第11讲-冗余磁盘阵列

RAID简介

  1. 冗余磁盘阵列/独立磁盘冗余阵列：Redundant Arrays of Independent Disks (RAID)
  2. 基本思想
    • 将多个独立操作的磁盘按某种方式组织成磁盘阵列，以增加容量
    • 将数据存储在多个盘体上，通过这些盘并行工作来提高数据传输率
    • 采用数据冗余来进行错误恢复以提高系统可靠性
  3. 特性
    • 由一组物理磁盘驱动器组成，被视为单个逻辑驱动器。
    • 数据是分布在多个物理磁盘上，分布方案称为条带。
    • 冗余磁盘容量用于存储奇偶校验信息，保证磁盘万一损坏时能恢复数据。
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RAID 0

  1. 数据以条带的形式在可用的磁盘上分布
  2. 不采用冗余来改善性能（不是RAID 家族中的真正成员）
  3. 用途
    • 高数据传输率
    • 高速响应I/O 请求：两个I/O 请求所需要的数据块可能在不同的磁盘上.如果条的大小相对较大，那么单个IO请求只涉及单个磁盘访问，则多个等待的IO请求就可以被并行处理，减少了每个请求的排队时间。
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RAID 1

  1. 采用了数据条带，采用简单地备份所有数据的方法来实现冗余。
  2. 优点
    • 高速响应I/O 请求：即便是同一个磁盘上的数据块，也可以由两组硬盘分别响应。
    • 读请求可以由包含请求数据的两个对应磁盘中的某一个提供服务，可以选择寻道时间较小的那个。
    • 写请求需要更新两个对应的条带：可以并行完成，但受限于写入较慢的磁盘。
    • 单个磁盘损坏时不会影响数据访问，恢复受损磁盘简单。
  3. 缺点
    • 价格昂贵（一半的容量）。

  4. 用途

    • 只限于用在存储系统软件、数据和其他关键文件的驱动器中
    • 与RAID 0 相比
      • 如果有大批的读请求，则RAID 1 能实现高速的I/O 速率，性能可以达到RAID 0
        的两倍
      • 如果I/O 请求有相当大的部分是写请求，则它不比RAID 0 的性能好多少
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  5. RAID 01 vs. RAID 10

    • RAID 01= RAID 0+1：先做RAID 0，再做RAID 1
    • RAID 10= RAID 1+0：先做RAID 1，再做RAID 0
    • 两者在数据传输率和磁盘利用率上没有明显区别，主要区别是对磁盘损坏的容错能力
    • 若Disk 0 和Disk 1 坏掉
      • RAID 01：两个RAID 0均无法工作，整个体统无法工作。
      • RAID 10：两个RAID 1失去了校验功能，但仍可读写信息，系统可以正常工作。
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RDIA 2

  1. 采用并行存取技术
  2. 目标:所有磁盘都参与每个I/O 请求的执行
  3. 特点
    • 各个驱动器的轴是同步旋转的，因此每个磁盘上的每个磁头在任何时刻都位于同一位置
    • 采用数据条带：条带非常小，经常只有一个字节或一个字
  4. 纠错：对位于同一条带的各个数据盘上的数据位计算校验码（通常采用海明码），校验码存储在该条带中多个校验盘的对应位置
  5. 访问
    • 读取：获取请求的数据和对应的校验码
    • 写入：所有数据盘和校验盘都被访问
  6. 缺点
    • 冗余盘依然比较多，价格较贵
    • 适用于多磁盘易出错环境，对于单个磁盘和磁盘驱动器已经具备高可靠性的情况没有意义（实际基本弃用）

RAID 3

  1. 采用并行存取技术
    • 各个驱动器的轴同步旋转
    • 采用非常小的数据条带
  2. 校验：对所有数据盘上同一位置的数据计算奇偶校验码
    • 当某一磁盘损坏时，可以用于重构数据𝑏0= 𝑃(𝑏) ⨁ 𝑏1 ⨁ 𝑏2 ⨁ 𝑏3
  3. 优点：能够获得非常高的数据传输率，对于大量读请求，性能改善特别明显
  4. 缺点：一次只能执行一个I/O 请求，在面向多个IO 请求时，性能将受损

RAID 4

  1. 采用独立存取技术
    • 每个磁盘成员的操作是独立的，各个I/O 请求能够并行处理
    • 采用相对较大的数据条带（常见的是4KB）
  2. 根据各个数据盘上的数据来逐位计算奇偶校验条带，奇偶校验位存储在奇偶校验盘的对应条带上
  3. 性能
    • 当执行较小规模的I/O 写请求时，RAID 4 会遭遇写损失
      • 对于每一次写操作，阵列管理软件不仅要修改用户数据，而且要修改相应的校验位
        𝑃’(𝐵) = 𝑃(𝐵)⨁𝐵0⨁ 𝐵’0
    • 当涉及所有磁盘的数据条带的较大I/O 写操作时，只要用新的数据位来进行简单的计算即可得到奇偶校验位
    • 每一次写操作必须涉及到唯一的校验盘，校验盘会成为瓶颈（实际基本弃用）
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RAID 5

  1. 与RAID 4 组织方式相似（常用）
  2. 在所有磁盘上都分布了奇偶校验条带
    • 避免潜在的I/O 瓶颈问题

  3. 访问时的“两读两写”：读在写前，读写不需要并行
    𝑃’(𝐵) = 𝑃(𝐵)⨁𝐵0⨁ 𝐵’0

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  4. RAID 50

    • RAID 5 与RAID 0 的组合，先作RAID 5，再作RAID 0，也就是对多组RAID 5 彼此构成条带访问
    • RAID 50 在底层的任一组或多组RAID 5 中出现1 颗硬盘损坏时，仍能维持运作；如果任一组RAID 5 中出现2 颗或2 颗以上硬盘损毁，整组RAID 50 就会失效
    • RAID 50 由于在上层把多组RAID 5 进行条带化，性能比起单纯的RAID 5 高，但容量利用率比RAID 5 要低
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RAID 6

  1. 采用两种不同的校验码，并将校验码以分开的块存于不同的磁盘中
  2. 优点：提升数据可用性：只有在平均修复时间间隔内3 个磁盘都出了故障，才会造成数据丢失
  3. 缺点：写损失：每次写都要影响两个校验块（读3 个写3 个磁盘）

RAID比较

  1. RAID 0：提升I/O 响应能力，但数据可用性低
  2. RAID 1：提升数据可用性，但容量利用率低
  3. RAID 2和 RAID3：提升数据可用性和数据传输率，但一次只能处理一个I/O 请求
  4. RAID 4和 RAID 5 和 RAID 6：提升数据可用性和读速率，但写速率受限