硬盤分段和數(shù)據(jù)冗余（RAID2～5）

硬盤分段改善了硬盤子系統(tǒng)的性能，因?yàn)橄蛴脖P讀寫數(shù)據(jù)的速度與硬盤子系統(tǒng)中硬盤數(shù)目成正比地增加，但它的缺點(diǎn)是硬盤子系統(tǒng)中任一硬盤的故障都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算器系統(tǒng)失敗。整個(gè)分段的硬盤子系統(tǒng)部能作鏡像，如果已經(jīng)用了4個(gè)硬盤進(jìn)行分段，我們可以再增加4個(gè)分段的硬盤作為原來4個(gè)硬盤的鏡像。很明顯這是昂貴的（雖然可能比鏡像一個(gè)昂貴的大硬盤來得便宜）。可以不用鏡像而用其它數(shù)據(jù)冗余的方法來提供高容錯(cuò)性能。可以選擇一神奇偶碼模式來實(shí)現(xiàn)上述方法，可以外加一個(gè)專作奇偶校驗(yàn)用的硬盤（如在RAID3中），或者可把奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù)分散分布在磁盤陣列的全部硬盤中。不管用何種級(jí)別的RAID，磁盤陣列總是用異或（XOR）操作來產(chǎn)生奇偶數(shù)據(jù)，當(dāng)子系統(tǒng)中有一個(gè)硬盤發(fā)生故障時(shí)，也是用異或操作重建數(shù)據(jù)。下列簡(jiǎn)單分析了XOR是怎樣工作的。

 

硬盤ABC奇偶盤(A,B,C異或的結(jié)果)

數(shù)據(jù)1010

首先記住在XOR操作中，2個(gè)數(shù)異或的結(jié)果是真（即“1”）時(shí)，這二個(gè)數(shù)中有且一個(gè)數(shù)為1（另一個(gè)為0）。我們假設(shè)A,B,C中B盤故障，此時(shí)可將A,C和奇偶數(shù)據(jù)XOR起來，得到B盤失去的數(shù)據(jù)0；同樣如C盤故障，我們可將A,B盤和奇偶盤的數(shù)據(jù)XOR，得到C盤原先的數(shù)據(jù)1。如果推廣到7個(gè)盤的硬盤子系統(tǒng)：

硬盤ABCDEF奇偶位

數(shù)據(jù)0001010

 

