磁盤陣列基礎知識.doc

基本的RAID介紹RAID是英文Redundant Array of Independent Disks（獨立磁盤冗余陣列），簡稱磁盤陣列。下面將各個級別的RAID介紹如下。RAID0條帶化（Stripe）存儲。理論上說，有N個磁盤組成的RAID0是單個磁盤讀寫速度的N倍。RAID 0連續(xù)以位或字節(jié)為單位分割數據，并行讀/寫于多個磁盤上，因此具有很高的數據傳輸率，但它沒有數據冗余，因此并不能算是真正的RAID結構。RAID1鏡象（Mirror）存儲。它是通過磁盤數據鏡像實現數據冗余，在成對的獨立磁盤上產生互 為備份的數據。當原始數據繁忙時，可直接從鏡像拷貝中讀取數據，因此RAID 1可以提高讀取性能。RAID 1是磁盤陣列中單位成本最高的，但提供了很高的數據安全性和可用性。當一個磁盤失效時，系統(tǒng)可以自動切換到鏡像磁盤上讀寫，而不需要重組失效的數據。RAID2海明碼（Hamming Code）校驗條帶存儲。將數據條塊化地分布于不同的硬盤上，條塊單位為位或字節(jié)，使用稱為海明碼來提供錯誤檢查及恢復。這種編碼技術需要多個磁盤存放檢查及恢復信息，使得RAID 2技術實施更復雜，因此在商業(yè)環(huán)境中很少使用。RAID3奇偶校驗（XOR）條帶存儲，共享校驗盤，數據條帶存儲單位為字節(jié)。它同RAID 2非常類似，都是將數據條塊化分布于不同的硬盤上，區(qū)別在于RAID 3使用簡單的奇偶校驗，并用單塊磁盤存放奇偶校驗信息。如果一塊磁盤失效，奇偶盤及其他數據盤可以重新產生數據；如果奇偶盤失效則不影響數據使用。RAID 3對于大量的連續(xù)數據可提供很好的傳輸率，但對于隨機數據來說，奇偶盤會成為寫操作的瓶頸。RAID4奇偶校驗（XOR）條帶存儲，共享校驗盤，數據條帶存儲單位為塊。RAID 4同樣也將數據條塊化并分布于不同的磁盤上，但條塊單位為塊或記錄。RAID 4使用一塊磁盤作為奇偶校驗盤，每次寫操作都需要訪問奇偶盤，這時奇偶校驗盤會成為寫操作的瓶頸，因此RAID 4在商業(yè)環(huán)境中也很少使用。RAID5奇偶校驗（XOR）條帶存儲，校驗數據分布式存儲，數據條帶存儲單位為塊。RAID 5不單獨指定的奇偶盤，而是在所有磁盤上交叉地存取數據及奇偶校驗信息。在RAID 5上，讀/寫指針可同時對陣列設備進行操作，提供了更高的數據流量。RAID 5更適合于小數據塊和隨機讀寫的數據。RAID 3與RAID 5相比，最主要的區(qū)別在于RAID 3每進行一次數據傳輸就需涉及到所有的陣列盤；而對于RAID 5來說，大部分數據傳輸只對一塊磁盤操作，并可進行并行操作。在RAID 5中有“寫損失”，即每一次寫操作將產生四個實際的讀/寫操作，其中兩次讀舊的數據及奇偶信息，兩次寫新的數據及奇偶信息。當進行恢復時，比如我們需要需要恢復下圖中的A0，這里就必須需要B0、C0、D0加0 parity才能計算并得出A0，進行數據恢復。所以當有兩塊盤壞掉的時候，整個RAID的數據失效。RAID6 奇偶校驗（XOR）條帶存儲，兩個分布式存儲的校驗數據，數據條帶存儲單位為塊。 與RAID 5相比，RAID 6增加了第二個獨立的奇偶校驗信息塊。兩個獨立的奇偶系統(tǒng)使用不同的算法，數據的可靠性非常高，即使兩塊磁盤同時失效也不會影響數據的使用。但RAID 6需要分配給奇偶校驗信息更大的磁盤空間，相對于RAID 5有更大的“寫損失”，因此“寫性能”非常差。較差的性能和復雜的實施方式使得RAID 6很少得到實際應用。RAID7這是一種新的RAID標準，其自身帶有智能化實時操作系統(tǒng)和用于存儲管理的軟件工具，可完全獨立于主機運行，不占用主機CPU資源。RAID 7可以看作是一種存儲計算機（Storage Computer），它與其他RAID標準有明顯區(qū)別。