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RAID级别的介绍与选择依据
2006-09-15知识编号:011821
催更新

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。


  下面将针对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,对使用者能有原则性的帮助。

 

   RAID条带“striped”的存取模式


  在使用数据条带(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dependent 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器;


  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?zseek?{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?zrotational 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,RAID 5在做资料写入时,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。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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