体と比較してアクセスが高速化される。最小8ドライブを要し、2ドライブまでの故障に耐えられる。

RAID 6+1とRAID 1+6

RAID 6単体と比較して耐障害性が強化される。最小8ドライブを要し、5ドライブまでの故障に耐えられる。

RAID 6+5とRAID 5+6

RAID 6単体と比較して耐障害性が強化され、高いディスク利用効率も兼ね備える。最小12ドライブを要し、5ドライブまでの故障に耐えられる。

RAID 6+6

階層化されたRAID 6であり、最強の耐障害性を持つ。最小16ドライブを要し、8ドライブまでの故障に耐えられる。堅牢さが最重要視される用途に向く。

対角線パリティの計算方法

RAID 6ではRAID 5の水平パリティ (PH) に加え、対角線パリティ (PD) もパリティとして使用される。

水平パリティとは異なり対角線パリティは専用のディスクに格納される。ディスク4台でRAID6を構成しているとき、対角線パリティの配置と計算は以下の通り。

PH1/B1 /C1 /PD1
A2 /PH2/C2 /PD2
A3 /B3 /PH3/PD3

PD1=PH1+C2+B3
PD2=B1+A2+PH3
PD3=C1+PH2+A3

P+Qパリティの計算方法

PパリティはRAID5と同じXORによるパリティであり、もう一つの冗長データであるQパリティは重みつきのガロア体GF(2) における剰余、つまり8ビットのCRCを用いる。8ビットCRCの制限により、この方式を用いる限りデータディスクは255台（+冗長ディスク2台）までしかサポートできない。

規格のようなものがないため、生成多項式や重みのつけかたが各社で異なる。また高速化やハードウェア的な最適化のためにあらかじめ定数をかけたテーブルが用意されているなど、単純なCRCには見えない場合もある。あるいは、これ以外の算出方法を採っている場合も有り得る。

具体的な算出方法は以下の通りである。

データディスクをA・B・C・Dとし、冗長ディスクをP・Qとする。現実には冗長ディスクは分散されているが、便宜上こうしておく。

P=A+B+C+D （RAID5と同じ）

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

ここで、AとはデータディスクAにある1バイトのデータであり、以下B・C・D・P・Qそれぞれ、対応する同じ位置にある1バイトのデータを示す。またCRC(x) は、値xをビット列とした時のCRC符号である。このCRCは、生成多項式が既約性を持つ（==原始多項式である）必要がある。また上記加算 (+) 及び乗算 (*) は、共にガロア体での加算乗算である。

また回復方法は以下の通りである。

• データディスクA・B・C・Dのいずれか一つが破損した場合は、RAID5と同じ。また冗長ディスクP・Qのいずれか一つ乃至は二つが破損した場合は、データディスクA・B・C・Dから再計算する。
• A・B・C・Dのいずれか一つとQが破損した場合は、Pと正常なデータディスクとで破損したデーターディスクを（RAID5と同様に）回復し、Qを再計算する。
• A・B・C・Dのいずれか一つとPが破損した場合は、Qから、破損したデータディスクの位置に8ビットのバースト誤りがあったものとして消失訂正することで回復する。
• A・B・C・Dのいずれか二つが破損した場合は、PとQに関する連立方程式を解いて回復する。

例えばB・Dが破損したとする。

P=A+B+C+D

P-(A+C)=B+D

P+A+C=B+D （加算と減算は共にXORで同一なので）

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

Q=CRC(A+C*4)+CRC(B*2+D*8) （CRCは加算 (XOR) に関して分配法則が成り立つ）

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

Q+CRC(A+C*4)=CRC(B*2+D*8) （加算と減算は共にXORで同一なので）

となるので、この連立方程式を解く。

P+A+C=B+D

P+A+C-B=D

P+A+C+B=D

これを代入して

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

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

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

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

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

Q+CRC(A+C*4)=CRC(B*10+(P+A+C)*8)

Q+CRC(A+C*4)=CRC(B*10+(P+A+C)*8)

Q+CRC(A+C*4)=CRC(B*10)+CRC((P+A+C)*8)

Q+CRC(A+C*4)-CRC((P+A+C)*8)=CRC(B*10)

Q+CRC(A+C*4)+CRC((P+A+C)*8)=CRC(B*10)

ここで、CRCの生成多項式は原始多項式であるので、10と互いに素である。ここから中国の剰余定理を利用してBを算出する。つまり左辺を10（二進法で1010）で割る。 それを

P+A+C+B=D

に代入して D を求める。

RAID Z

RAID ZはRAID 5やRAID 6と似た機構を持ち、速度と耐障害性を向上させたもの。 Oracle社のSolarisやFreeBSDにおいて、ZFSとしてRAID Z1,Z2,Z3が実用化されている。

RAID 5やRAID 6ではパリティ更新時に何らかの障害が発生するとデータとパリティが一致しなくなり、システム上では正常に見えても内部ではデータ破壊が進んでいるという状態（サイレントクラッシュ）に陥るという致命的な欠点がある。またストライプ幅より小さいデータを書き込む際にも、全体のデータとパリティを読み込んで再計算をする必要があるため、パフォーマンスが著しく低下するという弱点も持っている。

RAID Zでは常にストライプ全体への書き込みを行い、コピーオンライトと組み合わせることでRAID 5やRAID 6が持つサイレントクラッシュの問題を完全に回避できる。