Sistemes SAN i nivells de RAID

Elaboració pròpia: la font és de pagament i no es reprodueix

Enunciat oficial. Sistemes SAN i Nivells de RAID (Redundant Array of Independent Disks).

1. Arquitectures d'emmagatzematge

Les tres arquitectures clàssiques es distingeixen per on són els discos i, sobretot, per què veu el servidor: blocs —un disc que ell mateix particiona i formata— o fitxers que ja li serveix un altre.

• DAS (Direct Attached Storage): discos connectats directament a un sol servidor per SAS, SATA o NVMe, sense cap xarxa pel mig. Accés a bloc, la latència i el cost més baixos; a canvi no es pot compartir, i cada servidor acaba amb la seva illa de capacitat, una mig buida i l'altra plena.
• NAS (Network Attached Storage): un dispositiu complet —amb maquinari i programari propis— que té la seva pròpia adreça IP i serveix fitxers a servidors i estacions per NFS (Network File System), SMB (Server Message Block)/CIFS o FTP (File Transfer Protocol). Qui manté el sistema de fitxers és la NAS; el client hi veu carpetes compartides i deixa de dependre de servidors amb discos interns.
• SAN: una xarxa dedicada exclusivament a l'emmagatzematge, que connecta els servidors amb les cabines i els lliura blocs. El servidor hi veu un disc —un LUN— i hi posa a sobre el sistema de fitxers que vulgui.

SAS (Serial Attached SCSI) i SATA (Serial Advanced Technology Attachment) són les interfícies físiques dels discos de la fila «Protocol»; CIFS (Common Internet File System) és el dialecte amb què Microsoft va implementar originalment el protocol SMB per compartir fitxers en xarxa.

La frontera que es pregunta és aquesta: la NAS dona fitxers per la xarxa d'ús general, i la SAN dona blocs per una xarxa pròpia. Una base de dades, el disc d'una màquina virtual o un clúster que necessita disc compartit demanen blocs; un directori compartit entre persones, fitxers.

Emmagatzematge d'objectes (Amazon S3, Ceph RGW (Rados Gateway), MinIO): la tercera manera d'accedir a les dades, al costat del bloc i del fitxer. No lliura ni discos ni carpetes, sinó objectes —la dada amb les seves metadades— identificats per una clau i accessibles per API (Application Programming Interface) HTTP (Hypertext Transfer Protocol), sense jerarquia de directoris. Escala de manera massiva i barata, i admet bloqueig d'objectes (object lock, WORM (Write Once Read Many)), que és el que el fa idoni per a còpies i arxiu → tema 57. També és el substrat dels data lakes → tema 32.

2. La SAN

Segons la SNIA (Storage Networking Industry Association), l'objectiu d'una SAN (Storage Area Network) és transferir dades entre sistemes informàtics i elements d'emmagatzematge: és una xarxa dedicada d'alt rendiment que proporciona accés a nivell de bloc a dispositius d'emmagatzematge consolidats des de múltiples servidors, de manera que la capacitat aparegui davant el sistema operatiu com si fos local. Dit d'una altra manera, desacobla l'emmagatzematge dels servidors per gestionar-lo de manera centralitzada, compartida i escalable.

Aquesta formulació de la SNIA —«transferir dades entre sistemes informàtics i elements d'emmagatzematge»— és la que apareix literalment als exàmens, i és la resposta correcta quan la pregunta demana l'objectiu d'una SAN.

Beneficis: consolidació i millor aprofitament de la capacitat, alta disponibilitat (multicamí, redundància), rendiment, escalabilitat independent de còmput i emmagatzematge, funcions avançades de la cabina (instantànies, replicació, clonatge, thin provisioning) i l'habilitació de la virtualització i dels clústers, que necessiten disc compartit.

2.1 Components

• Cabina d'emmagatzematge (array): controladores redundants, memòria cau, discs (SSD (Solid State Drive)/NVMe, SAS, NL (Near-Line)-SAS) i el programari de gestió.
• HBA (Host Bus Adapter) als servidors, o CNA (Converged Network Adapter) en FCoE.
• Commutadors (switches) de la SAN, formant el fabric; en Fibre Channel, dos fabrics independents (A i B) per redundància total.
• Cablatge de fibra òptica.
• Programari de multicamí (multipathing) al servidor, que gestiona diversos camins cap al mateix LUN i fa failover i balanceig.

2.2 Protocols

Tots els protocols de SAN fan la mateixa feina —portar ordres SCSI (Small Computer System Interface), o NVMe (Non-Volatile Memory Express), entre un iniciador (el servidor) i un objectiu (target, la cabina)— i es diferencien pel transport que utilitzen, i per tant pel preu i per la latència.

