RAID 技术综述

RAID 是使用条带化技术跨越磁盘阵列组, 用来增强数据可用性的一种存储架构.  阵列的概念是在系统中实现对一组磁盘的单一设备管理.  RAID有若干级别.  从RAID-1到RAID-5是最初由伯克利(Berkeley)RAID白皮书确定的.  后来, 由相继开发了RAID0和RAID6.

RAID级别

图 2-23到图2-26显示了最常用的RAID-0,1,3,5架构.  图2-28讨论了RAID-6. 

奇偶校验(parity)是用来保存用户数据的冗余信息.  使磁盘失效时再生数据成为可能.  下面的阐述中数据(data)可以理解为一个字节(byte)或块(block), 而不必理解为一个完整的文件(file). 

RAID 0

RAID-0并不是一个真正的RAID架构, 因为它没有实现数据奇偶校验.  RAID-0把数据经过条带化均布在多个磁盘上, 允许并发读写操作.  所有RAID-0都将数据和工作负荷均布到阵列中的所有磁盘上, 从而提供了比没有采取条带化的磁盘更高的传输性能.  但同时, RAID-0不能提供冗余性.  如图2-23所示, 当发生单个磁盘失效时, 其上数据无法从其它磁盘重建.  而且由于数据被条带化, 阵列中所有数据随之不可用.

图 2-23 RAID 0   (举例: 4个条带)

注意: 绝不要用RAID-0来规划需要较高数据可用性的关键应用.  仅在应用需要RAID-0的高性能特性时使用它.

RAID 1

如图2-24所示, RAID-1 使用数据镜像实现数据冗余.  数据分别在2个磁盘上作一份拷贝.  RAID-1可提供较高的读性能, 因为当主拷贝忙时, 读请求会指向镜像的拷贝.

由于数据完全重复, RAID-1是所有阵列架构中最昂贵的方案, 然而由于RAID-1阵列中包含的磁盘数量最少, 它也提供了最佳的数据可用性.  一个阵列中的磁盘越少, 多磁盘失效的可能性也就越低.  当磁盘失效时RAID-1也可提供最高的性能, 因为系统将直接自动切换到镜像的磁盘, 无性能影响, 也无须重建丢失的数据.

图2-24 RAID-1 – 镜像

注意: 当成本不是主要因素时, 考虑RAID-1作为高数据可用性和高性能的方案.

RAID 2

RAID-2支持均衡编码的并发访问和数据条带化.  在概念上, RAID-2和RAID-3十分相似.  RAID-2和RAID-3都通过位(bit)级, 字节(byte)级, 或多字节(multibyte)级条带化将数据分布到多个磁盘上.  写数据和查询数据时对所有磁头做并发移动操作. 

RAID-2使用均衡纠错编码技术来进行错误诊断和纠正.  这种编码技术需要多块磁盘来保存错误诊断和纠错信息, 从而使RAID-2奇偶校验的实现比RAID-3更加复杂和昂贵.  因此在商业应用环境中很少采用RAID-2架构.

RAID 3

RAID-3 支持并发访问和带奇偶校验的数据条带化.  与RAID-2不同, RAID-3使用一块制定的硬盘存储校验信息.  和RAID-2一样, RAID-3把数据条带化和分布到若干块磁盘上.  数据的写和查询并发地移动所有磁头. 

图 2-25 显示了一个包含4个磁盘的阵列.  3个磁盘用来存储数据, 第4块磁盘用来存储前3块磁盘的校验信息.  如果其中一块磁盘的数据失效, 校验磁盘将用来和存有冗余数据的磁盘一起重建数据.  如果校验盘失效, 对数据的访仍然不受影响. 

图2-25  RAID3 – 指定校验盘的条带化

由于一个I/O并发地移动所有磁头, 所以在任何一个瞬间只允许一个I/O操作.  由于数据是连续地条带化, 并跨越多个磁盘, 并发磁头移动提供了传输大数据块连续数据时的卓越性能.  但同时, 对于高吞吐量的随机访问数据的应用来说, RAID-3是不适用的.  当随机处理占主要地位时, 磁盘校验即成为写操作的瓶颈.

注意: 当应用主要处理大数据块或需要访问大量连续数据文件时可使用RAID-3

RAID 4

RAID-4支持独立的数据访问和数据条带化, 并指定校验盘.  和RAID-2, RAID-3一样, RAID-4和RAID-5都将数据跨越多块磁盘条带化.  但是条带的增量是一个数据块或一个记录.  在RAID-4设计中只有一个校验盘.  在所有其它方面, RAID-4和RAID-5相同. 

由于在每个写操作时需要有校验盘参与, 它可能成为交易吞吐量的瓶颈.  因此RAID-4也不在商务应用中使用.

RAID 5

RAID-5支持独立的访问和数据条带化, 并且实现分布式奇偶校验.  它不需指定校验盘, 而是把数据和校验插入到所有磁盘中.  在RAID-5中, 磁头可以相互独立地移动(如图2-26所示).  这样允许多个并发的阵列设备访问.  它满足了多并发I/O请求, 并且提供了更高的交易吞吐量.  RAID-5最适合于使用小数据块的随机数据访问.

