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关于RAID

原创 Linux操作系统 作者:strongthink 时间:2009-10-26 21:41:22 0 删除 编辑

RAID 012345 到底哪一种适合你,不只是成本问题,容错功能和传输性能的考虑以及未来之可扩充性都应该符合应用的需求。

  RAID 在市场上的的应用,已经不是新鲜的事儿了,很多人都大略了解RAID的基本观念,以及各个不同RAID LEVEL 的区分。但是在实际应用面,我们发现,有很多使用者对于选择一个合适的RAID LEVEL,仍然无法很确切的掌握,尤其是对于RAID 0+1 (10),RAID 3,RAID 5之间的选择取舍,更是举棋不定。

  本文将针对RAID 0+1/10、RAID 3以及RAID 5的工作原理和特性,作一些分析和比较,以列出这些不同RAID阶层所适合的应用,希望对各位能有原则性的帮助。

   RAID条切“striped”的存取模式

  在使用数据条切﹝Data Stripping﹞ 的RAID 系统之中,对成员磁盘驱动器的存取方式,可分为两种:

  并行存取﹝Paralleled Access﹞
  独立存取﹝Independent Access﹞

  RAID 2和RAID 3 是采取并行存取模式。

  RAID 0、RAID 4、RAID 5及RAID 6则是采用独立存取模式。

   平行存取模式

  并行存取模式支持里,是把所有磁盘驱动器的主轴马达作精密的控制,使每个磁盘的位置都彼此同步,然后对每一个磁盘驱动器作一个很短的I/O数据传送,如此一来,从主机来的每一个I/O 指令,都平均分布到每一个磁盘驱动器。

  为了达到并行存取的功能,RAID 中的每一个磁盘驱动器,都必须具备几乎完全相同的规格:转速必须一样;磁头搜寻速度﹝Access Time﹞必须相同;Buffer 或Cache的容量和存取速度要一致;CPU处理指令的速度要相同;I/O Channel 的速度也要一样。总而言之,要利用并行存取模式,RAID 中所有的成员磁盘驱动器,应该使用同一厂牌,相同型号的磁盘驱动器。

   

  并行存取的基本工作原理

  假设RAID中共有四部相同规格的磁盘驱动器,分别为磁盘驱动器A、B、C和D,我们在把时间轴略分为T0、T1、T2、T3和T4:

T0: RAID控制器将第一笔数据传送到A的Buffer,磁盘驱动器B、C和D的Buffer都是空的,在等待中
T1: RAID控制器将第二笔数据传送到B的Buffer,A开始把Buffer中的数据写入扇区,磁盘驱动器C和D的Buffer都是空的,在等待中
T2: RAID控制器将第三笔数据传送到C的Buffer,B开始把Buffer中的数据写入扇区,A已经完成写入动作,磁盘驱动器D和A的Buffer都是空的,在等待中
T3: RAID控制器将第四笔数据传送到D的Buffer,C开始把Buffer中的数据写入扇区,B已经完成写入动作,磁盘驱动器A和B的Buffer都是空的,在等待中
T4: RAID控制器将第五笔数据传送到A的Buffer,D开始把Buffer中的数据写入扇区,C已经完成写入动作,磁盘驱动器B和C的Buffer都是空的,在等待中
 
如此一直循环,一直到把从主机来的这个I/O 指令处理完毕,RAID控制器才会受处理下一个I/O 指令。重点是在任何一个磁盘驱动器准备好把数据写入扇区时,该目的扇区必须刚刚好转到磁头下。同时RAID控制器每依次传给一个磁盘驱动器的数据长度,也必须刚刚好,配合磁盘驱动器的转速,否则一旦发生miss,RAID 性能就大打折扣。

  并行存取RAID的最佳应用

  并行存取RAID之架构,以其精细的马达控制和分布之数据传输,将数组中每一个磁盘驱动器的性能发挥到最大,同时充分利用Storage Bus的频宽,因此特别适合应用在大型、数据连续的档案存取应用,例如:

  影像、视讯档案服务器
  数据仓储系统
  多媒体数据库
  电子图书馆
  印前或底片输出档案服务
  其它大型且连续性档案服务器

  由于并行存取RAID架构之特性,RAID 控制器一次只能处理一个I/O要求,无法执行Overlapping 的多任务,因此非常不适合应用在I/O次数频繁、数据随机存取、每笔数据传输量小的环境。同时,因为并行存取无法执行Overlapping 的多任务,因此没有办法"隐藏"磁盘驱动器搜寻﹝seek﹞的时间,而且在每一个I/O的第一笔数据传输,都要等待第一个磁盘驱动器旋转延迟﹝rotational latency﹞,平均为旋转半圈的时间,如果使用一万转的磁盘驱动器,平均就需要等待50 usec。所以机械延迟时间,是并行存取架构的最大问题。

   独立存取模式

  相对于并行存取模式,独立存取模式并不对成员磁盘驱动器作同步转动控制,其对每个磁盘驱动器的存取,都是独立且没有顺序和时间间格的限制,同时每笔传输的数据量都比较大。因此,独立存取模式可以尽量地利用overlapping 多任务、Tagged Command Queuing等等高阶功能,来"隐藏"上述磁盘驱动器的机械时间延迟﹝Seek 和Rotational Latency﹞。

  由于独立存取模式可以做overlapping 多任务,而且可以同时处理来自多个主机不同的I/O Requests,在多主机环境﹝如Clustering﹞,更可发挥最大的性能。

  独立存取RAID的最佳应用

  由于独立存取模式可以同时接受多个I/O Requests,因此特别适合应用在数据存取频繁、每笔数据量较小的系统。例如:

  在线交易系统或电子商务应用
  多使用者数据库
  ERM及MRP 系统
  小文件之文件服务器

一般常用的RAID阶层,分别是RAID 0、RAID1、RAID 3、RAID 4以及RAID 5,再加上二合一型 RAID 0+1﹝或称RAID 10﹞。我们先把这些RAID级别的优、缺点做个比较:
 

RAID级别 相对优点 相对缺点
RAID 0 存取速度最快 没有容错
RAID 1 完全容错 成本高  
RAID 3 写入性能最好 没有多任务功能
RAID 4 具备多任务及容错功能 Parity 磁盘驱动器造成性能瓶颈
RAID 5 具备多任务及容错功能 写入时有overhead
RAID 0+1/RAID 10 速度快、完全容错 成本高


  接下来,我们分别针对RAID 3、RAID 5以及RAID 0+1/RAID 10作深入的讨论。

  RAID 3特点与应用

  RAID 3 是将数据先做XOR 运算,产生Parity Data后,在将数据和Parity Data以并行存取模式写入成员磁盘驱动器中,因此具备并行存取模式的优点和缺点。进一步来说,RAID 3每一笔数据传输,都更新整个Stripe﹝即每一个成员磁盘驱动器相对位置的数据都一起更新﹞,因此不会发生需要把部分磁盘驱动器现有的数据读出来,与新数据作XOR运算,再写入的情况发生﹝这个情况在RAID 4和RAID 5会发生,一般称之为Read、Modify、Write Process,我们姑且译为为读、改、写过程﹞。因此,在所有RAID级别中,RAID 3的写入性能是最好的。

  RAID 3的 Parity Data 一般都是存放在一个专属的Parity Disk,但是由于每笔数据都更新整个Stripe,因此,RAID 3的 Parity Disk 并不会如RAID 4的 Parity Disk,会造成存取的瓶颈。

  RAID 3的并行存取模式,需要RAID 控制器特别功能的支持,才能达到磁盘驱动器同步控制,而且上述写入性能的优点,以目前的Caching 技术,都可以将之取代,因此一般认为RAID 3的应用,将逐渐淡出市场。