• FC (Fibre Channel): xarxa dedicada i sense pèrdues (lossless), amb el seu cablatge, els seus commutadors i la seva pila pròpia; no va sobre TCP/IP. Velocitats de 8, 16, 32 i 64 Gbps i latències molt baixes i previsibles. Cada port té una adreça mundial única, el WWN (World Wide Name), que és la identitat amb què es zonifica; la topologia normal és el fabric commutat, mentre que la punt a punt i l'anell FC-AL (Fibre Channel Arbitrated Loop) estan en desús. És la millor opció en rendiment i estabilitat, i la pitjor en cost i en dependència de personal especialitzat.
• iSCSI: encapsula les mateixes ordres SCSI dins de TCP (Transmission Control Protocol) i IP (Internet Protocol) i les fa viatjar per Ethernet corrent, de manera que no calen ni cablatge ni commutadors nous. Els extrems s'identifiquen amb un IQN (iSCSI Qualified Name) de la forma iqn.2001-04.com.exemple:cabina1; l'iniciador descobreix els objectius preguntant al portal de la cabina i s'hi autentica normalment amb CHAP (Challenge-Handshake Authentication Protocol). Com que comparteix mitjà amb la resta del trànsit, convé xarxa dedicada o VLAN (Virtual Local Area Network) aïllada, jumbo frames, control de flux i targetes que descarreguin el processament de TCP. És molt més barat i el gestiona l'equip de xarxa de sempre, però hereta la latència i la variabilitat d'Ethernet.
• FCoE (Fibre Channel over Ethernet): FC encapsulat en Ethernet amb DCB (Data Center Bridging), que és el que hi aporta el comportament sense pèrdues.
• NVMe over Fabrics (NVMe-oF): l'evolució d'alt rendiment, que substitueix el joc d'ordres SCSI pel de NVMe sobre FC, RoCE o TCP.
• NFS i SMB són de NAS, no de SAN: serveixen fitxers, no blocs, i és el parell de distractors habitual.

2.3 Conceptes de gestió

• LUN (Logical Unit Number): la unitat lògica que la cabina presenta al servidor com si fos un disc. No és un disc físic —normalment és una porció d'un pool repartit entre molts— ni és el volum que el sistema operatiu hi construeix a sobre.
• Zoning (al switch): defineix quins iniciadors poden veure quins objectius. Bona pràctica: zonificació per un sol iniciador (single initiator zoning).
• LUN masking (a la cabina): quins servidors poden accedir a quins LUN. El zoning tanca la porta de la xarxa i el LUN masking la del calaix; són dos controls diferents i s'apliquen en aquest ordre.
• Thin provisioning: assignar capacitat lògica superior a la física real, consumint-la a mesura que s'escriu, davant del thick provisioning, que la reserva sencera per endavant. Estalvia molt però exigeix vigilar l'ocupació real: si el pool s'omple, s'aturen alhora tots els volums que en pengen.
• Instantànies (snapshots), clons, replicació síncrona i asíncrona, deduplicació i compressió, tiering automàtic entre nivells de disc, QoS (Quality of Service) per LUN.
• Multicamí amb polítiques round robin o least queue depth.

2.4 Virtualització de l'emmagatzematge

La virtualització de l'emmagatzematge abstrau els discos i les cabines físiques de la seva ubicació i el seu maquinari concret, i els presenta com un pool lògic de capacitat del qual es reparteixen volums. Serveix per agregar cabines de fabricants diferents en un sol conjunt, moure dades entre elles sense aturar el servei i aplicar en un sol lloc funcions com el thin provisioning o les instantànies. S'implementa en tres llocs: al servidor (gestor de volums o hipervisor), a la pròpia cabina, o en un dispositiu intermedi a la xarxa, davant de les cabines existents.

SDS (Software-Defined Storage, emmagatzematge definit per programari), segons la SNIA: separa el programari de gestió de l'emmagatzematge del maquinari físic subjacent, oferint una gestió flexible, escalable i automatitzada dels recursos de dades, amb independència del maquinari on s'executen, encara que sigui heterogeni o de diversos fabricants. És la resposta quan un enunciat descriu exactament això, i no s'ha de confondre amb una NAS (que és maquinari concret d'accés a fitxer), amb l'SDN (Software-Defined Networking, que fa el mateix però per a xarxes) ni amb serveis de xarxa com una VPC (Virtual Private Cloud) o una CDN (Content Delivery Network).

• HCI (Hyper-Converged Infrastructure, infraestructura hiperconvergida): cas particular d'SDS on el disc local de cada servidor s'agrega per programari en un pool compartit (vSAN, Ceph, Storage Spaces Direct), i desapareix la cabina dedicada.
• Altres tendències: all-flash arrays i NVMe de punta a punta.

