RAID

NAS가 쓰고 싶어졌습니다. 그래서 하드 구성을 어떻게 할까 고민하다보니 옛날옛적 정보처리기사를 공부할 때 봤던, RAID 개념이 나오더군요... 드디어 공부한걸 써먹을때가 왔구나 하고 레이드에 대한 정리글을 작성했습니다. 

 

RAID란?

• Redundant Array of Independent Disk
• 여러개의 디스크를 물리적 혹은 논리적으로 하나의 디스크로 묶어서 사용하는 저장 방법

RAID 레벨	데이터 분산 방식	필요한 하드 개수	패리티(Parity) 저장	고장 시 데이터 복구 가능 여부	읽기/쓰기 속도	유효 용량 비율	장점/단점	일반적 사용 사례	데이터 저장 방식
RAID 0 (Striping)	블록 단위 스트라이핑	2개 이상	❌ 없음	❌ 불가능 — 한 개만 고장나도 전체 데이터 손실	🔼 매우 빠름 /🔼 빠름	100%	고속 데이터 접근 /하나만 고장나도 전체 데이터 손실	캐시, 임시 저장, 영상 편집 등	데이터를 조각내서 두 하드에 나눠 저장
RAID 1 (Mirroring)	동일 데이터 복제	짝수 단위	❌ 없음	✅ 가능 — 한 쪽이 망가져도 나머지에서 복원	🔼 빠름 /➖ 약간 느림	50%	데이터 안전성 높음/용량 효율 낮음	서버 시스템, NAS, 중요 문서	두 하드에 완전히 같은 데이터 복제
RAID 2	비트 단위 스트라이핑	7개 이상	✅ 해밍 코드	✅ 가능 — 오류 검출/수정 가능	🔽 느림 /🔽 느림	(N-1)/N	이론적 오류 검출 정확도/비효율적, 거의 사용 안 함	교육/연구용	데이터는 여러 하드에 비트 단위로 쪼개 저장, 한 하드에 해밍 코드(오류 검출용) 저장
RAID 3	바이트 단위 스트라이핑	3개 이상	✅ 전용 패리티 디스크	✅ 가능 — 1개 하드 고장까지 복구 가능	🔼 빠름 /🔽 느림 (패리티 병목)	(N-1)/N	연속 데이터 처리 우수/단일 패리티 디스크 병목	대형 파일 처리 (비디오)	여러 하드에 바이트 단위로 분산 저장, 한 하드는 패리티(복구용 데이터) 전용
RAID 4	블록 단위 스트라이핑	3개 이상	✅ 전용 패리티 디스크	✅ 가능 — 1개 고장 복구 가능	🔼 빠름 /🔽 느림 (패리티 병목)	(N-1)/N	무결성 검증 가능/RAID3과 유사, 병목	대용량 읽기 중심 서버	RAID 3과 유사하지만 블록 단위 분산 저장, 패리티 하드 1개
RAID 5	블록 단위 스트라이핑	3개 이상	✅ 분산 패리티	✅ 가능 — 1개 고장까지 복구 가능	🔼 빠름 /➖ 중간	(N-1)/N	읽기 성능+복구 균형/복구 시간 길고 패리티 오버헤드	일반 서버, NAS, DB	데이터와 패리티를 모든 하드에 분산 저장
RAID 6	블록 단위 스트라이핑	4개 이상	✅ 이중 패리티	✅ 가능 — 2개 하드 고장까지 복구 가능	🔼 빠름 /🔽 느림	(N-2)/N	높은 내결함성/쓰기 성능 저하	미션 크리티컬 서버, 백업 NAS	RAID 5처럼 분산 저장 + 패리티 2개

 