如果丟失B盤數(shù)據(jù)，我們可以XORA,C,D,E,F和奇偶位來得到失去的B盤數(shù)據(jù)0。而XORA,B,C,D,E,F和奇偶位可恢復(fù)D盤的數(shù)據(jù)1。采用專用的奇偶校驗(yàn)盤（如上所述，即RAID3），當(dāng)同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)寫操作時(shí)，每次操作都要對(duì)奇偶盤進(jìn)行寫入。這將產(chǎn)生I/O瓶頸效應(yīng)。RAID5把奇偶位信息分散分布在硬盤子系統(tǒng)的所有硬盤上（而不是使用專用的校驗(yàn)盤0，這就改善了上述RAID3中的奇偶盤瓶頸效應(yīng)。RAID5的一種配置:奇偶信息散布在子系統(tǒng)的每個(gè)硬盤上。利用每個(gè)硬盤的一部分來組成校驗(yàn)盤，寫入硬盤的奇偶位信息將較均勻地分布在所有硬盤上。所以某個(gè)用戶可能把它的一個(gè)數(shù)據(jù)段寫在硬盤A，而將奇偶信息寫在硬盤B，第二個(gè)用戶可能把數(shù)據(jù)寫在硬盤C，而奇偶信息寫在硬盤D。從這里也可看出RAID5的性能會(huì)得到提高。這種方法將提高硬盤子系統(tǒng)的事務(wù)處理速度。所謂事務(wù)處理，是指處理從許多不同用戶來的多個(gè)硬盤I/O操作，由于可能同時(shí)有很多用戶與硬盤打交道，迅速向硬盤寫入數(shù)據(jù)，有時(shí)幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，這種情況下，用分布式奇偶盤的方式比起用專用奇偶盤，瓶頸效應(yīng)發(fā)生的可能性要小。對(duì)硬盤操作來說，RAID5的寫性能比不上直接硬盤分段（指沒有校驗(yàn)信息的RAID0）。因?yàn)楫a(chǎn)生或存儲(chǔ)奇偶碼需要一些額外操作。例如，在修改一個(gè)硬盤上的數(shù)據(jù)時(shí)，其它盤上對(duì)應(yīng)段的數(shù)據(jù)（即使是無關(guān)的數(shù)據(jù)）也要讀入主機(jī)，以便產(chǎn)生必要的奇偶信息。奇偶段產(chǎn)生后（這要花一些時(shí)間），我們要將更新的數(shù)據(jù)段和奇偶段寫入硬盤，這通常稱為讀－修改－寫策略。因此，雖然RAID5比RAID0優(yōu)越，但就寫性能來說，RAID5不如RAID0。鏡像技術(shù)（RAID1）和數(shù)據(jù)奇偶位分段（RAID5）用于上述的硬盤子系統(tǒng)中時(shí)，都產(chǎn)生冗余信息。但在RAID1中，所有數(shù)據(jù)都被復(fù)制到第二個(gè)相同的硬盤上。在RAID5，數(shù)據(jù)的XOR碼而不是數(shù)據(jù)本身被復(fù)制，因此可以用數(shù)據(jù)的非常緊湊的表現(xiàn)方式，來恢復(fù)由于某一硬盤故障而丟失的數(shù)據(jù)。采用RAID5時(shí)，對(duì)于5個(gè)硬盤的數(shù)組，有大約20%的硬盤空間用于存放奇偶碼，而十個(gè)硬盤的數(shù)組只有約10%的空間存放奇偶碼。在可用空間總的格式化空間的意義上來說，硬盤系統(tǒng)中的硬盤越多該系統(tǒng)就越省錢。總之，RAID5把硬盤分段和奇偶冗余技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，這樣的硬盤子系統(tǒng)特別適合于事務(wù)處理環(huán)境，例如民航售票處，汽車出租站，銷售系統(tǒng)的終端，等等。在某些場(chǎng)合，可優(yōu)先考慮RAID1（在那些寫數(shù)據(jù)比讀數(shù)據(jù)更頻繁的情況）。但許多情況，RAID5提供了將高性能，低價(jià)格和數(shù)據(jù)安全性綜合在一起的解決辦法。

 

 

硬盤故障恢復(fù)

鏡像和RAID提供了從硬盤故障中恢復(fù)數(shù)據(jù)的新方法。因?yàn)閿?shù)據(jù)的所有部分都是有冗余的，數(shù)據(jù)有效性很高（即使在硬盤發(fā)生故障時(shí)）。另一重要優(yōu)點(diǎn)是，恢復(fù)數(shù)據(jù)的工作不用立即進(jìn)行，因?yàn)橄到y(tǒng)可以在一個(gè)硬盤有故障的情況下正常工作，當(dāng)然在這種情況下，剩下的系統(tǒng)就不再有容錯(cuò)性能。要避免丟失數(shù)據(jù)就必須在第二個(gè)硬盤故障前恢復(fù)數(shù)據(jù)。更換故障硬盤后，要進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。在鏡像系統(tǒng)中“鏡像”盤上有一個(gè)數(shù)據(jù)備份，因此故障硬盤（主硬盤或鏡像硬盤）通過簡(jiǎn)單的硬盤到硬盤的拷貝操作就能重建數(shù)據(jù)，這個(gè)拷貝操作比從磁帶上恢復(fù)數(shù)據(jù)要快得多。RAID5硬盤子系統(tǒng)中，故障硬盤通過無故障硬盤上存放的糾錯(cuò)（奇偶）碼信息來重建數(shù)據(jù)。正常盤上的數(shù)據(jù)（包括奇偶信息部分）被讀出，并計(jì)算出故障盤丟失的那些數(shù)據(jù)，然后寫入新替換的盤。這個(gè)過程比從磁帶上恢復(fù)數(shù)據(jù)要快不少。設(shè)計(jì)靈活的磁盤陣列可以重新配置，替換盤的地址不一定和故障盤的地址相同。這種靈活性使安裝過程變得更為簡(jiǎn)單。備用盤甚至可以在硬盤故障前預(yù)先連在系統(tǒng)上。在那種情況下，它就成了隨時(shí)可用的備份盤。這種盤通常稱為“熱備份”。

