磁盘阵列和RAID课件

1、第三章 磁盘阵列和RAID 课程目标 掌握磁盘存储基本知识 理解磁盘系统和磁盘阵列的工作原理 掌握常见RAID级别及其区别 了解RAID规划思路和应用场景磁盘阵列和RAID课程目录磁盘存储RAID技术123RAID对性能的影响及规划思路、应用场景1. 磁盘存储当今数据中心的存储架构至少有几百个硬盘硬盘驱动器非常容易发生故障无数据保护的存储阵列的平均寿命MTBF：设一个存储阵列由100块硬盘组成每块硬盘平均寿命750000小时整个阵列的平均寿命？如何将多块硬盘形成整体，使之能在硬盘故障时提供数据保护的技术？1.1 磁盘阵列概念1.2 磁盘阵列分类1）JBOD磁盘框JBOD（Just a Bunc

2、h of Disks）：是在逻辑上把几个物理磁盘一个接一个的串联在一起，其目的是为了增加磁盘的容量，并不提供数据安全保障。2）RAIDRAID（Redundant Array of Independent Disks）：独立冗余磁盘阵列，简称磁盘阵列。RAID是按一定的形式和方案组织起来的存储设备，它比单个存储设备在速度、稳定性和存储能力上都有很大提高，并且具备一定的数据安全保护能力。1987 年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的 Patterson、Gibson 和 Katz 发表了一篇文章，名为A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks

3、(RAID)（廉价磁盘冗余阵列 (RAID) 案例）。这篇文章介绍了如何使用价格低廉的小容量磁盘驱动器来替代大型机通用的大容量驱动器。术语 RAID 已经重新定义为独立磁盘，以反映存储技术的进步。RAID 技术目前已从学术概念发展成为一种行业标准，并且成为当今存储阵列中的常见实现。磁盘阵列和RAID课程目录磁盘存储RAID技术123RAID对性能的影响及规划思路、应用场景2.1 RAID的基本概念1）RAID的数据组织方式分块：将一个分区分成多个大小相等的、地址相邻的块，这些块称为分块。它是组成分条的元素。分条：同一个磁盘阵列中的多个磁盘驱动器上的相同“位置”（或者说是相同编号）的分块。分条0

4、(stripe)分条1(stripe)分条2(stripe)RAID的数据组织方式: 分块Strip与分条StripeStripe 1Stripe 2StripsStrip 1Strip 2Strip 3StripeStripStripe分条深度影响存储性能的因素分条深度（Stripe Depth）：在使用分条数据映射的磁盘阵列中，条带“分块”的尺寸。块是阵列中写数据的最小单元。分条深度的选择方式通常如下：分条宽度（Stripe Width）：一个分条所包含的数据条带的数量。2）RAID数据存取方式并行存取模式：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

5、磁盘驱动器作一个很短的I/O数据传送，使从主机来的每一个I/O指令，都平均分布到每一个磁盘驱动器，将阵列中每一个磁盘驱动器的性能发挥到最大。适用范围：大型的、数据连续的以长时间顺序访问数据为特征的应用独立存取模式：对每个磁盘驱动器的存取都是独立且没有顺序和时间间隔的限制，可同时接收多个I/O Requests，每笔传输的数据量都比较小。适用范围：数据存取频繁，每笔存取数据量较小的应用3）镜像和校验冗余镜像冗余：使用磁盘镜像技术来实现冗余，将相同数据存储在两台不同的磁盘驱动器上，从而生成两个数据拷贝的技术3）镜像和校验冗余校验冗余：通过计算保存在阵列中成员磁盘驱动器上数据的校验值，并将计算出来的

6、校验值保存在另外的磁盘资源上。RAID控制器D1D2D3D4P461718主机3）镜像和校验冗余校验冗余：校验算法有很多种，比较常见的算法有XOR异或校验算法。和镜像冗余相比较，校验冗余占用的磁盘空间小。通过计算保证数据可靠性。对于校验RAID，条带大小计算不包括校验条块。例如，在条块大小为 64 KB、包含五个 (4 + 1) 磁盘的奇偶校验 RAID 集中，条带大小将为 256 KB (64 KB x 4)。3）镜像和校验冗余校验冗余与镜像区别：校验冗余大幅减少了与数据保护成本。如四个磁盘的奇偶校验 RAID，其中三个磁盘用于保存数据，第四个磁盘用于保存校验信息。镜像则需要 100% 的额

7、外磁盘空间，两个磁盘保存数据，两个磁盘用于镜像。但是，校验信息是从数据磁盘上的数据生成的，每次数据发生更改时都会重新计算校验值。这种重新计算十分耗时，并且会影响 RAID 阵列的性能。补：XOR异或校验法XOR校验的算法相同为假，相异为真：00=0 ; 0 1=1 ; 1 0=1 ; 1 1=0 ;XOR的逆运算仍为XOR：如果A为1，B为0，则校验值P为1：A(1) B(0)=P(1)，则有逆运算：B(0) P(1)=A(1) ; A(1) P(1)=B(0) ; 4）热备、热换、重构热备（Hot Spare）：当冗余的RAID阵列中某个磁盘失效时，在不干扰当前RAID系统正常使用的情况下，