图2-26 RAID-5 – 分布式校验的条带化

RAID-3和RAID-5的最主要的区别是: 在RAID-3中, 一个数据段大小等于一个扇区, 对于每块硬盘来说传送单位是一个扇区, 每个传送需要所有磁盘参与.  在RAID-5中, 数据段更大, 大多数传送只需要一块磁盘参与, 允许并行操作, 和更高的交易处理的吞吐量. 

RAID-5中存在写仲裁.  每个写I/O引发4个实际的I/O操作, 2个用来读旧数据及奇偶校验信息, 2个用来写数据和奇偶校验信息. 

减少写仲裁

减少RAID-5写仲裁的一条途径是使用缓存.  这样可以预先将数据存放于高速的临时空间, 以备磁盘I/O请求之需, 从而提高性能.  通过将存取过的数据暂留在缓存中, 对相同信息的读请求可以快速地从缓存中得到, 而不需要再增加额外的磁盘I/O操作, 从而减少磁盘I/O. 

缓存可以用来聚集写请求, 直到一个大的连续的数据块可以在一个I/O操作中写到磁盘上.  在写操作过程中, 数据首先被写到缓存中, 使一个交易能够在发生真实的磁盘写操作前提前结束.  由于应用可以执行并发的真实物理I/O操作, 缓存可以减少与读写数据相关的延迟, 提高RAID-5的性能. 

非易失性存储(Nonvolatile storage - NVS) 在电源失效时保持缓存中的数据.  在断电时, NVS切换到由备用电池供电.  而在常规使用中, NVS和普通缓存一样工作.  当向NVS完成一个写请求后, 应用程序可以继续其余步骤, 避免了延迟.  如果发生断电, 更新数据仍然安全地存放在NVS中, 直到数据被写入磁盘.  NVS在所有的ESS型号和IBM TotalStorage FastT中实施, 仅低端FastT200除外.  图2-27显示了普通运行环境中的2节点系统.  子系统A(运行于SMP 1和NVS 2, 和子系统B(运行于SMP 2和NVS 1)实现全局数据一致性.

图2-27的右半边显示节点1和节点2的接管机制.  未失效节点首先承担对所有主机适配器(原有的主管权是共享的), 此节点的NVS, 和所有此系统中物理设备的主管权.  未失效节点随之释放(将修改的用户数据从缓存写到磁盘中)所有在它的读缓存和失效节点的本地NVS中的修改数据.  接下来, 此节点允许主机适配器识别其主管的所有虚拟磁盘.  最后, 此节点使用本地的NVS恢复数据操作. 

图2-27 IBM TotalStorage 企业存储服务器  (Enterprise Storage System)

注意:  请在以下环境中考虑使用RAID-5方案:

l  需要高数据可用性, 并且应用数据存取类型为小数据记录.

l  大连续记录和小随机数据块的混合存取.

RAID 6

RAID-6引入了一种没有包含在原有的Berkeley RAID级别中的技术, 即独立访问, 数据条带化, 双份的分布式奇偶校验.  它相当于在原有RAID-5基础上增加了第二份独立的奇偶校验块.  图2-28显示了一个包含6块硬盘的RAID-6阵列.  4块磁盘用来存放数据, 2块硬盘用于奇偶校验, 数据和校验在阵列中交叉和轮换. 

2个独立校验, 每个使用不同的运算法则, 使数据可用性达到极高的程度.  这个阵列中任意2块磁盘的同时失效都不会导致数据访问中断.  同时, 奇偶校验也需要更多的磁盘空间.  而比起RAID-5, 会引起更多的写仲裁负载.  因此, RAID-6的写性能非常低.  低性能和实施上的复杂性使RAID-6对于多数应用来说都是不切实际的.

图2-28  RAID-6  双份分布式校验的条带化

RAID 10

RAID-10阵列由一组镜像的磁盘存储用户数据.  没有校验盘用来重建失效磁盘上的数据.  如果一块硬盘失效, 则继续访问镜像的拷贝, 并可用其建立另一份冗余拷贝.  因为它是RAID-0(条带化)和RAID-1(镜像)的结合物, RAID-10又被称为RAID-0+1.  由于条带卷跨越了多块磁盘, 因此条带化优化了性能.  图2-29显示了一个例子, 在ESS-800的实施中, 3块或4块磁盘驱动器模块(DDM).  RAID-1是通过将每块磁盘的镜像拷贝防止一块硬盘的失效.  由于 RAID-10结合了RAID-0和RAID-1技术, 即可保护数据, 又提高了I/O性能.

图2-29  RAID-10

可以将RAID-10 和RAID-5结合起来配置在一个环路中.  如图2-30所示.  有多种途径在一个环路中配置混合的RAID-5和RAID-10阵列.  如果在一个环路中配置RAID-5和RAID-10, 需要遵循一些特定的原则以平衡两个磁盘控制器的性能. 

图2-30  RAID-5和RAID-10混合

RAID 各级别的比较

图2-31显示了比较RAID和JBOD的方法.  在这里, JBOD和RAID-0是最便宜的磁盘方案, 但是没有磁盘保护.  RAID-10具有高成本和高性能.  其它的RAID方案介于它们之间.  使用缓存的RAID-5是指智能的RAID-5子系统, 如ESS和FastT, 可以对读写进行缓存.