前言

内容来源：本文章为阅读OSTEP38.RAID所记录的笔记，文章链接：https://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/Chinese/38.pdf
本章重点介绍了廉价冗余磁盘阵列（Redundant Array of Inexpensive Disks），简称 RAID，这是一种利用多个磁盘来构建更大、更快、更可靠存储系统的技术。

RAID概述

设计目标：解决单个磁盘在速度（I/O慢）、容量（数据不断增长）和可靠性（磁盘故障）方面的限制。RAID通过并行使用多个磁盘来提高I/O性能，通过冗余来提高可靠性，并提供更大的容量。

透明性：对于上层的文件系统或操作系统来说，RAID看起来就像一个大的、单一的磁盘。这种透明性极大地提高了RAID的可部署性，允许用户无需修改现有软件即可用RAID替换单个磁盘。

内部结构：硬件RAID是一个复杂的专业计算机系统，用于管理一组磁盘,。它包括一个微控制器（运行固件）、DRAM 等易失性存储器（用于缓冲数据块）和非易失性存储器（用于安全地缓冲写入），甚至可能包含专用的逻辑电路来执行奇偶校验计算。

RAID评估与故障模型

评估维度：

• 容量：在给定 N 个磁盘的情况下，客户端可用的容量有多少
• 可靠性：容许多少磁盘故障
• 性能：取决于磁盘阵列提供的工作负载，主要评估单请求延迟和稳态吞吐量

性能工作负载：吞吐量分析通常考虑两种类型的工作负载：顺序（sequential）和随机（random）。磁盘在顺序访问下的传输速率 (S MB/s) 通常远高于随机访问下的传输速率 (R MB/s)

故障模型： RAID 旨在从磁盘故障中恢复。本章假设最简单的故障—停止（fail-stop）模型，即磁盘要么处于工作状态，要么永久丢失，并且故障很容易被检测到。

主要RAID级别介绍

RAID 0：条带化

RAID 0 级通过在系统磁盘上轮转分布数据块来实现并行性，从而提高性能和容量，但不提供冗余，在所有 RAID 级别中，RAID-0 提供了最高的容量 (N) 和最好的性能，但可靠性最差。

如上图所示，这个例子中，每个磁盘上只有1个块（每个大小为4KB），也可以像下图一样，在每个磁盘上放置两个4KB块，此时，RAID阵列的大块大小为8KB，每个条带由4个大块（32KB）组成。
大块大小会影响阵列性能：

• 较小的大块意味着许多文件将跨多个磁盘进行条带化，从而增加了对单个文件的读取和写入的并行性，但是跨多个磁盘访问块的定位时间会增加，因为整个请求的定位时间由所有驱动器上请求的最大定位时间决定
• 较大的大块减少了这种文件内的并行性，但是减少了磁盘访问块的定位时间，例如，如果一个文件放在一个块中并放置在单个磁盘上，则访问它时发生的定位时间将只是单个磁盘的定位时间
  

RAID 1：镜像

对于镜像系统，我们只需生成系统中每个块的多个副本。当然，每个副本应该放在一个单独的磁盘上。通过这样做，我们可以容许磁盘故障。

从镜像阵列读取块时，RAID有一个选择：它可以读取任一副本。例如，如果对RAID发出逻辑块5的读取，则可以自由地从磁盘2或磁盘3读取它。但是，在写入块时，不存在这样的选择：RAID 必须更新两个副本的数据，以保持可靠性。但请注意，这些写入可以并行进行。例如，对逻辑块5的写入可以同时在磁盘2和3上进行。

RAID 4：奇偶检验

RAID 4 为每一条数据（一个条带）添加一个额外的奇偶校验块，用于存储冗余信息，奇偶校验通常使用简单的异或（XOR）函数进行计算。在数据块中的每一位上执行按位 XOR 运算，并将结果放入奇偶校验块的相应位置。RAID 4 允许容忍 1 个磁盘故障。如果丢失了一个磁盘，RAID 可以通过读取该条带中所有其他块（包括奇偶校验块）并进行异或运算来重构（reconstruct）丢失的数据。

RAID5：旋转校验

为解决小写入问题（至少部分解决），推出了旋转奇偶校验，核心原理和RAID4相同，如下

RAID性能分析

顺序和随机工作负载会导致磁盘的性能特征差异很大，对于顺序访问，磁盘以高效的模式运行，花费很少的时间寻道并等待旋转，大部分时间在传输数据；对于随机访问则恰恰相反，大部分时间花在寻道和等待旋转上。我们在下面的性能分析中，假设磁盘可以在连续工作负载下以S MB/s传输数据，并且在随机工作负载下以R MB/s传输数据

RAID 0

条带化的性能通常很好，从延迟角度来看，单块请求的延迟应该与单个磁盘的延迟几乎相同，从稳态吞吐量的角度来看，我们期望获得系统的全部带宽。因此吞吐量等于N（磁盘数量）乘以S（单个磁盘的顺序带宽）。对于大量随机的I/O，我们可以再次使用所有磁盘，从而获得N×R MB/s

