Un paso más allá del RAID: DXi y agrupaciones

RESEÑA TECNOLÓGICA
Un paso más allá del RAID:
DXi y agrupaciones dinámicas
de discos
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ÍNDICE
Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
La tecnología RAID ya no es "lo bastante buena" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Discos más grandes, recreaciones más largas y más errores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
El nivel RAID 6: un parche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Los discos hot spare desperdician recursos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
La referencia RAID 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Un paso más allá del RAID: agrupaciones dinámicas de discos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Distribución del volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Bandas dinámicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
El interior de las bandas dinámicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Fallo de disco y recuperación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Ventajas de las DDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Rendimiento constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Mejor protección de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Extrema versatilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Conclusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
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Un paso más allá del RAID: DXi y agrupaciones dinámicas de discos
RESEÑA TECNOLÓGICA
RESUMEN
Las deficiencias y los fallos del sistema RAID tradicional son de sobra conocidos y se hacen cada vez más evidentes
a medida que aumenta la capacidad de los discos. Existen múltiples tecnologías y métodos alternativos para
almacenamiento primario, pero no se han usado nunca con sistemas de almacenamiento secundario, como los
dispositivos de copia de seguridad en disco. Quantum está abriendo el camino más allá del "territorio RAID" con
la serie DXi®, que se basa en la tecnología de agrupaciones dinámicas de discos (DDP) por su capacidad para
proporcionar un rendimiento más constante, mayor protección de los datos y una extrema versatilidad.
La DDP es el último hallazgo de la inversión permanente de Quantum en tecnología de almacenamiento de datos
de última generación y viene a unirse a un amplísimo abanico de soluciones que incluye la deduplicación, el sistema
de archivos y gestión de datos de alto rendimiento StorNext®1 y el sistema de almacenamiento de objetos Lattus™2.
Esta reseña tecnológica compara la tecnología DDP con la RAID tradicional y destaca las importantes ventajas
comerciales que brinda la DDP cuando se usa con un dispositivo de copia de seguridad de disco como
Quantum DXi6900.
INTRODUCCIÓN
Las técnicas RAID han sido el estándar de facto para el almacenamiento de datos empresariales prácticamente
desde que Patterson, Gibson y Katz acuñaron el término en su artículo de 1988 para la universidad de Berkeley
"A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID)"3 (disponible sólo en inglés). Hoy, más de dos décadas
después, la realidad de la tecnología actual de discos duros ha magnificado las limitaciones del RAID y se han
desarrollado nuevas tecnologías que los mejoran de múltiples modos. Esta reseña tecnología describe una de esas
tecnologías "más allá del RAID": las agrupaciones dinámicas de discos o DDP, que se utilizan en el nuevo dispositivo
de deduplicación basado en disco Quantum DXi6900.
LA TECNOLOGÍA RAID YA NO ES "LO BASTANTE BUENA"
Cualquiera que lleve un tiempo trabajando en el campo del almacenamiento de datos recordará sin duda su primera
matriz RAID 5 y la liberación que supuso no tener que restaurar desde la cinta cada vez que fallaba un disco.
Seguramente también recordará, con todo lujo de detalles, la primera vez que RAID 5 le dejó en la estacada por un
fallo de disco doble, un error irreparable de lectura o cualquier otro problema que le condenaba a volver a la cripta
para recuperar las cintas de seguridad.
El hecho de que la tecnología RAID puede fallar no es noticia y se ha escrito mucho sobre todos sus posibles fallos.
Esta situación llevó a Henry Newman a concluir en 2009 que los días del RAID estaban contados "RAID’s Days
May Be Numbered"4 (disponible solo en inglés)] y a postular que técnicas como la desagrupación RAID5 serían cada
vez más necesarias.
