RAID explicado sem mistério: níveis, o que protege e o que não protege

O que o RAID faz, em uma frase

RAID (do inglês redundant array of independent disks, conjunto redundante de discos independentes) combina dois ou mais discos físicos em um único volume lógico, de modo que o sistema enxerga “um disco” onde existem vários. Dependendo do nível escolhido, o objetivo é disponibilidade (o serviço continua no ar mesmo com um disco morto), capacidade (somar discos em um volume só) ou desempenho (ler e gravar em vários discos ao mesmo tempo).

A palavra-chave é disponibilidade. O RAID foi inventado para que um servidor não precise parar quando um disco falha: você troca o disco com o sistema ligado e a vida segue. Ele não foi inventado para proteger contra arquivos apagados, vírus, roubo ou incêndio, e esse ponto volta mais adiante com todo o destaque que merece.

Para acompanhar as contas deste guia, imagine quatro HDs de 4 TB cada, todos CMR e do mesmo tamanho, como recomenda o guia HD ou SSD. Chamaremos a capacidade de um disco de c e o número de discos de n.

Os níveis que importam: 0, 1, 5, 6 e 10

RAID 0: só desempenho, nenhuma proteção

Os dados são divididos em blocos e distribuídos entre os discos (técnica chamada striping, ou distribuição em faixas). A capacidade útil é a soma de todos (n × c) e a leitura fica mais rápida. Mas se qualquer disco falhar, todos os dados do conjunto são perdidos, porque cada arquivo está espalhado em pedaços por todos eles. Em casa, RAID 0 só faz sentido para dados descartáveis, como um espaço temporário de edição de vídeo que tem cópia em outro lugar.

RAID 1: espelho

Dois discos guardam exatamente o mesmo conteúdo. Tudo que é gravado em um é gravado no outro. Se um falha, o outro continua sozinho com todos os dados. A capacidade útil é a de um disco (c): metade do que você comprou. É a opção mais simples, a mais fácil de recuperar (um disco espelhado pode ser lido sozinho em outro computador) e a mais indicada para NAS de duas baias.

RAID 5: distribuição com paridade simples

Com três ou mais discos, os dados são distribuídos como no RAID 0, mas em cada faixa um dos blocos guarda uma paridade: um cálculo que permite reconstruir qualquer bloco perdido a partir dos demais. A paridade se reveza entre os discos. Capacidade útil: (n − 1) × c. Tolera a falha de um disco. Com quatro discos de 4 TB, sobram 12 TB úteis.

RAID 6: paridade dupla

Igual ao RAID 5, mas com dois blocos de paridade por faixa, calculados de formas diferentes. Precisa de pelo menos quatro discos, tolera a falha de dois discos simultâneos e tem capacidade útil de (n − 2) × c. Com quatro discos de 4 TB, sobram 8 TB. A gravação é mais lenta que no RAID 5, porque há mais paridade para calcular, mas a segurança durante uma reconstrução é muito maior.

RAID 10: espelhos distribuídos

Combina RAID 1 e RAID 0: os discos são agrupados em pares espelhados, e os dados são distribuídos entre os pares. Precisa de pelo menos quatro discos e a capacidade útil é a metade ((n / 2) × c). Tolera a falha de um disco por par; se os dois discos do mesmo par falharem, o conjunto cai. A reconstrução é rápida e leve, porque basta copiar o par, sem recalcular paridade. É a escolha de quem prioriza desempenho e reconstruções tranquilas e aceita gastar metade do espaço.

Capacidade útil e tolerância a falhas: a tabela

Dois detalhes das contas: em todos os níveis, se os discos tiverem tamanhos diferentes, cada um é tratado como se tivesse o tamanho do menor (a exceção são esquemas como o SHR, descritos adiante). E a capacidade que o sistema mostra depois de formatar é sempre um pouco menor que a conta, porque o sistema de arquivos reserva espaço próprio, como explica Sistemas de arquivos: NTFS, ext4, exFAT, Btrfs e ZFS.

A reconstrução: o momento mais perigoso

Quando um disco falha e você coloca um novo no lugar, o RAID precisa reconstruir o conteúdo do disco perdido. No RAID 1 e no RAID 10, isso é uma cópia do par. No RAID 5 e no RAID 6, o sistema precisa ler todos os blocos de todos os discos restantes, do início ao fim, para recalcular o que faltava. Com discos de vários terabytes, isso leva muitas horas ou dias, com os discos trabalhando sem parar.

Aqui entram dois riscos que se somam:

• Falha de um segundo disco. Os discos de um conjunto costumam ter a mesma idade, o mesmo lote e o mesmo histórico de uso. A reconstrução é o maior esforço que eles já fizeram, justamente quando um deles acaba de morrer. Não é raro um segundo disco falhar no meio do processo. No RAID 5, isso significa perda total; no RAID 6, ainda há margem.
• Erro de leitura irrecuperável (URE). Todo disco tem, na folha de dados, uma taxa de erros de leitura que ele não consegue corrigir sozinho, expressa como “um bit a cada tantos bits lidos”. Em discos pequenos, essa taxa era irrelevante. Em uma reconstrução de RAID 5 que lê dezenas de terabytes de uma vez, a chance de encontrar um desses erros deixa de ser desprezível. Quando ele acontece, o controlador não tem de onde recalcular o bloco (o disco de paridade é justamente o que morreu) e, dependendo do sistema, interrompe a reconstrução inteira. É por isso que, para discos grandes, muita gente experiente prefere RAID 6 ou espelhos a RAID 5.