RAID 1

从容量的角度来看，RAID-1价格昂贵。在镜像级别=2的情况下，我们只能获得峰值有用容量的一半。因此，对于N个磁盘，镜像的有用容量为N/2
从可靠性的角度来看，RAID 1可以容许任何一个磁盘的故障，比如在表38.3中，磁盘0和磁盘2都故障了，但没有数据丢失，更一般地说RAID 1最多可以容许N/2个磁盘故障，不过这取决于哪些磁盘故障，故存在一些不确定性，因此，镜像对于处于单个故障来说才是比较好的
最后分析性能：

• 从单个读取请求的延迟角度来看，与RAID 0是相同的，从单个写入来看，由于需要完成两次物理写入，即使这两次写入时并行发生的，还是遭遇两个写入中最差的寻道和旋转延迟，因此略高于RAID 0的延迟。
• 现在分析稳态吞吐量，首先是顺序负载，对于写入，例如在表38.3我想写入逻辑块0，RAID在内部会将其同时写入磁盘0和磁盘1，因此最大带宽是N×S/2；对于读取，虽然读取只需要一个副本，但由于数据在镜像对之间进行条带化，每个磁盘实际上只接收到每隔一个块的请求。当磁盘在跳过的块上旋转时，它不会为客户提供有用的带宽，因此每个磁盘也是N×S/2。对于随机负载，随机读取是镜像RAID的最佳案例。在这种情况下，我们可以在所有磁盘上分配读取数据，从而获得完整的可用带宽。因此，对于随机读取，RAID-1提供N×R MB/S，写入依然需要写入两份，故N×R/2 MB/S

RAID 4

从容量的角度来看，RAID-4 使用1个磁盘作为它所保 护的每组磁盘的奇偶校验信息。因此，RAID组的有用容量是（N−1）。可靠性也很容易理解：RAID-4容许1个磁盘故障，不容许更多。如果丢失多个磁盘，则无法重建丢失的数据。
最后分析性能：

• 顺序读取：可以利用除奇偶校验磁盘以外的所有磁盘，因此可提供（N−1）×S MB/s（简单情况）的峰值有效带宽
• 顺序写入：在这种情况下，如表38.4所示，RAID可以简单计算P0新值（通过在块0、1、2、3上执行XOR），然后将所有块（包括奇偶块）并行写入上面的5个磁盘，因此RAID4是可以支持全条带顺序写入的，有效带宽为（N-1）×S MB/s
• 随机读取：一组1块的随机读取将分布在系统的数据磁盘上，而不是奇偶校验磁盘上。因此，有效性能是：（N−1）×R MB/s
• 随机写入：我们希望在上面的例子中覆盖写入块1。我们可以继续并覆盖它，但这会给我们带来一个问题：奇偶校验块P0将不再准确地反映条带的正确奇偶校验值。在这个例子中，P0也必须更新。我们如何正确并有效地更新它？第一种称为加法奇偶校验，为了计算新奇偶校验块的值，并行读取条带中所有其他数据块（在本例中为块 0、2 和 3），并与新块（1）进行异或，结果是新的校验块。这种技术的问题在于它随磁盘数量而变化，因此在较大的RAID中，需要大量的读取来计算奇偶校验。因此，产生了减法奇偶校验方法，这种情况下，只需要通过将新数据、旧数据和旧校验码三者异或就可以得到新的校验码。假设我们使用减法奇偶校验方法，考虑这样一个场景：几乎同时向 RAID-4 提交 2 个小的请求，写入块 4 和块 13（如表38.4所示），由于这两个请求都必须读取 4 和 13 的奇偶校验块，因此，即使可以并行访问数据磁盘，奇偶校验磁盘也不会实现任何并行，我们将它称为基于奇偶校验的 RAID 的小写入问题。综上，在随机写入情况下，有效带宽仅仅有R/2 MB/s

RAID 5

RAID-5 的大部分分析与 RAID-4 相同。例如，两级的有效容量和容错能力是相同的。 顺序读写性能也是如此。单个请求（无论是读还是写）的延迟也与 RAID-4 相同。
RAID-5 的随机写入性能明显提高，因为它允许跨请求进行并行处理。想象一下写入块 1 和写入块 10。这将变成对磁盘1和磁盘4（对于块1及其奇偶校验）的请求以及对磁盘0和磁盘2（对于块10及其奇偶校验）的请求。因此，它们可以并行进行。事实上,我们通常可以假设，如果有大量的随机请求，我们将能够保持所有磁盘均匀忙碌。如果是这样的话，那么我们用于小写 入的总带宽将是 N×R/4 MB/S

RAID总结

如果对可靠性零要求，仅追求极致速度：RAID 0
如果需要可靠性且看重随机 I/O 性能（尤其是读取），但容量预算充足：RAID 1
如果容量和可靠性是主要目标，且可接受小写入性能损失：RAID 5