RAID 7等級是至今為止，理論上性能最高的RAID模式，因為它從組建方式上就已經和以往的方式有了重大的不同?；境尚问揭妶D，以往一個硬盤是一個組成陣列的“柱子”，而在RAID 7中，多個硬盤組成一個“柱子”，它們都有各自的通道，也正因為如此，你可以把這個圖分解成一個個硬盤連接在主通道上，只是比以前的等級更為細分了。這樣做的好處就是在讀/寫某一區(qū)域的數據時，可以迅速定位，而不會因為以往因單個硬盤的限制同一時間只能訪問該數據區(qū)的一部分，在RAID 7中，以前的單個硬盤相當于分割成多個獨立的硬盤，有自己的讀寫通道。 工程中常用的RAID方式是RAID10和RAID5。下面分別介紹RAID10和RAID01的區(qū)別；以及RAID10和RAID5的區(qū)別。RAID10和RAID01的比較 RAID10是先做鏡象，然后再做條帶。 RAID01則是先做條帶，然后再做鏡象。比如以6個盤為例，RAID10就是先將盤分成3組鏡象，然后再對這3個RAID1做條帶。RAID01則是先利用3塊盤做RAID0，然后將另外3塊盤做為RAID0的鏡象。下面以4塊盤為例來介紹安全性方面的差別：1、RAID10的情況這種情況中，我們假設當DISK0損壞時，在剩下的3塊盤中，只有當DISK1一個盤發(fā)生故障時，才會導致整個RAID失效，我們可簡單計算故障率為1/3。2、RAID01的情況這種情況下，我們仍然假設DISK0損壞，這時左邊的條帶將無法讀取。在剩下的3塊盤中，只要DISK2，DISK3兩個盤中任何一個損壞，都會導致整個RAID失效，我們可簡單計算故障率為2/3。因此RAID10比RAID01在安全性方面要強。從數據存儲的邏輯位置來看，在正常的情況下RAID01和RAID10是完全一樣的，而且每一個讀寫操作所產生的IO數量也是一樣的，所以在讀寫性能上兩者沒什么區(qū)別。而當有磁盤出現故障時，比如前面假設的DISK0損壞時，我們也可以發(fā)現，這兩種情況下，在讀的性能上面也將不同，RAID10的讀性能將優(yōu)于RAID01。RAID10和RAID5的比較為了方便對比，這里拿同樣多驅動器的磁盤來做對比，RAID5選擇3D+1P的RAID方案，RAID10選擇2D+2D的RAID方案，如圖：1、安全性方面的比較其實在安全性方面，勿須質疑，肯定是RAID10的安全性高于RAID5。我們也可以從簡單的分析來得出。當盤1損壞時，對于RAID10，只有當盤1對應的鏡象盤損壞，才導致RAID失效。但是對于RAID5，剩下的3塊盤中，任何一塊盤故障，都將導致RAID失效。在恢復的時候，RAID10恢復的速度也快于RAID5。2、空間利用率的比較 RAID10的利用率是50%，RAID5的利用率是75%。硬盤數量越多，RAID5的空間利用率越高。3、讀寫性能方面的比較主要分析分析如下三個過程：讀，連續(xù)寫，離散寫。在介紹這三個過程之前，先介紹一個特別重要的概念：cache。cache已經是整個存儲的核心所在，就是中低端存儲，也有很大的cache存在，包括最簡單的raid卡，一般都包含有幾十，甚至幾百兆的raid cache。 cache的主要作用是什么呢？體現在讀與寫兩個不同的方面，如果作為寫，一般存儲陣列只要求寫到cache就算完成了寫操作，所以，陣列的寫是非?？焖俚?，在寫cache的數據積累到一定程度，陣列才把數據刷到磁盤，可以實現批量的寫入，至于cache數據的保護，一般都依賴于鏡相與電池（或者是UPS）。 cache的讀一樣不可忽視，因為如果讀能在cache中命中的話，將減少磁盤的尋道，因為磁盤從尋道開始到找到數據，一般都在6ms以上，而這個時間，對于那些密集型io的應用可能不是太理想。但是，如果cache能命中，一般響應時間則可以在1ms以內。兩者應該相差3個數量級（1000倍）。 