廉价冗余磁盘阵列

,秦杰 郑丽萍 张庆辉,*,26,廉价冗余磁盘阵列,作为高性能的存储系统，已经得到了越来越广泛的应用。RAID的级别从RAID概念的提出到现在，已经发展了六个级别，其级别分别是0、1、2、3、4、5等。但是最常用的是0、1、3、5四个级别。下面就介绍这四个级别。,RAID 0：将多个的磁盘合并成一个大的磁盘，不具有冗余，并行I/O，速度最快。RAID 0亦称为带区集。它是将多个磁盘并列起来，成为一个大硬盘。在存放数据时，其将数据按磁盘的个数来进行分段，然后同时将这些数据写进这些盘中。,所以，在所有的级别中，RAID 0的速度是最快的。但是RAID 0没有冗余功能的，如果一个磁盘（物理）损坏，则所有的数据都无法使用。,RAID1 把磁盘阵列中的硬盘分成相同的两组，互为镜像，当任一磁盘介质出现故障时，可以利用其镜像上的数据恢复，从而提高系统的容错能力。对数据的操作仍采用分块后并行传输方式。所有RAID 1不仅提高了读写速度，也加强系统的可靠性。但其缺点是硬盘的利用率低，冗余度为50。,RAID 3 ：RAID 3存放数据的原理和RAID0、RAID1不同。RAID 3是以一个硬盘来存放数据的奇偶校验位，数据则分段存储于其余硬盘中。它像RAID 0一样以并行的方式来存放数，但速度没有RAID 0快。如果数据盘（物理）损坏，只要将坏的硬盘换掉，RAID控制系统则会根据校验盘的数据校验位在新盘中重建坏盘上的数据。不过，如果校验盘（物理）损坏的话，则全部数据都无法使用。利用单独的校验盘来保护数据虽然没有镜像的安全性高，但是硬盘利用率得到了很大的提高，为n-1。,RAID 5：向阵列中的磁盘写数据，奇偶校验数据存放在阵列中的各个盘上，允许单个磁盘出错。RAID 5也是以数据的校验位来保证数据的安全，但它不是以单独硬盘来存放数据的校验位，而是将数据段的校验位交互存放于各个硬盘上。这样任何一个硬盘损坏，都可以根据其它硬盘上的校验位来重建损坏的数据。硬盘的利用率为n-1。,6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID,廉价磁盘冗余阵列,RedundantArray of Inexpensive Disks,独立磁盘冗余阵列,Redundant Array of Independent Disks,简称,盘阵列技术,1988年，Patterson教授首先提出。,优点,容量大、速度快、可靠性高、造价低廉,第六章 输入/输出系统,1. 各级RAID的结构特点,RAID级,数据磁盘数,可正常工作的最多失效盘数,检测磁盘数,0 非冗余,8,0,0,1 镜像,8,1,8,2 存储器式ECC,8,1,4,3 位交叉奇偶校验,8,1,1,4 块交叉奇偶校验,8,1,1,5 块交叉分布奇偶校验,8,1,1,6 P+Q冗余,8,2,2,7 Cache + 异步,8,2,2,2. 各级RAID的共性,RAID由一组物理磁盘驱动器组成，操作系统,视之为一个逻辑驱动器；,数据分布在一组物理磁盘上；,冗余信息被存储在冗余磁盘空间中，保证磁,盘在万一损坏时可以恢复数据；,其中第2、3个特性在不同的RAID级别中的表,现不同，RAID0不支持第3个特性。,6.4,廉价磁盘冗余阵列RAID,3. 有关RAID的几个问题,(1),关键问题：,如何发现磁盘的失效,磁盘技术提供了故障检测操作的信息。,(2) 设计的,另一个问题,如何减少平均修复时间MTTR,典型的做法：在系统中增加热备份盘,(3),热切换技术,与热备份盘相关的一种技术,6.4,廉价磁盘冗余阵列RAID,6.4.1 RAID0,数据分块，即把数据分布在多个盘上。,非冗余阵列、无冗余信息。,严格地说，它不属于RAID系列。,M,N,O,etc.,I,J,K,L,E,F,G,H,A,B,C,D,6.4,廉价磁盘冗余阵列RAID,6.4.2 RAID1,亦称,镜像盘,，使用双备份磁盘。