8、用RAID系统中另外一个正常的备用磁盘顶替失效磁盘。热备通过配置热备盘实现，热备盘分为全局热备盘和局部热备盘热换（Hot Swap）：指在不影响系统正常运转的情况下，用正常的磁盘替换RAID系统中的失效磁盘。4）热备、热换、重构重构：镜像阵列或RAID阵列中发生故障的磁盘上的所有用户数据和校验数据的重新构建（rebuild）过程，或者将这些数据写到一个或多个备用磁盘上的过程。5）在线扩容和RAID级别迁移在线扩容：如果已经创建的RAID组容量已无法满足业务需求，而存储设备上面还有空余的硬盘槽位，在不断电的前提下，向空余槽位中插入硬盘，并将新的物理硬盘容量加入到已有的RAID组中而不中断业务的操

9、作。RAID级别迁移：存储设备在使用过程中，更改已有RAID组的等级，而不中断业务的操作。RAID组状态转换6）RAID的实现方式硬件RAID：利用集成了处理器的硬件RAID适配卡来对RAID任务进行处理，无须占用主机CPU资源。 RAID 控制器的主要功能：管理与控制磁盘聚合转换逻辑磁盘和物理磁盘之间的 I/O 请求在磁盘出故障时重新生成数据软件RAID：使用基于主机的软件提供 RAID 功能，在操作系统级别加以实现，成本低、简单直观。限制使用主机 CPU 周期执行 RAID 计算，占用系统内存和主机I/O总线，从而影响系统整体性能支持有限的 RAID 级别仅当 RAID 软件和操作系统兼容

10、时，才可对其进行升级RAID 阵列组件RAID控制器硬盘逻辑阵列（RAID 集）RAID 阵列主机2.2 RAID级别和工作原理RAID0RAID1RAID2RAID3RAID4RAID5RAID6RAID7RAID10RAID01RAID50A0A1B0C0B1C1A，B，C经过控制器1）RAID0RAID0的工作原理 无差错控制的条带化阵列A0A1A2A3A4RAID 0主机ARAID控制器RAID0数据丢失阵列中某一个驱动器发生故障，将导致其中的数据丢失RAID0的特性2）RAID1RAID1工作原理RAID 1D1D1D1D0D0D0RAID控制器主机RAID1数据恢复磁盘损坏更换磁盘

11、读镜像数据复制镜像磁盘数据D0D1D2RAID1的特性3）RAID2RAID2的工作原理RAID2海明码海明码以位为单位，使用多余的奇偶校验位来识别一位错误的校验方法RAID2的特性4）RAID3RAID3工作原理 带奇偶校验码的并行阵列A，B，CP1=A0A1A2RAID3主机A校验盘A0A1A2A3P0RAID控制器RAID3数据恢复A1=P1A0A2A0A2P1RAID3的特性A0，A1，A2，B0，B1，B2，C0，C1，C2A0A1A2B0B1B2C0C1C25）RAID4RAID4工作原理 带奇偶校验的独立磁盘结构B0P2主机RAID控制器计算校验值A0P1P2A0A1B1A2B2

12、A3A0P 1P 4 5 6 7B3RAID4 A0P1B0计算校验值B0P2B0RAID4数据恢复A1=P1A0A2A0A0A1A2B0B1B2C0C1C2A2P1RAID4的特性小6）RAID5RAID5工作原理 分布式奇偶校验独立磁盘结构B0P2主机RAID控制器计算校验值A0P1P2A0A1B1A2B2A3A0P 1P 4 5 6 7B3RAID5 A0P1B0计算校验值B0P2B0RAID5数据恢复D1=P0D0P1=D2D3D4=P2D5RAID5的特性7）RAID6RAID6是带有两种分布存储的奇偶校验码的独立磁盘结构，它是RAID5的一种扩展，采用两种奇偶校验方法，需要至少N+

13、2个磁盘来构成阵列，一般用在数据可靠性、可用性要求极高的应用场合常用的RAID6技术有RAID6 P+Q 和RAID6 DPRAID6 P+Q工作原理RAID6 P+Q需要计算出两个校验数据P和Q，当有两个数据丢失时，根据P和Q恢复出丢失的数据。校验数据P和Q是由以下公式计算得来的：P D0D1 D2 Q = (D0) (D1) (D2) RAID6 DP工作原理DPDouble Parity，就是在RAID4所使用的一个行XOR校验磁盘的基础上又增加了一个磁盘用于存放斜向的XOR校验信息横向校验盘中P1P4为各个数据盘中横向数据的校验信息例：P0=D0 XOR D1 XOR D2 XOR D