La mayoría de los proveedores de almacenamiento primario entienden los riesgos del RAID tradicional, como
demuestra la proliferación de implementaciones RAID híbridas o anidadas, como los niveles RAID 10, 50 y 60
y las variantes exclusivas de los proveedores. Los proveedores del sistema NAS ampliable han apostado por RAIN,
que es básicamente RAID a nivel del nodo. Los mercados verticales que hacen un uso intensivo de "Big Data"
ya están migrando a arquitecturas de almacenamiento de área amplia como Quantum Lattus2, mucho más flexibles
y resilientes que RAID. El almacenamiento secundario —inclusive si el destino de copia es el disco— está sujeto
a los mismos riesgos que el primario, pero los proveedores de almacenamiento secundario no han reconocido
ni afrontado las limitaciones de los RAID hasta ahora.
Un paso más allá del RAID: DXi y agrupaciones dinámicas de discos
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Discos más grandes, recreaciones más largas y más errores
Los discos de 3 TB son ya habituales en las aplicaciones empresariales y los de 4 TB empiezan a extenderse.
Esta creciente densidad está agravando los problemas de la tecnología RAID de varios modos. A medida que aumenta
la capacidad del disco lo hacen los tiempos de recreación. Las recreaciones más prolongadas se traducen en una
mayor posibilidad de pérdida de datos y en una importante reducción de la productividad mientras se está realizando
la recreación.
Otro efecto secundario del incremento de la densidad es la mayor probabilidad de que se produzca un error
de lectura irreparable (URE) durante el proceso de recreación. La fiabilidad de los discos no ha mejorado al mismo
ritmo que su densidad2, lo que hace que haya más posibilidades que nunca de encontrarse con un URE durante una
recreación. En el mejor de los casos, nos toparemos con un retraso; en el peor, se perderán todos los datos
del conjunto RAID. Además, las especificaciones de errores de los fabricantes de discos no tienen en cuenta
los errores que pueden aparecer en el hardware del controlador, el software o las rutas de datos, por lo que
la fiabilidad del sistema está por debajo de la del disco. Resumiendo, la tendencia de la línea densidad-fiabilidad
no va en la dirección adecuada.
El nivel RAID 6: un parche
Estos problemas han llevado a la generalización del RAID 6 y su doble paridad. Si se produce un error al leer
la primera copia de paridad debido a un fallo del disco, la segunda copia viene al rescate. Contar con una matriz
RAID que soporte dos fallos simultáneos de disco sin pérdida de datos es una buena idea, pero simplemente
posterga el problema. La densidad de disco seguirá aumentando y finalmente será necesaria una tercera copia
de la información u otra estrategia alternativa.
Los discos hot spare desperdician recursos
En la arquitectura RAID tradicional se usan discos "hot spare" para minimizar el margen de vulnerabilidad tras
un fallo del disco. Si se produce un error, el controlador de la matriz inicia inmediatamente una recreación en un
disco hot spare. Cuando se sustituye la unidad que ha fallado, bien se convierte en un disco hot spare, bien se vuelven
a copiar los datos recuperados desde el disco hot spare, según cómo esté configurada la matriz. Normalmente,
cuanto mayor es la matriz, más discos hot spare se asignan para compensar el incremento del riesgo de fallos.
En una matriz grande puede haber cinco, diez o incluso más discos hot spare a la espera de un fallo.
Estos discos hot spare son un desperdicio de recursos. Están parados, esperando, consumiendo espacio y energía,
generando calor pero sin que su rendimiento contribuya a aligerar la carga de trabajo. ¿Y si hubiera alguna forma
de aprovechar estos elementos adicionales manteniendo al mismo tiempo su capacidad hot spare para hacer frente
rápidamente a los inevitables fallos de disco?
La referencia RAID 6
Para entender las ventajas de las DDP hay que saber
cómo funciona y en qué se diferencia de la tecnología RAID
tradicional. Este documento se centra en el nivel RAID 6,
el estándar del sector para los dispositivos de copia de
seguridad basada en disco como los Quantum DXi.