,每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写,到另一个冗余盘，形成信息的两份复制品。,G,G,H,H,E,E,F,F,C,C,D,D,A,A,B,B,=,=,6.4,廉价磁盘冗余阵列RAID,1. RAID1的特点,读性能好,RAID1的性能能够达到RAID0性能的两倍。,写性能由写性能最差的磁盘决定。相对以后,各级RAID来说，RAID1的写速度较快。,可靠性很高,最昂贵的解决方法，物理磁盘空间是逻辑磁,盘空间的两倍。,6.4,廉价磁盘冗余阵列RAID,3. RAID2特点,并行存取，各个驱动器同步工作。,使用海明编码来进行错误检测和纠正，数据,传输率高。,需要多个磁盘来存放海明校验码信息，冗余,磁盘数量与数据磁盘数量的对数成正比。,是一种在多磁盘易出错环境中的有效选择。,并未被广泛应用，目前还没有商业化产品。,6.4,廉价磁盘冗余阵列RAID,6.4.4 RAID3,1.,位交叉奇偶校验盘阵列,2.,单盘容错并行传输：,数据以位或字节交叉存储，,奇偶校验信息存储在一台专用盘上。,D0,D1,D2,D3,C0,C1,C2,C3,B0,B1,B2,B3,A0,A1,A2,A3,A,校验码,B,校验码,C,校验码,D,校验码,校验码,产生器,位或字节,6.4,廉价磁盘冗余阵列RAID,3. RAID3特点,将磁盘分组，读写要访问组中所有盘，每,组中有一个盘作为校验盘。,校验盘一般采用奇偶校验。,简单理解：,先将分布在各个数据盘上的一,组数据加起来，将和存放在冗余盘上。一,旦某一个盘出错，只要将冗余盘上的和减,去所有正确盘上的数据，得到的差就是出,错的盘上的数据。,缺点：,恢复时间较长。,6.4,廉价磁盘冗余阵列RAID,6.4.5 RAID4,1.,专用奇偶校验独立存取盘阵列,2. 数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘，,奇偶校验信息存在一台专用盘上。,D0,D1,D2,D3,C0,C1,C2,C3,B0,B1,B2,B3,A0,A1,A2,A3,A,校验码,B,校验码,C,校验码,D,校验码,校验码,产生器,数据块,6.4,廉价磁盘冗余阵列RAID,3. RAID4特点,冗余代价与RAID3相同,访问数据的方法与RAID3不同,在,RAID3,中，一次磁盘访问将对磁盘阵列,中的所有磁盘进行操作。,RAID4,出现的原因：,希望使用较少的磁盘,参与操作，以使磁盘阵列可以并行进行多,个数据的磁盘操作。,6.4,廉价磁盘冗余阵列RAID,6.4.6 RAID5,1.,块交叉分布式奇偶校验盘阵列,2. 数据以块交叉的方式存于各盘，无专用冗余盘，,奇偶校验信息均匀分布在所有磁盘上。,6.4,廉价磁盘冗余阵列RAID,3. RAID4和RAID5中的信息分布,6.4,廉价磁盘冗余阵列RAID,3. RAID6特点,写入数据要访问1个数据盘和2个冗余盘；,可容忍双盘出错；,存储开销是RAID5的两倍，RAID6的写过,程需要6次磁盘操作。,6.4,廉价磁盘冗余阵列RAID,6.4.9 RAID的实现与发展,1. 实现盘阵列的方式主要有三种,软件方式：,阵列管理软件由主机来实现,优点：成本低,缺点：过多地占用主机时间，并且带宽指,标上不去。,阵列卡方式：,把RAID管理软件固化在I/O控制,卡上，从而可不占用主机时间，一般用于工作,站和PC机。,6.4,廉价磁盘冗余阵列RAID,子系统方式：,这是一种基于通用接口总线,的开放式平台，可用于各种主机平台和网,络系统。,2. 盘阵列技术研究的主要热点问题,新型阵列体系结构；,RAID结构与其所记录文件特性的关系；,在RAID冗余设计中，综合平衡性能、可靠,性和开销的问题；,超大型盘阵列在物理上如何构造和连结的问题。,6.4,廉价磁盘冗余阵列RAID,