Otimizando acesso ao disco com RAID

Apesar de toda a evolução que a computação doméstica sofreu nos últimos anos, nada comercialmente viável foi capaz de substituir o disco-rígido como dispositivo de armazenamento físico num sistema computacional. A razão para isto é simples:

• Baixo custo por megabyte armazenado
• Boa performance se comparado a outros dispositivos de armazenamento

Apesar destas vantagens, os discos-rígidos são, atualmente, os maiores responsáveis pela baixa performance de um sistema computacional. Com o avanço da tecnologia de processamento e memória, o disco-rígido tornou-se o principal gargalo de performance nos computadores domésticos. Para se ter uma ideia, enquanto um processador moderno pode comunicar-se com a memória RAM na casa dos gigabytes por segundo, o acesso ao disco dificilmente passa dos 50 MB/s. Isso é um verdadeiro desperdício, já que há muito tempo existem controladoras de disco capazes de ir muito além desta taxa de transferência. Mesmo computadores antigos, equipados com controladoras PATA (Parallel ATA) podem, teoricamente, transferir dados do disco rígido a partir de 100 MB/s (padrão ATA-100). Para computadores equipados com SATA, temos capacidade de transferir dados a partir de 150 MB/s.
A razão para esta discrepância entre a capacidade da controladora e a real taxa de transferência do disco rígido ocorre porque é fisicamente impossível a um sistema de armazenamento mecânico ser mais rápido que um chip de memória. Ao ler e gravar dados em um disco rígido, todo um aparato de engrenagens e braços de leitura são acionados, e o sistema deve esperar que todo esse "trâmite" seja concluído antes que novas instruções possam ser lidas ou gravadas.
Para tentar contornar este problema os fabricantes de disco vêm, ao longo dos anos, incrementado estes dispositivos com memórias cache cada vez maiores, de modo a tornar o processo de leitura e gravação de dados o mais rápido possível, além de implementar melhorias no próprio processo de gravação de dados. Atualmente, a maior parte dos discos utilizam a tecnologia de gravação perpendicular, o que economiza tempo e espaço físico de armazenamento. Mas isso é assunto para uma outra matéria...
Recentemente, popularizou-se os chamados "Discos Sólidos", que nada mais são que discos não-mecânicos, baseados em uma variante da tecnologia de memória flash (não-volátil) encontrada na maioria dos "chaveiros" USB e cartões de memória SD. Estes discos são capazes de usar quase que toda a largura de banda da controladora de disco, mas ainda custam muito caro, além de não possuirem uma capacidade de armazenamento tão grande quanto a maioria dos usuários deseja. 

 

_{* Discos SSD oferecem desempenho muito superior, mas o custo por megabyte de armazenamento é alto em relação aos discos rígidos tradicionais}

RAID - Aliando performance e baixo custo

Para tentar contornar este problema, você pode fazer uso de uma tecnologia que anteriormente era encontrada somente em servidores e que, já há algum tempo, está disponível para computadores domésticos através de controladoras específicas e até mesmo embutidas nas placas-mãe mais modernas. Trata-se do RAID (Redundant Array of Independent (ou Inexpensive) Disks.
Esta tecnologia consiste em combinar mais de um disco rígido para, basicamente, duas funções: aumentar o desempenho (isto é, acelerar o carregamento de dados do disco através de uma técnica chamada divisão de dados - data stripping ou RAID 0) e/ou; aumentar a confiabilidade (através de uma técnica chamada espelhamento - mirroring ou RAID 1). Dependendo da controladora, essas duas técnicas podem ser usadas isoladamente ou em conjunto.
As controladoras de disco RAID podem trabalhar em diversos modos, sendo que os mais comuns são:

:. RAID 0 (Striping)

Neste modo, é possível combinar mais de um disco para que sejam acessados como se fossem um só, aumentando radicalmente o desempenho da leitura e da escrita de dados. Os dados gravados são fragmentados e os pedaços são espalhados por todos os discos. No momento da leitura, os discos são acessados simultaneamente. Na prática, temos um grande aumento de desempenho e de capacidade de armazenamento. Usando 4 discos de 80 GB por exemplo, você passará a ter um grande disco de 320 GB.
Este modo é o melhor do ponto de vista do desempenho, mas é ruim do ponto de vista da confiabilidade pois, como os dados são fragmentados, caso apenas um disco falhe, todo o conteúdo do volume é perdido.
Uma observação importante sobre este modo é que você deve usar, preferencialmente, discos rígidos idênticos. A utilização de discos de diferentes marcas ou capacidades até é possível, mas o tamanho do volume e a performance ficará limitada ao do disco de menor capacidade.

Entendendo porquê o desempenho praticamente dobra Imagine um computador equipado com dois discos rígidos iguais. Sem o RAID, cada um dos discos é acessado de maneira independente um do outro. Com RAID, modo 0 (striping - ou divisão de dados), os dois discos rígidos farão parte de um mesmo conjunto (volume). Isso significa que o computador irá "pensar" que há apenas uma unidade de armazenamento no sistema, só que maior. Se os dois discos são de 120 GB, por exemplo, então o computador "pensará" que existe um único disco rígido de 240 GB instalado. Na hora de gravar um arquivo no disco, a controladora RAID irá dividir esse arquivo entre os dois discos rígidos, gravando metade do arquivo em um disco e a outra metade do arquivo no outro disco. Tudo isso é feito de maneira transpartente, tanto para o usuário, quanto para o sistema operacional. Mas qual é a vantagem disso? Para você ter uma idéia mais concreta, imagine que você esteja trabalhando com um arquivo de dados relativamente grande, por exemplo 100 MB. Se o seu disco rígido (e a controladora de disco) seguir o padrão ATA-100, isso significa que ele teoricamente transfere dados a 100 MB/s. Dizemos "teoricamente" porque, na prática, essa taxa é mais baixa por uma série de outros fatores que não vêm ao caso agora. Vamos, portanto, continuar com nosso exemplo teórico... Na configuração descrita acima, o arquivo de 100 MB deve demorar 1 segundo para ser transferido. Se usarmos um sistema RAID-0 neste computador, isto é, usarmos dois discos rígidos iguais com divisão de dados e supondo que esses discos são ATA-100, então ocorrerá que o mesmo arquivo será dividido em duas partes de 50 MB e cada uma dessas partes requer apenas 0,5 segundos para ser transferida para o volume. Como o acesso aos dois discos ocorre de forma simultânea, o tempo total de transferência cai pela metade, o que, na prática, siginfica dizer que o desempenho simplesmente dobrou!