1）讀操作方面的性能差異RAID10可供讀取有效數據的磁盤個數為4，RAID5可供讀取有效數據的磁盤個數也為4個（校驗信息分布在所有的盤上），所以兩者的讀的性能應該是基本一致的。2）連續(xù)寫方面的性能差異在連續(xù)寫操作過程，如果有寫cache存在，并且算法沒有問題的話，RAID5比RAID10甚至會更好一些，雖然也許并沒有太大的差別。（這里要假定存儲有一定大小足夠的寫cache，而且計算校驗的cpu不會出現瓶頸）。因為這個時候的RAID校驗是在cache中完成，如4塊盤的RAID5，可以先在內存中計算好校驗，同時寫入3個數據+1個校驗。而RAID10只能同時寫入2個數據+2個鏡相。如上圖所示，4塊盤的RAID5可以在同時間寫入1、2、3到cache，并且在cache計算好校驗之后，這里假定是6，同時把三個數據寫到磁盤。而4塊盤的RAID10不管cache是否存在，寫的時候，都是同時寫2個數據與2個鏡相。 根據前面對緩存原理的介紹，寫cache是可以緩存寫操作的，等到緩存寫數據積累到一定時期再寫到磁盤。但是，寫到磁盤陣列的過程是遲早也要發(fā)生的，所以RAID5與RAID10在連續(xù)寫的情況下，從緩存到磁盤的寫操作速度會有較小的區(qū)別。不過，如果不是連續(xù)性的強連續(xù)寫，只要不達到磁盤的寫極限，差別并不是太大。3）離散寫方面的性能差異 例如oracle 數據庫每次寫一個數據塊的數據，如8K；由于每次寫入的量不是很大，而且寫入的次數非常頻繁，因此聯機日志看起來會像是連續(xù)寫。但是因為不保證能夠添滿RAID5的一個條帶，比如32K（保證每張盤都能寫入），所以很多時候更加偏向于離散寫入（寫入到已存在數據的條帶中）。我們從上圖看一下離散寫的時候，RAID5與RAID10工作方式有什么不同。如上圖：我們假定要把一個數字2變成數字4，那么對于RAID5，實際發(fā)生了4次io：先讀出2與校驗6，可能發(fā)生讀命中然后在cache中計算新的校驗寫入新的數字4與新的校驗8。 如上圖我們可以看到：對于RAID10，同樣的單個操作，最終RAID10只需要2個io，而RAID5需要4個io. 這里我忽略了RAID5在那兩個讀操作的時候，可能會發(fā)生讀命中操作的情況。也就是說，如果需要讀取的數據已經在cache中，可能是不需要4個io的。這也證明了cache對RAID5 的重要性，不僅僅是計算校驗需要，而且對性能的提升尤為重要。 當然，并不是說cache對RAID10就不重要了，因為寫緩沖，讀命中等，都是提高速度的關鍵所在，只不過RAID10對cache的依賴性沒有RAID5那么明顯而已。4）磁盤的IOPS對比假定一個case，業(yè)務的iops是10000，讀cache命中率是30%，讀iops為60%，寫iops為40%，磁盤個數為120，那么分別計算在raid5與raid10的情況下，每個磁盤的iops為多少。raid5:單塊盤的iops = (10000*(1-0.3)*0.6 + 4 * (10000*0.4)/120 = (4200 + 16000)/120 = 168這里的10000*(1-0.3)*0.6表示是讀的iops，比例是0.6，除掉cache命中，實際只有4200個iops。 4 * (10000*0.4) 表示寫的iops，因為每一個寫，在raid5中，實際發(fā)生了4個io，所以寫的iops為16000個為了考慮raid5在寫操作的時候，那2個讀操作也可能發(fā)生命中，所以更精確的計算為：單塊盤的iops = (10000*(1-0.3)*0.6 + 2 * (10000*0.4)*(1-0.3) + 2 * (10000*0.4)/120 = (4200 + 5600 + 8000)/120 = 148 計算出來單個盤的iops為148個，基本達到磁盤