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용어 설명

Stripe (스트라이프)	각 디스크의 블록으로 이루어진 데이터 한 줄로, 스트라이프n은 각 디스크의 n번째 블록으로 이루어진 데이터 한 줄
Stripe size (스트라이프 크기)	각 디스크의 블록 크기 × 데이터 디스크 수
Stripe depth (또는 chunk size)	한 디스크 내에서 스트라이프에 해당하는 블록의 크기 (블록 크기)
Stripe width	데이터가 실제로 분산되는 디스크 개수 (패리티 제외)

 

그래서 패리티비트랑 해밍코드가 뭔데?

https://archiventum.tistory.com/79

예시

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• 원본 20비트 1010101010101010를 예시로 하겠습니다.
• N1 N2 N3 N4 N5 N6(PADDING) = 1010 | 1010 | 1010 | 1010 | 1010 | 0000
• 편의를 위해 5개의 니블로 분리하겠습니다. 실제로는 0,1,4,5,6은 블록 단위 / 2는 비트 단위 / 3은 바이트 단위로 구성됩니다.

레이드 0

최소 2개의 디스크로 구성됩니다.

Disk1: N1, N3, N5   = 1010 | 1010 | 1010
Disk2: N2, N4       = 1010 | 1010
Parity: 없음

때문에 1개의 하드디스크가 손상되는 경우 복구 자체가 불가능합니다.

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레이드 1

최소 2개 단위의 디스크로 구성됩니다.

Disk1: N1 N2 N3 N4 N5 = 10101010101010101010
Disk2: N1 N2 N3 N4 N5 = 10101010101010101010
Parity: 없음

때문에 1개의 하드디스크가 손상되는 경우 동일한 데이터를 가진 하드디스크가 있기 때문에 복구 가능하지만, 사용 가능한 용량이 50%입니다.

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레이드 2

RAID 2는 구현이 드물고, ECC(해밍) 설계에 따라 디스크 수가 달라집니다. 예시에서는 Hamming(7,4)를 사용합니다.

• Hamming(7,4) = 4데이터디스크+3패리티디스크의 구조

각 니블에 대해 해밍 패리티(1,2,4번 위치) 계산은 다음과 같습니다.

• 데이터 비트 위치: 3(d1), 5(d2), 6(d3), 7(d4)
• 패리티 비트: 1(p1), 0(p2), 1(p3)

예시에서는 모든 니블로 구분한 데이터의 값이 같으므로 같은 값이 저장 됨.

비트 위치 D1 D2 D3 D4 P1 P2 P3

1	1	0	1	0	계산된 해밍	계산된 해밍	계산된 해밍
2	1	0	1	0	계산된 해밍	계산된 해밍	계산된 해밍
3	1	0	1	0	계산된 해밍	계산된 해밍	계산된 해밍
…	…	…	…	…	…	…	…

때문에 1개의 디스크 고장(단일 비트 오류 수준)까지 복구 가능합니다. 하지만 효율이 너무 떨어져서 실질적으로는 이론상 있는 개념입니다.

• 실제 저장되는 데이터는 해밍비트를 포함해야돼서 100GB를 Hamming(7,4)를 통해 저장하면 총 175GB가 저장되게 됩니다.

1. 해밍 코드와 다른 데이터 비트들을 읽음
2. 비트 단위 XOR 계산으로 잘못된 비트 위치를 파악
3. 손상된 디스크의 해당 비트를 다시 계산해 복원
   • 복구는 정교하지만, 디스크 단위로 병렬 접근이 어려워 실제 제품에는 거의 사용되지 않음

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레이드 3(단일 패리티 디스크 복구)

최소 3개 디스크로 구성되며 2개는 데이터를 저장하는데, 1개는 패리티비트를 저장하는데 사용됩니다.

EX.text = "ABCDEFG"
        
         D1 D2  D3
Stripe 1: A B P=0000
Stripe 2: C D P=0000
Stripe 3: E F P=1010

때문에 1개 디스크가 손상되어도 복구가 가능합니다. 하지만 전용 패리티 디스크가 병목이 되는 단점이 있습니다.