Figura 1. Grupo RAID 6 de 4 discos hot spare
Hot
Spare
Un grupo RAID 6 (véase la figura 1) se basa en la creación de
bandas de nivel por bloques con paridad distribuida doble.
Los datos se fragmentan en bloques y se registran en n-2
discos, donde n equivale al número de discos de la matriz
(exceptuando los discos hot spare). En los otros dos discos, se
graban dos copias de los datos paritarios. Por ejemplo, en la figura 1, A1 y A2 son los datos y AP y AQ representan la
información paritaria para los datos A1 y A2. Siguiendo este principio, la siguiente banda de datos está representada
mediante los bloques de datos B1 y B2, con la paridad BP y BQ y así sucesivamente con C y D. Los datos y la paridad
se distribuyen entre todos los discos por igual. Gracias a la paridad redundante, este grupo RAID soporta dos fallos
de discos simultáneos sin pérdida de datos.
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Un paso más allá del RAID: DXi y agrupaciones dinámicas de discos
RESEÑA TECNOLÓGICA
Este grupo RAID también incluye un disco hot spare que está en línea y consume energía pero no contiene datos ni
información de paridad si no tiene que entrar en acción tras el fallo de uno de los discos primarios. En ese momento,
el controlador de la matriz usará los datos y la paridad de los discos restantes para calcular la información que falta
y poblar el disco hot spare.
Mientras la matriz está funcionando en este modo degradado, se produce una reducción del rendimiento, a menudo
muy acentuada. Tras el fallo de uno de los discos, el controlador de la matriz y los discos restantes están ocupados
leyendo, escribiendo y haciendo cálculos de paridad para hacer la recreación en el disco hot spare (si lo hay). Si fallan
dos discos, las solicitudes de lectura se solucionan recreando los datos que faltan sobre la marcha, lo que afecta aún
más al rendimiento. Es importante destacar que, sea cual sea el número de discos del grupo RAID, todos tienen una
carga de trabajo adicional cuando funcionan en este modo degradado. Hay que buscar un equilibrio entre la velocidad
de la recreación y la merma del rendimiento, normalmente modificando los parámetros de prioridad de la recreación
en el controlador de la matriz. Incluso cuando tiene la máxima prioridad, la velocidad de la recreación está limitada
a la rapidez de escritura de un solo disco (el disco hot spare).
UN PASO MÁS ALLÁ DEL RAID: AGRUPACIONES DINÁMICAS DE DISCOS
Una técnica que puede contribuir a superar las limitaciones de la tecnología RAID es la de las agrupaciones
dinámicas de discos o DDP. Las DDP son una forma de RAID3 desagrupada que utiliza conceptos similares
a la tecnología RAID tradicional (como la distribución en bandas de datos y paridad a través de una matriz de discos
y un espacio hot spare), pero aprovechada de un modo distinto. Brindan múltiples beneficios empresariales al tiempo
que evitan muchos problemas inherentes a la tecnología RAID tradicional. En general, las DDP ofrecen una mayor
protección de los datos, un rendimiento constante y más versatilidad de configuración que RAID 6, el método que
se usa hoy en casi todos los almacenamientos secundarios. El resto de este documento comparará la tecnología DDP
con la RAID 6 tradicional y explicará las ventajas comerciales que supone el uso de las DDP en un dispositivo
de almacenamiento secundario como los de la serie Quantum DXi.
A primera vista, las tecnologías RAID 6 y DDP son similares: ambas distribuyen datos e información de paridad
en bandas a través de un conjunto de discos como protección frente a los fallos. Lo que marca la diferencia son
los detalles del método seguido para lograr ese objetivo.