14、3斜向校验盘中DP1DP4为各个数据盘及横向校验盘的斜向数据的校验信息例：DP0 = D0 XOR D5 XOR D10 XOR D15RAID6的特性8）RAID7最优化的异步高I/O速率和高数据传输率RAID7自带实时操作系统和存储管理软件，可以完全独立于主机运行，不需要占用主机的CPU资源RAID7的特性RAID10是将镜像和条带进行组合的RAID级别，先进行RAID1镜像然后再做RAID0。RAID10也是一种应用比较广泛的RAID级别。9）RAID组合RAID 10RAID控制器分条A0B0C0A0B0C0A1B1C1A1B1C1A，B，CRAID控制器RAID 10A0主机ABA1

15、A1B0B1B1A0B0RAID 10数据恢复RAID控制器A0B0C0A0B0C0A1B1C1A1B1C1分条RAID 10的特性10）RAID组合RAID 01RAID 01是将条带和镜像进行两级组合的RAID级别，第一级是RAID0，第二级为RAID1。A，B，C磁盘镜像器A0B0C0A1B1C1A0B0C0A1B1C1A，B，C 分条A，B，C 分条RAID控制器RAID控制器RAID 01A0主机ABA0A1B0B0B1A1B1ABABRAID 01数据恢复磁盘镜像器A0B0C0A1B1C1A0B0C0A1B1C1A，B，C 分条A，B，C 分条RAID控制器一般来说，RAID01的

16、失效率要比RAID10大，不过无硬盘故障下，RAID01的读取速度要比RAID10快。RAID 01的特性11）RAID组合RAID50RAID50是将RAID5和RAID0进行两级组合的RAID级别，第一级是RAID5，第二级是RAID0。D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8,D9,D10,D11D0,D1,D4,D5,D8,D9D2,D3, D6,D7,D10,D11RAID50的特性磁盘阵列和RAID课程目录磁盘存储RAID技术123RAID对性能的影响及规划思路、应用场景3.1 RAID 对性能的影响在 RAID 5 中，每次磁盘写入（更新）都表现为四次 I/O 操作（

17、2 次磁盘读取和 2 次磁盘写入）在 RAID 6 中，每次磁盘写入（更新）都表现为六次 I/O 操作（3 次磁盘读取和 3 次磁盘写入）在 RAID 1 中，每次写入都表现为两次 I/O 操作（2 次磁盘写入） Cp 新RAID 控制器+-=C4 旧Cp 旧C4 新1234A1A2A3A4APB1B2B3BPB4C1C2CPC3C4RAID 性能损失计算示例高峰工作负载时的 IOPS 为 1200读/写比为 2:1针对以下配置计算高峰活动时的磁盘负载：RAID 1/0RAID 5解决方案：RAID 性能损失对于 RAID 1/0，磁盘负载（读 + 写） = (1200 x 2/3) + (1

18、200 x (1/3) x 2) = 800 + 800 = 1600 IOPS对于 RAID 5，磁盘负载（读 + 写） = (1200 x 2/3) + (1200 x (1/3) x 4) = 800 + 1600 = 2400 IOPS3.2 RAID组规划思路常见RAID级别的比较RAID 级别RAID 0 RAID 1RAID 3RAID 5RAID6RAID 10容错性 无有有（支持单磁盘故障）有（支持单磁盘故障）有（支持两个磁盘故障）有冗余类型 无 镜像冗余 校验冗余 校验冗余 校验冗余 镜像冗余 可用空间 100% 50%(N-1)/N (N-1)/N (N-2)/N 50%

19、读性能 高 普通（优于单个磁盘）普通（对于随机读取）高（对于顺序读取） 高 高 高 随机写性能 高 普通（比单个磁盘低） 低 良好 低 高 连续写性能 高 普通 普通普通 低 高 最少磁盘数 2个 2个 3个 3个 4个 4个 应用场景 传输带宽需求大的应用 安全性要求较高的应用 大文件、连续数据的应用 读/写比率较高的应用 读/写比率较高的的应用 写入密集、安全性要求高的应用 3.3 常用RAID级别的应用场景应用场景RAID 0RAID 1RAID 10RAID 5RAID 50E-MailWeb应用DB应用流媒体 推荐使用 不推荐使用 可用使用本章总结RAID提供数据冗余保护功能，而JBOD仅仅是对容量的扩充RAID提供方便的数据存取方式RAID提供多种数据保护级别，可根据实际需要进行选择可以根据实际需求进行不同RAID级别的组合知识测验 1 关于软件 RAID 实现，以下哪项描述是正确的？操作系统升级不需要验证与 RAID 软件的兼容性其成本高于硬件 RAID 实现支持所有 RAID 级别使用主机 CPU 周期执行 RAID 计算一个具有 64 KB 条块大小且包含五个磁盘的奇偶校验 RAID 5 集的条带大小是多少？64 KB128 KB256 KB 3