《磁盘阵列原理祥解》B

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    《磁盘阵列原理祥解》B
RAID 5的硬盘分段
不管用何种级别的RAID，磁盘阵列总是用异或（XOR）操作来产生奇偶数据，当子系统中有一个硬盘发生故障时，也是用异或操作重建数据。下列简单分析了XOR是怎样工作的。
硬盘 A B C 奇偶盘 (A, B, C 异或的结果)
数据 1 0 1 0
首先记住在XOR操作中，2个数异或的结果是真（即“1”）时，这二个数中有且一个数为1（另一个为0）。我们假设A, B, C中B盘故障，此时可将A, C和奇偶数据XOR起来，得到B盘失去的数据0；同样如C盘故障，我们可将A, B盘和奇偶盘的数据XOR，得到C盘原先的数据1。
如果推广到7个盘的硬盘子系统：
硬盘 A B C D E F 奇偶位
数据 0 0 0 1 0 1 0
如果丢失B盘数据，我们可以XOR A, C, D, E, F和奇偶位来得到失去的B盘数据0。而XOR A, B, C, D, E, F和奇偶位可恢复D盘的数据1。
采用专用的奇偶校验盘（如上所述，即RAID 3），当同时产生多个写操作时，每次操作都要对奇偶盘进行写入。这将产生I/O瓶颈效应。 RAID 5把奇偶位信息分散分布在硬盘子系统的所有硬盘上（而不是使用专用的校验盘0，这就改善了上述RAID 3中的奇偶盘瓶颈效应。图5说明了RAID 5的一种配置，图中奇偶信息散布在子系统的每个硬盘上。利用每个硬盘的一部分来组成校验盘，写入硬盘的奇偶位信息将较均匀地分布在所有硬盘上。所以某个用户可能把它的一个数据段写在硬盘A，而将奇偶信息写在硬盘B，第二个用户可能把数据写在硬盘C，而奇偶信息写在硬盘D。从这里也可看出RAID 5的性能会得到提高。
这种方法将提高硬盘子系统的事务处理速度。所谓事务处理，是指处理从许多不同用户来的多个硬盘I/O操作，由于可能同时有很多用户与硬盘打交道，迅速向硬盘写入数据，有时几乎是同时进行的，这种情况下，用分布式奇偶盘的方式比起用专用奇偶盘，瓶颈效应发生的可能性要小。
对硬盘操作来说，RAID 5的写性能比不上直接硬盘分段（指没有校验信息的RAID 0）。因为产生或存储奇偶码需要一些额外操作。例如，在修改一个硬盘上的数据时，其它盘上对应段的数据（即使是无关的数据）也要读入主机，以便产生必要的奇偶信息。奇偶段产生后（这要花一些时间），我们要将更新的数据段和奇偶段写入硬盘，这通常称为读－修改－写策略。因此，虽然RAID 5比RAID 0优越，但就写性能来说，RAID 5不如RAID 0。
镜像技术（RAID 1）和数据奇偶位分段（RAID 5）用于上述的硬盘子系统中时，都产生冗余信息。但在RAID 1中，所有数据都被复制到第二个相同的硬盘上。在RAID 5，数据的XOR码而不是数据本身被复制，因此可以用数据的非常紧凑的表现方式，来恢复由于某一硬盘故障而丢失的数据。
采用RAID 5时，对于5个硬盘的数组，有大约20%的硬盘空间用于存放奇偶码，而十个硬盘的数组只有约10%的空间存放奇偶码。在可用空间总的格式化空间的意义上来说，硬盘系统中的硬盘越多该系统就越省钱。
总之，RAID 5把硬盘分段和奇偶冗余技术的优点结合在一起，这样的硬盘子系统特别适合于事务处理环境，例如民航售票处，汽车出租站，销售系统的终端，等等。在某些场合，可优先考虑RAID 1（在那些写数据比读数据更频繁的情况）。但许多情况，RAID 5提供了将高性能，低价格和数据安全性综合在一起的解决办法。
A.7 RAID Level 10