Distribución del volumen
Veamos cómo se distribuye la información en los discos de las agrupaciones dinámicas de discos. A lo largo
de los discos se crean bandas de datos, paridad y espacio libre. Con la tecnología RAID 6, los discos hot spare
son elementos desperdiciados, siempre a la espera. Con las DDP, no sucede los mismo. Por todos los discos
de la agrupación se distribuye la capacidad hot spare equivalente a la de varios discos físicos. Dado que todos
los discos contienen datos y paridad (véase la figura 2), todos comparten la misma carga y contribuyen al rendimiento
de la matriz. No se desperdicia nada.
Hot
Spare
Espacio libre
Grupo RAID 6 de 12 discos - 1 disco hot spare
Datos/Paridad
Disco hot spare
Hot
Spare
Capacidad hot spare
Grupo DDP de 12 discos - Equivalente a 1 disco hot spare
Figura 2. Comparación del volumen en RAID 6 y DDP
Un paso más allá del RAID: DXi y agrupaciones dinámicas de discos
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Bandas dinámicas
El volumen de cada uno de los discos de la agrupación dinámica está formado por un conjunto de bandas dinámicas
llamadas "bandas-D". Las bandas-D se asignan cuando se crea el volumen mediante un algoritmo de DDP y cada
una de ellas se distribuye exactamente en diez discos, sea cual sea el número total de discos de la agrupación.
Cada banda-D se distribuye por un conjunto distinto de diez discos para equilibrar la asignación en toda la
agrupación. La porción de cada banda-D que reside en un disco concreto se denomina fragmento-D. La tecnología
RAID 6, por el contrario, distribuye las bandas de datos por todos los discos activos, como muestra la figura 2.
Como resultado, mientras que un grupo RAID 6 con un disco hot spare puede incluir un mínimo de cinco discos,
el tamaño mínimo de una DDP (incluido el disco hot spare) es de once discos.
Fragmento-D
DDP de 12 discos con 4 bandas-D (rojo, morado, azul, naranja)
Figura 3. Bandas dinámicas
El interior de las bandas dinámicas
Dentro de cada banda-D, los datos se escriben usando un gran número de bandas RAID 6 tradicionales
uniformemente distribuidas entre los diez discos que usa una banda-D. Las DDP usan las técnicas tradicionales RAID
de distribución de datos y paridad en bandas, pero de un modo distinto y con mucha más granularidad.
Banda RAID 6
Fragmento-D
Banda-D
Figura 4. Interior de una banda dinámica
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Un paso más allá del RAID: DXi y agrupaciones dinámicas de discos
RESEÑA TECNOLÓGICA
Fallo de disco y recuperación
Tanto el RAID 6 como las DDP deben seguir los mismos pasos básicos para recuperar un disco que ha fallado.
Estos pasos se resumen en la tabla 1. Lo que no quiere decir que los detalles sean los mismos, sino que el proceso
global es igual.
Tabla 1.
Paso de recuperación
RAID 6 en detalle
DDP en detalle
------------------ Detección del fallo de disco -----------------Identificación de los
datos y paridades
que faltan
Todos los bloques de datos (o su paridad)
se ven afectados ya que los datos
se distribuyen por todos los discos activos
Solo se ven afectadas las bandas-D con
un fragmento-D en el disco que ha fallado.