파일을 입력할때 1바이트씩 나눠서 저장되기 때문에 파일을 읽을때도 모든 디스크를 사용하여 1바이트씩 읽어야함.

• 어? 레이드 4에서도 똑같은거 아닌가?
  • 레이드3은 연속적인 데이터를 분리했기때문에 읽을 때 모든 데이터가 필요하지만 레이드 4에서는 해당하는 데이터가 담긴 블록만 확인하면 됨

1. 남은 모든 디스크의 데이터를 블록 단위로 읽음
2. XOR 연산을 수행하여 손실된 블록을 계산
3. 새 디스크에 계산된 블록을 다시 씀
   • 연속 I/O(대형 파일)에서는 좋지만, 패리티 디스크가 병목이므로 현대 시스템에서는 거의 안 씀

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레이드 4(블록 단위 단일 패리티 복구)

최소 3개 디스크로 구성되며 2개는 데이터를 저장하는데, 1개는 패리티비트를 저장하는 디스크로 사용됩니다.

레이드 3과 비슷하지만 접근방식이 블록단위입니다.

						  D1        D2        D3(P)
Stripe 1: [N1=1010], [N2=1010], [P=0000]
Stripe 2: [N3=1010], [N4=1010], [P=0000]
Stripe 3: [N5=1010], [N6=0000], [P=1010]

때문에 1개 디스크(데이터 패리티 어느쪽이든)가 손상되어도 복구가 가능합니다.

복구 순서

1. 남아 있는 디스크의 동일 위치 블록들을 모두 읽음
2. XOR 연산으로 패리티 블록과 비교
3. 손실된 디스크의 블록을 재계산 후 새 디스크에 씀
   • RAID 3보다 랜덤 읽기 성능은 높지만, 패리티 디스크 병목 문제는 동일

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레이드 5(분산 패리티 복구)

최소 3개 디스크로 구성되며 레이드 4와는 다르게 패리티비트가 분산되어 저장됩니다.

              D1        D2        D3
Stripe 1:  [N1=1010] [N2=1010] [P=0000] → Parity on Disk3
Stripe 2:  [N3=1010] [P=0000] [N4=1010] → Parity on Disk2
Stripe 3:  [P=1010] [N5=1010] [N6=0000] → Parity on Disk1

때문에 1개 디스크가 손상되어도 복구가 가능합니다.

1. 손실된 디스크를 새 것으로 교체
2. RAID 컨트롤러가 자동으로 “리빌드(Rebuild)” 수행
3. 손실된 디스크의 데이터를 나머지 디스크들의 데이터 + 패리티 ****XOR로 계산
   • 복구 중에는 성능 크게 저하됨.
   • 복구 도중 다른 디스크가 손상되면 전체 데이터 손실 위험 존재

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레이드 6(이중 패리티 복구 (P, Q 블록))

최소 4개의 디스크로 구성되며 데이터디스크 2개, 패리티를 P와 Q로 분산하여 2개의 디스크에 저장합니다. (P = XOR, Q = Reed–Solomon(다른 다항 기반))

             D1         D2             D3             D4
Stripe 1: [N1=1010], [N2=1010],     [P=0000],  [Q=RS(N1,N2)]
Stripe 2: [P=0000],  [Q=RS(N3,N4)], [N3=1010],     [N4=1010]
Stripe 3: [N6=0000], [P=1010],      [Q=RS(N6,N5)], [N5=1010]

때문에, 2개의 디스크가 손상되어도 복구가 가능합니다.

단순 XOR(P) + Reed-Solomon 코드(Q)를 이용해 2개의 디스크 손실 복구

1. 새 디스크를 삽입
2. 컨트롤러가 P, Q 패리티를 이용해 손실 블록을 수학적으로 계산 (Reed-Solomon 알고리즘)
3. 새 디스크에 데이터 재작성
   • 복구 안정성은 매우 높지만, 복구 속도 느림 (패리티 2배 계산 필요)