 
:. RAID 1 (Mirroring)

Este modo permite usar 2 discos, sendo que o segundo armazenará uma imagem idêntica do primeiro. Na pratica, funciona como se você tivesse apenas um disco rígido instalado, mas, se por algum motivo o disco titular falhar, você terá uma cópia de segurança armazenada no segundo disco. Este é o modo ideal se você quiser aumentar a confiabilidade do sistema.
A observação sobre este modo é que, se você estiver utilizando interfaces IDE (cabo flat paralelo), procure colocar cada um dos discos em conectores distintos, isto melhorará o desempenho. Outro ponto é que, caso os dois discos estejam na mesma interface, como master e slave, você terá que resetar o micro caso o primeiro disco falhe (este problema ocorre em todas as controladoras RAID IDE). Usando um em cada interface a controladora fará a troca sem necessidade de reset. Controladoras SATA não possuem este problema.

Entendendo melhor o espelhamento de dados  O espelhamento, também chamado RAID-1, faz com que o conteúdo de um disco rígido seja inteiramente copiado para outro disco rígido, de forma automática. Ou seja, se você montar um sistema desse em seu computador, o segundo disco rígido será cópia fiel do primeiro. Se o seu disco rígido principal falhar, o segundo entra em ação automaticamente. Veja que maravilha: o espelhamento é um backup automático feito por hardware, aumentando a segurança do seus dados. É claro que esse sistema não dispensa o backup (já que pode acontecer dos dois discos rígidos falharem ao mesmo tempo, embora essa probabilidade seja muito remota - mas existe). De qualquer forma, este esquema oferece uma enorme sensação de segurança para aqueles que não podem perder dados de maneira alguma. O mais legal do espelhamento é que ele é feito automaticamente pela placa-mãe ou placa controladora, não sendo necessário nenhum tipo de configuração no sistema operacional para que o backup seja efetuado (o sistema "pensa" que há apenas um disco rígido no sistema). Outro detalhe interessante é que o espelhamento não precisa ser feito no momento da formatação do disco rígido e instalação do sistema operacional. Você pode pegar um disco contendo dados de anos e iniciar o espelhamento. No momento da configuração, que é feito através de um setup próprio, o conteúdo do disco rígido principal será copiado para o disco rígido de backup (procedimento que demora um pouco, é claro). A divisão de dados e o espelhamento podem ser combinados ao mesmo tempo, em uma configuração normalmente chamada RAID 0+1. Essa configuração necessita de, no mínimo, quatro discos rígidos. A divisão de dados será usada em dois discos para aumentar a velocidade, enquanto que os outros dois discos serão backup dos dois primeiros.

Minha placa-mãe não tem RAID!

Antigamente, implementar RAID necessitava, obrigatoriamente, de uma placa controladora SCSI e de discos SCSI, que são caros. Atualmente, existem vários modelos de placas-mãe com preços bem acessíveis que já vêm com chips controladores RAID IDE ou RAID SATA integrados, permitindo a utilização desse sistema sem a necessidade de nenhum hardware adicional, bastando instalar os discos rígidos e configurar o sistema através de um setup próprio (normalmente pressionando CTRL+[alguma tecla] logo após o computador dar boot (preste atenção no que aparece escrito na tela após a contagem de memória).
Os dois principais fabricantes dos chips controladores RAID para placas-mãe são a Promise (http://www.promise.com) e a HighPoint (http://www.highpoint-tech.com). Em placas-mãe que usam estes tipos chip, você terá mais portas IDE / SATA do que o normal. A maioria deles fazem com que a placa-mãe tenha duas portas IDE extras, totalizando quatro portas IDE, o que eleva para oito o número de dispositivos IDE instalados no PC (até dois por porta). Entretando, o sistema RAID só está disponível nas portas controladas pelo chip RAID, ou seja, você poderá ter até quatro discos rígidos operando em RAID (2 por porta). Em placas SATA, o número pode variar ainda mais. Há placas com 2, 4 ou até 6 portas adicionais.
No entanto, se sua placa-mãe vier desprovida de um desses chips, não entre em pânico! Basta adquirir uma controladora equipada com um deles e seu sistema estará apto a trabalhar com RAID. Não sendo necessário, portanto, trocar a placa-mãe por uma nova. Aliás, é uma boa pedida caso você queira dar uma "turbinada" na performance de um PC antigo. Há, diversos modelos PCI / PCI Express disponíveis no mercado a preços bem acessíveis (muitos por menos de R$ 100,00). Escolhe o seu e divirta-se!

_{* Controladora RAID PCI IDE, ideal para "turbinar" a performance de PCs mais antigos.}

 

_{* Controladora RAID SATA, para quem almeja mais performance}