Identificación de las bandas-D afectadas
Redireccionamiento
de solicitud de lectura
Se hacen lecturas de los datos restantes y se
reconstruye la paridad sobre la marcha según
sea necesario
Se hacen lecturas de los datos restantes y se
reconstruye la paridad sobre la marcha según
sea necesario
Redireccionamiento
de solicitud de escritura
Se escribe en los discos restantes con paridad Se escribe en las bandas-D restantes
única (RAID 5)
Reconstrucción de
los datos y paridades
que faltan
Se leen todos los discos y se hacen los
cálculos de paridad. Se escribe en un
único disco hot spare
Sustitución del disco que
ha fallado y vuelta a la
configuración original
Se inicia la copia desde el disco hot spare
al nuevo disco (si está configurada la copia
de seguridad)
Se leen los 9 discos restantes de la banda-D
y se hacen los cálculos de paridad. Se escribe
cada fragmento-D reconstruido en un disco
diferente en paralelo
----------- Protección de datos totalmente restaurada ----------Se inicia la copia de los fragmentos-D
reconstruidos en paralelo desde múltiples
discos al nuevo disco
--------- Configuración original restaurada ---------
El hecho de que cada banda-D resida solo en diez discos es la clave para mejorar el rendimiento de la recreación
con respecto a la tecnología RAID 6. Con un grupo RAID 6, todos los grupos activos restantes han de realizar lecturas
como apoyo para la recreación y toda la actividad de escritura se centra en un único disco hot spare. Eso es así
independientemente de cuántos discos formen el grupo RAID. La actividad de lectura compite con las solicitudes
I/O entrantes y la necesidad de escribir en un solo disco crea un cuello de botella que prolonga el tiempo de
recuperación.
Dada la estructura de las bandas-D de las DDP, la recreación implica la lectura en varios discos, puede que incluso
en todos, según dónde se encuentren las bandas-D afectadas y el tamaño de la agrupación. Pero la escritura no
se centra en un único disco, sino que se reparte en múltiples discos y se produce simultáneamente. El resultado
es una recreación mucho más rápida del disco que ha fallado que en el caso de la tecnología RAID 6 tradicional.
Estas ventajas se amplifican si hay un número mayor de discos en la agrupación y el número de discos afectados
por el proceso de recreación es menor.
Además, la reconstrucción de los datos en una DDP se gestiona de forma inteligente a través de una tecnología
de reconstrucción priorizada. Con este método, las bandas-D con múltiples fallos de disco se reconstruyen primero.
Por ejemplo, si se produce el fallo de dos discos, las bandas-D con fragmentos-D en ambos discos se reconstruyen
primero. A continuación se reconstruyen las bandas-D con fragmentos-D en uno solo de los discos que ha fallado.
Este sistema permite que los datos más vulnerables siempre tengan la máxima prioridad de reconstrucción,
lo que reduce la posibilidad de que se pierdan los datos si hubiera otro fallo de disco antes de que se completara
la reconstrucción.
Un paso más allá del RAID: DXi y agrupaciones dinámicas de discos
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VENTAJAS DE LAS DDP
La implementación de las DDP en las soluciones Quantum DXi presenta múltiples ventajas. Con la serie DXi,
Quantum ha cambiado el rumbo de esta tecnología hacia la dirección correcta. La magnitud y la naturaleza de las
ventajas de las DDP dependerá de la configuración exacta, pero, en general, se pueden agrupar en tres categorías:
Rendimiento constante
Mejor protección de datos
Extrema versatilidad
Rendimiento constante
Rendimiento
Las arquitecturas RAID tradicionales tienen gran capacidad de ajuste para el tipo de rendimiento necesario: flujo
constante de banda ancha, velocidades de transacción altas o equilibro entre ambos parámetros. Sin embargo,
cuando falla un disco, el rendimiento cae en picado. A medida que
Figura 5.
aumenta el número de discos de un sistema, aumenta también
la posibilidad de que se produzca un fallo de disco y una recreación
Repercusión en el rendimiento de un fallo
de disco
en cualquier momento. Esto hace que el rendimiento real no sea
constante, lo que repercute negativamente en las operaciones
empresariales. Con las DDP, la repercusión en el rendimiento es
Aceptable
mucho más baja y su duración, mucho menor. Esta característica
supone menos interrupciones en las operaciones y, en el caso
de los dispositivos de copia de seguridad, puede ser la diferencia
Inaceptable
entre acabar o no el proceso de copia de seguridad.