  RAID 3 以其优越的写入性能,特别适合用在大型、连续性档案写入为主的应用,例如绘图、影像、视讯编辑、多媒体、数据仓储、高速数据撷取等等。

  RAID 4特点与应用

  RAID 4 是采取独立存取模式,同时以单一专属的Parity Disk 来存放Parity Data。RAID 4的每一笔传输﹝Strip﹞资料较长,而且可以执行Overlapped I/O,因此其读取的性能很好。

  但是由于使用单一专属的Parity Disk 来存放Parity Data,因此在写入时,就会造成很大的瓶颈。因此,RAID 4并没有被广泛地应用。

  RAID 5特点与应用

  RAID 5也是采取独立存取模式,但是其Parity Data 则是分散写入到各个成员磁盘驱动器,因此,除了具备Overlapped I/O 多任务性能之外,同时也脱离如RAID 4单一专属Parity Disk的写入瓶颈。但是,RAI?D 5在座资料写入时,仍然稍微受到"读、改、写过程"的拖累。

  由于RAID 5 可以执行Overlapped I/O 多任务,因此当RAID 5的成员磁盘驱动器数目越多,其性能也就越高,因为一个磁盘驱动器再一个时间只能执行一个 Thread,所以磁盘驱动器越多,可以Overlapped 的Thread 就越多,当然性能就越高。但是反过来说,磁盘驱动器越多,数组中可能有磁盘驱动器故障的机率就越高,整个数组的可靠度,或MTDL (Mean Time to Data Loss) 就会降低。

  由于RAID 5将Parity Data 分散存在各个磁盘驱动器,因此很符合XOR技术的特性。例如,当同时有好几个写入要求发生时,这些要写入的数据以及Parity Data 可能都分散在不同的成员磁盘驱动器,因此RAID 控制器可以充分利用Overlapped I/O,同时让好几个磁盘驱动器分别作存取工作,如此,数组的整体性能就会提高很多。

  基本上来说,多人多任务的环境,存取频繁,数据量不是很大的应用,都适合选用RAID 5 架构,例如企业档案服务器、WEB 服务器、在线交易系统、电子商务等应用,都是数据量小,存取频繁的应用。

  RAID 0+1﹝RAID 10﹞

  RAID 0+1/RAID 10,综合了RAID 0 和 RAID 1的优点,适合用在速度需求高,又要完全容错,当然经费也很多的应用。RAID 0和RAID 1的原理很简单,合起来之后还是很简单,我们不打算详细介绍,倒是要谈谈,RAID 0+1到底应该是RAID 0 over RAID 1,还是RAID 1 over RAID 0,也就是说,是把多个RAID 1 做成RAID 0,还是把多个RAID 0 做成RAID 1?

RAID 0 over RAID 1

  假设我们有四台磁盘驱动器,每两台磁盘驱动器先做成RAID 1,再把两个RAID 1做成RAID 0,这就是RAID 0 over RAID 1:

  (RAID 1) A = Drive A1 + Drive A2 (Mirrored)
  (RAID 1) B = Drive B1 + Drive B2 (Mirrored)
  RAID 0 = (RAID 1) A + (RAID 1) B (Striped)

  RAID 1 over RAID 0

  假设我们有六台磁盘驱动器,每两台磁盘驱动器先做成RAID 0,再把两个RAID 0做成RAID 1,这就是RAID 0 over RAID 1:

  (RAID 0) A = Drive A1 + Drive A2 (Striped)
  (RAID 0) B = Drive B1 + Drive B2 (Striped)
  RAID 1 = (RAID 1) A + (RAID 1) B (Mirrored)

  在这种架构之下,如果 (RAID 0) A有一台磁盘驱动器故障,(RAID 0) A就算毁了,当然RAID 1仍然可以正常工作;如果这时 (RAID 0) B也有一台磁盘驱动器故障,(RAID 0) B也就算毁了,此时RAID 1的两磁盘驱动器都算故障,整个RAID 1资料就毁了。

  因此,RAID 0 OVER RAID 1应该比RAID 1 OVER RAID 0具备比较高的可靠度。所以我们建议,当采用RAID 0+1/RAID 10架构时,要先作RAID 1,再把数个RAID 1做成RAID 0。

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