A.8 RAID Level 30
A.9 RAID Level 50
A.10硬盘故障恢复
镜像和RAID提供了从硬盘故障中恢复数据的新方法。因为数据的所有部分都是有冗余的，数据有效性很高（即使在硬盘发生故障时）。另一重要优点是，恢复数据的工作不用立即进行，因为系统可以在一个硬盘有故障的情况下正常工作，当然在这种情况下，剩下的系统就不再有容错性能。要避免丢失数据就必须在第二个硬盘故障前恢复数据。更换故障硬盘后，要进行数据恢复。在镜像系统中“镜像” 盘上有一个数据备份，因此故障硬盘（主硬盘或镜像硬盘）通过简单的硬盘到硬盘的拷贝操作就能重建数据，如图6所示。这个拷贝操作比从磁带上恢复数据要快得多。
图6从镜像盘恢复数据
RAID 5硬盘子系统中，故障硬盘通过无故障硬盘上存放的纠错（奇偶）码信息来重建数据。正常盘上的数据（包括奇偶信息部分）被读出，并计算出故障盘丢失的那些数据，然后写入新替换的盘。这个过程示于图7，它比从磁带上恢复数据要快不少。
设计灵活的磁盘阵列可以重新配置，替换盘的地址不一定和故障盘的地址相同，见图8。这种灵活性使安装过程变得更为简单。备用盘甚至可以在硬盘故障前预先连在系统上。在那种情况下，它就成了随时可用的备份盘。这种盘通常称为“热备份”。
图7目标地址相同的替换盘
图8目标地址不同的替换盘
A.11 可靠性和可用性
这二个名词虽然相互关连，事实上却代表了硬盘故障的二个不同的方面，可靠性指的是硬盘在给定条件下发生故障的概率。可用性指的是硬盘在某种用途中可能用的时间。利用这二个名词，我们可以看到磁盘阵列是怎样把我们的硬盘系统可靠性提高到接近百分之百的程度的。
磁盘阵列可以改善硬盘系统的可靠性。因为某一硬盘中的数据可以从其它硬盘的数据中重新产生出来（例如RAID 5），所以很少会有机会使整个硬盘系统失效。硬盘子系统的可靠性因而大大改善了。
图表9是RAID硬盘子系统与单个硬盘子系统的可靠性比较：
硬盘子系统        硬盘数时间        平均故障时间*        平均丢失数据时间
单个硬盘        1        30,000 小时        30,0000小时
RAID 0 (分段)        5        30,000 小时        6,0000小时
RAID 1 (镜像)        2        30,000 小时        49,9百万小时
RAID 5(分段加奇偶码)        5        30,000 小时        46,2百万小时
图表9 硬盘子系统可靠性比较
   我们还必须考虑系统的可用性。单一硬盘系统的可用性比没有数据冗余的磁盘阵列要好，而冗余磁盘阵列的可用性比单个硬盘的好得多。这是因为冗余磁盘阵列允许单个硬盘出错，而继续正常工作。此外，一个硬盘故障后的系统恢复时间也大大缩短（与从磁带恢复数据相比）。最后，因为发生故障时，硬盘上的数据是故障当时的数据，替后的硬盘也将包含故障时的数据（举例说，前天晚上的备份数据）。要得到完全的容错性能，计算器硬盘子系统的其它部件也必须有冗余例如提供二个电源，或者配备双份硬盘控制器。没有其它部件的冗余，即使有非常可靠的硬盘子系统，还是不能完全防止计算机系统的失效。
A.12 最佳化的容错系统
如先前所述，直接分段的子系统（RAID 0）可以大大提高读写速度（相对单个硬盘），因为数据分散在多个硬盘，硬盘操作可以同时进行。
把二个直接分段的硬盘子系统组成镜像，可以有效地构成全冗余的快速硬盘子系统。这样的子系统，其硬盘操作甚至比直接分段的硬盘子系统还快，因为该系统能同时执行二个读操作（每个硬盘一个读操作），而写操作的速度则与非镜像直接分段子系统几乎一样，因为把数据同时写入二个硬盘只需花费很少的额外开销。
通过我们前面所述的概念，例如双工：（双控制器，双电源等），可以进一步改善有关冗余方面的问题。双控制器还使我们得到更高的数据传输速度，因为控制器成为子系统性能瓶颈的可能性更小了。
A.13 磁盘阵列技术术语
硬盘镜像（Disk Mirroring）：硬盘镜像最简单的形式是，一个主机控制器带二个互为镜像的硬盘。数据同时写入二个硬盘，二个硬盘上的数据完全相同，因此一个硬盘故障时，另一个硬盘可提供数据。
硬盘数据跨盘（Disk Spanning）：利用这种技术，几个硬盘看上去像是一个大硬盘；这个虚拟盘可以把数据跨盘存储在不同的物理盘上，用户不需关心哪个盘上存有他需要的数据。
硬盘数据分段（Disk Striping）：数据分散存储在几个盘上。数据的第一段放在盘0，第2段放在盘1，……直至达到硬盘链中的最后一个盘，然后下一个逻辑段将放在硬盘0，再下一个逻辑段放在盘1，如此循环直至完成写操作。
双控（Duplexing）：这里指的是用二个控制器来驱动一个硬盘子系统。一个控制器发生故障，另一个控制器马上控制硬盘操作。此外，如果编写恰当的控制器软件，可实现不同的硬盘驱动器同时工作。
容错（Fault Tolerant）：具有容错功能的机器有抗故障的能力。例如RAID 1镜像系统是容错的，镜像盘中的一个出故障，硬盘子系统仍能正常工作。
主机控制器（Host Adapter）：这里指的是使主机和外设进行数据交换的控制部件（如SCSI控制器）。
热修复（Hot Fix）：指用一个硬盘热备份来替换发生的故障的硬盘。要注意故障盘并不是真正地被物理替换了。用作热备份的盘被加载上故障盘原来的数据，然后系统恢复工作。
热补（Hot Patch）：具有硬盘热备份，可随时替换故障盘的系统。
热备份（Hot Spare）：与CPU系统电连接的硬盘，它能替换下系统中的故障盘。与冷备份的区别是，冷备份盘平时与机器不相连接，硬盘故障时才换下故障盘。
平均数据丢失时间（MTBDL－Mean Time Between Data Loss）：发生数据丢失的事件间的平均时间。 平均无故障工作时间（MTBF－Mean Time Between Failure或MTIF）：设备平均无故障运行时间。
廉价冗余磁盘阵列（RAID－Redundant Array of Inexpensive Drives）：一种将多个廉价硬盘组合成快速，有容错功能的硬盘子系统的技术。
系统重建（Reconstruction or Rebuild）：一个硬盘发生故障后，从其它正确的硬盘数据和奇偶信息恢复故障盘数据的过程。
恢复时间（Reconstruction Time）：为故障盘重建数据所需要的时间。
单个大容量硬盘（SLED－Singe Expensive Drive）。
传输速率（Transfer Rate）：指在不同条件下存取数据的速度。
虚拟盘（Virtual Disk）：与虚拟存储器类似，虚拟盘是一个概念盘，用户不必关心他的数据写在哪个物理盘上。虚拟盘一般跨越几个物理盘，但用户看到的只是一个盘。


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