Las DDP, más similares a los sistemas de almacenamiento
Tiempo
de objetos de última generación, han sido diseñadas teniendo
RAID
DDP
en cuenta la realidad de los fallos. Dado que la paridad, los datos
y el espacio libre están distribuidos por toda la agrupación, todos
los discos participan en el proceso de reconstrucción cuando un
disco falla. Por lo tanto, una agrupación dinámica de discos se restaura hasta ocho veces más rápido que un grupo
RAID tradicional y conserva un rendimiento más alto durante el proceso de reconstrucción.
Mejor protección de datos
Como se ha mencionado anteriormente, con el aumento de la capacidad de los discos han aumentado los tiempos
de recreación RAID, lo que supone una mayor probabilidad de pérdida de datos debido al fallo de múltiples discos.
La reducción de los tiempos de recreación que aportan las DDP reduce el tiempo de exposición al mínimo.
Además, la tecnología de reconstrucción priorizada patentada que usan las DDP garantiza que los datos más
vulnerables se reconstruyen primero, reduciendo así el riesgo. Y, por supuesto, las funciones de las DDP son
compatibles con la integridad de datos T-10 PI, la limpieza en segundo plano y el resto de las opciones de la matriz
para proporcionar una protección total de los datos.
Extrema versatilidad
La DDP es una de las herramientas de la extensa gama de tecnologías que Quantum diseña para crear sus
dispositivos DXi. Dado que los sistemas DXi se venden como dispositivos, es posible que la ventaja en cuanto
a versatilidad que ofrecen las DDP no se perciba a simple vista, pero es muy notable.
Ajustar un conjunto de hardware y software para lograr el objetivo de máximo rendimiento para los procesos
de copia de datos y recuperación a bajo coste no es tarea baladí. En la línea DXi, Quantum aprovecha tecnologías
de almacenamiento tan rápidas como SAS, SSD, RAID, el sistema de archivos Quantum StorNext y ahora las DDP
para ofertar un dispositivo que brinda el máximo rendimiento y toda la protección al mejor coste para cualquier
segmento de mercado.
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Un paso más allá del RAID: DXi y agrupaciones dinámicas de discos
RESEÑA TECNOLÓGICA
Las DDP contribuyen eliminando algunas de las limitaciones de la tecnología RAID tradicional. Las agrupaciones
de discos pueden ser reducidas o enormes, se pueden ampliar según sea necesario, de un modo sencillo y sobre
la marcha. El tamaño de las bandas del sistema de archivos puede optimizarse sin problemas en función del número
de discos de una unidad. Se pueden usar distintos tipos de discos para crear niveles de almacenamiento y el sistema
cuenta con discos hot spare integrados y configurables. Además, las agrupaciones dinámicas de discos pueden
combinarse con grupos RAID tradicionales en aquellos casos en los que la tecnología RAID sea la mejor opción
para parte del trabajo.
La versatilidad adicional que proporcionan las DDP es uno de los factores que contribuyen al gran rendimiento y la
magnífica rentabilidad de la serie DXi, además de abrir nuevas sendas de innovación para los futuros modelos DXi.
CONCLUSIONES
Con la introducción de las DDP en la serie DXi, Quantum se convierte en el primer proveedor de dispositivos
de deduplicación que franquea la barrera de la tecnología RAID, logrando ventajas en cuanto a rendimiento, eficacia,
flexibilidad y una protección de datos mejorada. Gracias al carácter flexible y ampliable de la tecnología DDP, esta
ventajas se multiplicarán a medida que Quantum amplíe el uso de las DDP.
Para obtener más información sobre la serie DXi, consulte la página web www.quantum.com/dxi
1 http://www.quantum.com/stornext
2 http://www.quantum.com/products/BigDataManagement/Lattus/index.aspx
3 http://www.cs.cmu.edu/~garth/RAIDpaper/Patterson88.pdf
4 http://www.enterprisestorageforum.com/technology/features/article.php/3839636/RAIDs-Days-May-Be-Numbered.htm
5 http://www.pdl.cmu.edu/PDL-FTP/Declustering/ASPLOS.pdf
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Julio de 2014