Discos com gravação SMR pioram tudo: a reconstrução grava o disco novo inteiro, e um SMR pode ficar tão lento que o sistema o declara morto. A escolha dos discos, portanto, começa antes do RAID.

RAID por hardware ou por software

O RAID pode ser feito por uma placa controladora dedicada (RAID por hardware) ou pelo sistema operacional (RAID por software). Em casa, o software venceu, e por boas razões.

Por hardware

Uma placa com processador e memória próprios cuida de tudo; o sistema vê um disco só. Era a norma em servidores corporativos. A limitação para uso doméstico é a dependência da placa: se ela queima, você precisa de outra idêntica (ou compatível) para ler os discos. O “RAID” embutido em placas-mãe comuns é ainda pior: é um RAID por software disfarçado, preso ao driver daquele chipset, sem as vantagens de nenhum dos dois mundos. Evite.

Por software

O sistema operacional organiza os discos. Os discos podem ser lidos em qualquer outro computador com o mesmo software, sem placa especial. As opções que você vai encontrar:

• mdadm: o RAID clássico do Linux, maduro e simples. É o que o OpenMediaVault oferece por padrão e serve bem para RAID 1, 5, 6 e 10 sobre ext4. Não verifica a integridade dos dados: se um disco devolver um bloco corrompido sem avisar, o mdadm não percebe.
• ZFS: sistema de arquivos e RAID integrados. Seus níveis se chamam mirror (equivalente ao RAID 1), RAID-Z1 (paridade simples), RAID-Z2 (dupla) e RAID-Z3 (tripla). Cada bloco tem uma soma de verificação, então corrupção silenciosa é detectada e corrigida a partir da redundância. É a base do TrueNAS. Pede mais memória RAM e planejamento, porque expandir um conjunto RAID-Z tem regras próprias.
• Btrfs: também integra sistema de arquivos e RAID, com somas de verificação e snapshots. Os modos RAID 1 e RAID 10 são considerados estáveis; os modos RAID 5 e RAID 6 do Btrfs têm problemas conhecidos documentados pelo próprio projeto e não devem ser usados para dados importantes. Vários NAS prontos usam Btrfs sobre mdadm, combinando a verificação do Btrfs com o RAID clássico.
• SHR (Synology Hybrid RAID): o esquema de um fabricante de NAS pronto, citado aqui como exemplo de RAID “híbrido”. Permite misturar discos de tamanhos diferentes aproveitando mais espaço do que o RAID tradicional, à custa de só funcionar dentro daquele ecossistema. Outros fabricantes têm esquemas semelhantes; o Unraid, pago, também permite discos de tamanhos variados com um disco de paridade separado.

Para verificar o estado de um RAID por software no Linux, dois comandos cobrem os casos mais comuns. Troque md0 e tanque pelos nomes do seu conjunto:

# Estado resumido de todos os conjuntos mdadm (procure por [UU] = discos ok; [U_] = degradado)
cat /proc/mdstat

# Detalhes de um conjunto mdadm específico: estado, discos, progresso de reconstrução
sudo mdadm --detail /dev/md0

# Estado de um pool ZFS: ONLINE, DEGRADED, erros de leitura/gravação/checksum por disco
sudo zpool status tanque

Esses comandos apenas leem o estado; não alteram nada. Eles fazem parte da rotina descrita em Rotina de manutenção.

O que o RAID não protege

Quando não usar RAID em casa

O RAID custa discos, consumo de energia e complexidade. Ele vale a pena quando a indisponibilidade dói: um servidor de mídia que a família usa todo dia, um NAS que recebe backups automáticos de vários computadores, serviços que você não quer reinstalar. Em vários cenários domésticos, porém, ele é dinheiro mal gasto:

• Você tem um único disco de dados e orçamento para mais um. Um segundo disco como backup desconectado protege contra mais coisas do que o mesmo disco como espelho. Compre o backup primeiro, o RAID depois.
• Os dados mudam pouco e ninguém precisa deles às 3 da manhã. Se um disco falhar e você levar dois dias para restaurar do backup, nada acontece. O RAID resolve um problema que você não tem.
• Os discos são externos, por USB. Conversores USB se desconectam, escondem o SMART e confundem o RAID. Conjuntos de discos USB tendem a cair sem motivo aparente.
• Os discos são velhos, de tamanhos e idades diferentes. O RAID tradicional nivela todos pelo menor e pelo mais fraco. Nesse caso, discos separados com um bom backup funcionam melhor.
• A máquina é um Raspberry Pi ou tem pouca memória RAM e você pensou em ZFS. Prefira um esquema simples ou nenhum RAID; o guia Mini PC ou Raspberry Pi trata desses limites.

Quando o RAID fizer sentido, a regra de ouro para um NAS doméstico de quatro baias com discos grandes é: RAID 6 ou RAID 10 em vez de RAID 5; para duas baias, RAID 1. E, em qualquer caso, backup fora do conjunto antes de criar o volume, porque criar o RAID apaga tudo que estava nos discos.

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