 

可靠性和可用性

這二個(gè)名詞雖然相互關(guān)連，事實(shí)上卻代表了硬盤故障的二個(gè)不同的方面，可靠性指的是硬盤在給定條件下發(fā)生故障的概率。可用性指的是硬盤在某種用途中可能用的時(shí)間。利用這二個(gè)名詞，我們可以看到磁盤陣列是怎樣把我們的硬盤系統(tǒng)可靠性提高到接近百分之百的程度的。磁盤陣列可以改善硬盤系統(tǒng)的可靠性。因?yàn)槟骋挥脖P中的數(shù)據(jù)可以從其它硬盤的數(shù)據(jù)中重新產(chǎn)生出來（例如RAID5），所以很少會(huì)有機(jī)會(huì)使整個(gè)硬盤系統(tǒng)失效。硬盤子系統(tǒng)的可靠性因而大大改善了。下表是RAID硬盤子系統(tǒng)與單個(gè)硬盤子系統(tǒng)的可靠性比較：

硬盤子系統(tǒng)，硬盤數(shù)時(shí)間，平均故障時(shí)間*，平均丟失數(shù)據(jù)時(shí)間

單個(gè)硬盤，1，30,000小時(shí)，30,0000小時(shí)

RAID0(分段)，5，30,000小時(shí)，6,0000小時(shí)

RAID1(鏡像)，2，30,000小時(shí)，49,9百萬小時(shí)

RAID5(分段加奇偶碼)，5，30,000小時(shí)，46,2百萬小時(shí)

 

硬盤子系統(tǒng)可靠性比較

我們還必須考慮系統(tǒng)的可用性。單一硬盤系統(tǒng)的可用性比沒有數(shù)據(jù)冗余的磁盤陣列要好，而冗余磁盤陣列的可用性比單個(gè)硬盤的好得多。這是因?yàn)槿哂啻疟P陣列允許單個(gè)硬盤出錯(cuò)，而繼續(xù)正常工作。此外，一個(gè)硬盤故障后的系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間也大大縮短（與從磁帶恢復(fù)數(shù)據(jù)相比）。最后，因?yàn)榘l(fā)生故障時(shí)，硬盤上的數(shù)據(jù)是故障當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)，替后的硬盤也將包含故障時(shí)的數(shù)據(jù)（舉例說，前天晚上的備份數(shù)據(jù)）。要得到完全的容錯(cuò)性能，計(jì)算器硬盤子系統(tǒng)的其它部件也必須有冗余例如提供二個(gè)電源，或者配備雙份硬盤控制器。沒有其它部件的冗余，即使有非常可靠的硬盤子系統(tǒng)，還是不能完全防止計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的失效。

 

最佳化的容錯(cuò)系統(tǒng)

如先前所述，直接分段的子系統(tǒng)（RAID0）可以大大提高讀寫速度（相對(duì)單個(gè)硬盤），因?yàn)閿?shù)據(jù)分散在多個(gè)硬盤，硬盤操作可以同時(shí)進(jìn)行。把二個(gè)直接分段的硬盤子系統(tǒng)組成鏡像，可以有效地構(gòu)成全冗余的快速硬盤子系統(tǒng)。這樣的子系統(tǒng)，其硬盤操作甚至比直接分段的硬盤子系統(tǒng)還快，因?yàn)樵撓到y(tǒng)能同時(shí)執(zhí)行二個(gè)讀操作（每個(gè)硬盤一個(gè)讀操作），而寫操作的速度則與非鏡像直接分段子系統(tǒng)幾乎一樣，因?yàn)榘褦?shù)據(jù)同時(shí)寫入二個(gè)硬盤只需花費(fèi)很少的額外開銷。通過我們前面所述的概念，例如雙工：（雙控制器，雙電源等），可以進(jìn)一步改善有關(guān)冗余方面的問題。雙控制器還使我們得到更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，因?yàn)榭刂破鞒蔀樽酉到y(tǒng)性能瓶頸的可能性更小了。