RAID技術詳解
2020-07-16 10:04:37
多種磁碟組織技術統稱為磁碟冗餘陣列（RAID）技術，通常用於處理效能與可靠性問題。過去，RAID 是由小且便宜的磁碟組成，可作為大且昂貴的磁碟的有效替代品。現在，RAID 的使用主要是因為高可靠性和高資料傳輸率，而不是經濟原因。因此，RAID 中的 I 表示“獨立”（independent）而不是“廉價”（inexpensive）。
通過冗餘提高可靠性
首先分析 RAID 的可靠性。N 個磁碟內的某個磁碟故障的機會遠遠高於單個特定磁碟故障的機會。假設單個磁碟的平均故障時間為 100 000 小時，那麼 100 個磁碟中的某個磁碟的平均故障時間為100 000/100 = 1000 小時或 41.66 天，這並不長！如果只儲存資料的一個副本，則每個磁碟故障會導致丟失大量資料，這樣高的資料丟失率是不可接受的。可靠性問題的解決是引入冗餘。儲存額外資訊，這是平常不需要的，但是在磁碟故障時可以用於重建丟失的資訊。因此，即使磁碟故障，資料也不會丟失。
最為簡單（但最昂貴）的引入冗餘的方法是，重複每個磁碟。這種技術稱為映象。由於映象，每個邏輯磁碟由兩個物理磁碟組成，並且每次寫入都在兩個磁碟上進行。這稱為映象捲。如果捲中的某個磁碟故障，則可以從另一卷中讀取。只有在第一個損壞磁碟沒有替換之前第二個磁碟又出錯，才會丟失資料。
映象捲的平均故障時間（這裡的故障是資料丟失）取決於兩個因素。一個是，單個磁碟的平均故障時間。另一個是平均維修時間，這是用於替換損壞磁碟並恢復其上資料的平均時間。假設兩個磁碟的故障是獨立的；即一個磁碟故障與另一個磁碟故障沒有關聯。那麼，如果單個磁碟的平均故障時間為 100 000 小時，並且平均修補時間為 10 小時，則映象磁碟系統的平均資料丟失時間為
100 0 002/(2X10)= 500X106 小時或 57 000 年。需要注意，磁碟故障的獨立性假設並不真正成立。電源故障和自然災害，如地震、火災、水災，可能導致同時損壞兩個磁碟。另外，成批生產磁碟的製造缺陷可以導致相關故障。隨著磁碟老化，故障概率增加，從而增加了在替代第一磁碟時第二個磁碟故障的概率。然而，儘管所有這些考慮，映象磁碟系統仍比單個磁碟系統提供更高的可靠性。
電源故障是一個特別的關注點，因為它們比自然災害更為常見。即使使用磁碟映象，如果對兩個磁碟寫入同樣的塊，而在兩塊完全寫入之前電源故障，則這兩塊可能處於不一致的狀態。
這個問題的一種解決方法是，先寫一個副本，再寫下一個。另一個是，為 RAID 陣列新增固態非易失性 RAM 的快取。這種寫回快取記憶體在電源故障時會得到保護。這樣，假設 NVRAM 有某種錯誤避免和糾錯功能，如 ECC 和映象，寫入可以認為在這一階段已完成。
通過併行處理提高效能
現在分析多個磁碟的並行存取如何改善效能。通過磁碟映象，讀請求的處理速度可以加倍，因為讀請求可以送到任一磁碟（只要成對的兩個磁碟都能工作，情況幾乎總是這樣的）。例如，每次讀取的傳輸速率是與單個磁碟系統相同，但是每單位時間的讀取次數翻了一番。採用多個磁碟，通過將資料分散在多個磁碟上，也可以改善傳輸率。最簡單形式是，資料分條包括將每個位元組分散在多個磁碟上，這種分條稱為位級分條。
例如，如果有 8 個磁碟，則可以將每個位元組的位i寫到磁碟 i 上。這 8 個磁碟可作為單個磁碟使用，其磁區為正常磁區的 8 倍，更為重要的是它具有 8 倍的存取率。每個磁碟參與每個存取（讀或寫）；這樣每秒所能處理的存取數量與單個磁碟的一樣，但是每次存取的資料在同樣時間內為單個磁碟系統的8倍。
位級分條可以推廣到其他磁碟數量，它或者是 8 的倍數或者除以 8。例如，如果採用 4 個磁碟陣列，則每個位元組的位 i 和位 4+i 可存在磁碟 i 上。此外，分條不必按位元級來進行。
例如，對於塊級分條，檔案的塊可以分散在多個磁碟上；對於 n 個磁碟，檔案的塊 i 可存在磁碟
(i mod n)+ 1 上。其他分條級別，如單個磁區或單塊磁區的位元組，也是可能的。塊級分條是最常見的。磁碟系統的並行化，通過分條實現，有兩個主要目標：
- 通過負載平衡，增加了多個小存取（即頁面存取）的吞吐量。
- 降低大存取的響應時間。
RAID 級別
映象提供高可靠性，但是昂貴。分條提供高資料傳輸率，但並未改善可靠性。通過磁碟分條和“奇偶”位（下面將要討論），在低代價下提供冗餘可以有多種方案。這些方案有不同的性價折中，並分成不同的級別，稱為RAID級別。這裡討論各種級別，圖 1 顯示了它們（圖中，P 表示糾錯位，而 C 表示資料的第二副本）。
圖 1 RAID的級別