3. RAID

RAID (Redundant Array of Independent Disks): tècnica que combina diversos discs físics en una unitat lògica per obtenir redundància, rendiment o capacitat. Treballa sempre a nivell de bloc —no de fitxer ni d'objecte—, i per això és transparent per al sistema de fitxers que hi ha a sobre.

El mètode d'emmagatzematge de les dades en RAID es basa en tres tècniques que es combinen:

• Segmentació o striping: les dades es divideixen en blocs (stripes) que es reparteixen entre diversos discs, de manera que les operacions es fan en paral·lel i el rendiment es multiplica. Tota sola no aporta cap redundància.
• Rèplica o mirroring: les dades s'escriuen de manera idèntica en dos o més discs, de manera que cadascun sol les pot servir senceres.
• Paritat: s'emmagatzema informació de control calculada amb XOR (eXclusive or) que permet reconstruir les dades d'un disc perdut a partir dels altres, sense haver de duplicar-lo sencer.

3.1 Nivells

Fórmules útils: capacitat útil de RAID 5 = (n−1) × mida del disc més petit; de RAID 6 = (n−2) × mida; de RAID 1 i 10 = 50 %.

3.2 Consideracions

• Penalització d'escriptura (write penalty): és el nombre d'operacions físiques de disc que costa una sola escriptura lògica, i es dedueix, no es memoritza. En RAID 0 és 1. En RAID 1 i 10 és 2, perquè el mateix bloc s'escriu als dos discs del mirall. En RAID 5 és 4: cal llegir la dada antiga, llegir la paritat antiga, escriure la dada nova i escriure la paritat recalculada. En RAID 6 és 6, perquè hi ha dues paritats i cadascuna s'ha de llegir i tornar a escriure.
• Què costa això a la pràctica: amb 1.000 IOPS demanades per l'aplicació i un 30 % d'escriptures, els discs han de donar 700 + 300 × 4 = 1.900 IOPS en RAID 5, 700 + 300 × 6 = 2.500 en RAID 6 i només 700 + 300 × 2 = 1.300 en RAID 10. Per això el RAID 10 és l'opció de les càrregues intensives d'escriptura, encara que la seva capacitat útil sigui la meitat. La memòria cau de la controladora i les escriptures de franja sencera amorteixen la penalització, però no la fan desaparèixer.
• Reconstrucció (rebuild): amb discs de 10–20 TB (Terabyte) pot durar dies, durant els quals el conjunt està degradat i el risc d'una segona fallida és alt. D'aquí la recomanació de RAID 6 o RAID 10 en lloc de RAID 5.
• RAID per maquinari (controladora amb memòria cau i bateria) vs per programari (mdadm, ZFS, Storage Spaces). ZFS (Zettabyte File System) i Ceph aporten RAID-Z i codis d'esborrat (erasure coding) amb integritat verificada per suma de comprovació.
• Erasure coding: generalització de la paritat per a l'emmagatzematge d'objectes distribuït; més eficient que la rèplica triple.

3.3 El principi que no s'ha d'oblidar

El RAID no és una còpia de seguretat. Protegeix davant la fallida física d'un disc, i no davant l'esborrat accidental, la corrupció lògica, el ransomware, l'error humà ni la pèrdua del centre de processament de dades. La raó és que la redundància és simultània: el bloc equivocat s'escriu al mateix instant a tots els discs del conjunt, mirall inclòs. Contra tot això només protegeix una còpia de seguretat separada, verificada i immutable → tema 57.

4. Tolerància a fallades en l'emmagatzematge

El RAID només cobreix una de les maneres en què es perd la disponibilitat de les dades: que mori un disc. Un sistema d'emmagatzematge tolerant a fallades ho ha de ser a tots els nivells del camí entre l'aplicació i el plat del disc, perquè qualsevol component que estigui sol és un punt únic de fallida.

• Disc de reserva (hot spare): disc instal·lat i alimentat però sense dades, que la controladora incorpora automàticament al conjunt en fallar-ne un altre. Pot ser dedicat a un conjunt o global per a tota la cabina.
• Mode degradat: un conjunt amb un disc mort continua servint dades, però amb el rendiment caigut, perquè el que hi falta s'ha de recalcular a partir de la paritat. La finestra de reconstrucció és el moment de més risc de la vida del conjunt: mentre dura, un RAID 5 no tolera res més.
• Intercanvi en calent (hot swap): discos, fonts, ventiladors i controladores es canvien sense aturar la cabina, i el microprogramari s'actualitza controladora a controladora sense interrompre el servei.
• Detecció abans de la fallada: verificació periòdica de superfície (patrol read o scrubbing) i sumes de comprovació de punta a punta —ZFS, Ceph— per trobar els errors latents abans que els trobi la reconstrucció.
• On acaba: la redundància local evita la interrupció dins d'una ubicació; recuperar-se de la pèrdua de la ubicació sencera ja és continuïtat, es mesura amb RPO (Recovery Point Objective) i RTO (Recovery Time Objective) i es planifica al pla de recuperació de desastres → tema 58.

5. Requisits d'un plec d'emmagatzematge

Els requisits que cal exigir en les prescripcions tècniques d'una cabina, i que apareixen a les preguntes de supòsit:

• Capacitat útil (no bruta) i creixement previst a tres o cinc anys.
• Rendiment: IOPS (Input/Output Operations Per Second), ample de banda (MB/s, Megabyte per segon) i latència per a un perfil de càrrega definit, amb el percentatge d'escriptures, que és el que decideix el nivell de RAID.
• Nivells de RAID suportats i suport per maquinari al nivell exigit.
• Redundància: controladores actives-actives, fonts i ventiladors redundants, camins múltiples, sense punts únics de fallida.
• Protocols (FC, iSCSI, NVMe-oF) amb els seus ports i velocitats, i escalabilitat en capacitat i rendiment amb actualització sense interrupció.
• Funcions: instantànies, replicació síncrona i asíncrona, thin provisioning, deduplicació i compressió, instantànies immutables contra el ransomware, xifratge en repòs.
• I el que no és tècnic i sol quedar fora: gestió (consola, API, integració amb la virtualització), suport i fi de suport compromès, migració i reversibilitat, i compliment —esborrat segur certificat en la retirada, conformitat amb l'ENS—.

Claus d'examen

• La SAN es defineix per la xarxa dedicada i l'accés a bloc, no per una tecnologia concreta: quan el supòsit demana «una xarxa per a la transferència de dades entre sistemes informàtics i elements d'emmagatzematge», la resposta és SAN, i els distractors solen ser una altra xarxa (MPLS (Multiprotocol Label Switching), connexió LAN (Local Area Network) to LAN) o un altre model d'emmagatzematge (cabina d'objectes S3) (TS-TIC 2023, s3 p18; TS-TIC 2025, s0 p62).
• SDS és la resposta quan l'enunciat descriu una gestió «flexible, escalable i automatitzada» dels recursos de dades «independentment del maquinari físic»: no confondre amb una NAS (maquinari concret), amb SDN (que és de xarxes), amb una VPC o amb una CDN (TS-TIC 2023, s3 p17; TS-TIC 2025, s4 p8).
• El mètode d'emmagatzematge del RAID és el bloc; «arxiu», «objecte» i «catàleg de referències» són distractors ja caiguts (TS-TIC 2023, s0 p29).
• RAID 0 cau per la manca de redundància: «divisió de dades sense redundància» i «inadequat per a sistemes crítics» són les dues formulacions vistes (TS-TIC 2025, s4 p2 i p27).
• RAID 5 té una paritat distribuïda entre tots els discs i tolera un disc; RAID 6 en té dues i tolera dos. El distractor fi és la paritat en un disc dedicat, que és de RAID 3/4 (TS-TIC 2023, s3 p19; TS-TIC 2025, s4 p3).
• La penalització d'escriptura és aritmètica i es pot preguntar: 4 en RAID 5, 6 en RAID 6, 2 en RAID 1 i 10.

Per recordar

• DAS = directe; NAS = fitxers per IP (NFS/SMB); SAN = blocs per xarxa dedicada (FC/iSCSI).
• L'objectiu de la SAN segons la SNIA és transferir dades entre sistemes informàtics i elements d'emmagatzematge, amb accés a bloc i desacoblant la capacitat dels servidors.
• FC és xarxa pròpia i sense pèrdues; iSCSI és SCSI dins de TCP/IP sobre Ethernet corrent. Mateixes ordres, transport i preu diferents.
• LUN, zoning (al switch), LUN masking (a la cabina) i multicamí al servidor.
• RAID combina striping, mirroring i paritat, i sempre treballa a nivell de bloc.
• RAID 0: només striping, sense redundància; si falla un disc, es perd tot.
• RAID 1: còpia exacta de les dades; mínim 2 discs.
• RAID 5: paritat distribuïda (mai dedicada), tolera 1 disc, capacitat n−1, mínim 3 discs.
• RAID 6: doble paritat, tolera 2 discs simultanis; aquesta és la diferència amb el RAID 5.
• RAID 10: millor rendiment i reconstrucció; 50 % de capacitat útil.
• Penalització d'escriptura: RAID 1/10 → 2, RAID 5 → 4, RAID 6 → 6.
• El RAID no és una còpia de seguretat, i la tolerància a fallades local no és continuïtat.