解析磁盤RAID的關(guān)鍵技術(shù)

磁盤容錯是指在子系統(tǒng)出現(xiàn)硬盤錯誤或硬盤故障時，可以保證數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)處理能力。RAID控制卡通過冗余的硬盤組在RAID 1、5、6、10、50、60上實現(xiàn)此功能。

在RAID 1中，由于數(shù)據(jù)鏡像存儲于成對的硬盤上，因此在成對的硬盤中的一個產(chǎn)生錯誤或故障時，不會造成數(shù)據(jù)丟失。同理，在RAID 5中，允許1個硬盤故障；在RAID 6中，允許2個硬盤故障。

而對于包含多個子組的RAID，RAID 10、50允許故障盤的個數(shù)與子組數(shù)相同，但是要求每個子組只能包含1個故障盤。RAID 60允許故障盤的個數(shù)為子組數(shù)的2倍，要求每個子組最多包含2個故障盤。

RAID 0不支持容錯特性，當(dāng)RAID 0中的硬盤故障時，該RAID失效，數(shù)據(jù)丟失。

容錯性能提高了系統(tǒng)的可用性，即硬盤故障時，系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行。因此，在故障修復(fù)流程中，容錯是非常重要的特性。

1 一致性校驗

針對有冗余功能的RAID 1、5、6、10、50、60，RAID控制卡可以對RAID組的硬盤數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性校驗，對硬盤數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗和計算，并與對應(yīng)的冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)不一致的情況，會嘗試做自動修復(fù)并保存錯誤信息。

由于RAID 0不具備冗余性，因此不支持一致性校驗。

2 熱備份

RAID控制卡的熱備份特性由熱備盤和緊急備份功能實現(xiàn)。

熱備盤

熱備盤是硬盤系統(tǒng)中的一個獨立的硬盤，當(dāng)RAID組中的硬盤故障時，熱備盤自動取代故障盤作為成員盤，并在熱備盤上重構(gòu)故障盤數(shù)據(jù)。

在RAID控制卡的管理界面或命令行工具中，可以指定容量大于或等于RAID組成員盤，且介質(zhì)類型及接口與成員盤相同的空閑盤作為RAID組的熱備盤。

RAID控制卡支持的熱備盤包括下面兩種：

全局熱備盤，為RAID控制卡上所有已配置的RAID組所共有，1塊RAID控制卡中可配置1個或多個全局熱備盤。當(dāng)任意RAID組內(nèi)的成員盤故障時，全局熱備盤均可自動替代。

局部熱備盤，為RAID控制卡上某個指定的RAID組所專有，每個RAID組都可以配置1個或多個局部熱備盤。當(dāng)指定RAID組內(nèi)的成員盤故障時，局部熱備盤可自動替換。

熱備盤有如下特性：

熱備盤僅用于具有冗余功能的RAID組，包括RAID 1、5、6、10、50、60。

熱備盤僅用于替代同一RAID控制卡上的故障盤。

緊急備份

緊急備份功能，是指任意一個具備冗余功能的RAID組中出現(xiàn)成員盤故障且沒有指定熱備盤時，RAID控制卡下屬的空閑盤會自動替代故障成員盤并進(jìn)行重構(gòu)，避免數(shù)據(jù)丟失。

緊急備份要求用于備份的空閑盤容量大于等于成員盤容量，且介質(zhì)類型與成員盤相同。

3 RAID重構(gòu)

當(dāng)RAID組中出現(xiàn)故障盤時，可以通過RAID控制卡的數(shù)據(jù)重構(gòu)功能，將故障盤中的數(shù)據(jù)在新盤上重構(gòu)。數(shù)據(jù)重構(gòu)功能僅適用于具有冗余功能的RAID 1、5、6、10、50、60。

RAID控制卡支持熱備盤自動重構(gòu)故障成員盤數(shù)據(jù)。當(dāng)RAID組配置了可用的熱備盤時，在成員盤故障的情況下，熱備盤自動替換故障盤，進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)；當(dāng)RAID組沒有可用的熱備盤時，只有更換新盤后才可進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)。當(dāng)熱備盤開始數(shù)據(jù)重構(gòu)后，故障的成員盤就被標(biāo)注為可移除狀態(tài)。如果在數(shù)據(jù)重構(gòu)過程中系統(tǒng)下電，那么在系統(tǒng)重新啟動后，RAID控制卡會繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)重構(gòu)的任務(wù)。

重構(gòu)率，即數(shù)據(jù)重構(gòu)任務(wù)在系統(tǒng)運(yùn)行的所占用CPU資源的比率，可設(shè)置為0%～100%。0%表示數(shù)據(jù)重構(gòu)任務(wù)只有系統(tǒng)當(dāng)前沒有任何其他任務(wù)運(yùn)行時，才會啟動數(shù)據(jù)重構(gòu)任務(wù)。100%表示數(shù)據(jù)重構(gòu)任務(wù)占用所有CPU資源。重構(gòu)率可由用戶自行設(shè)置，建議根據(jù)系統(tǒng)的實際情況設(shè)置一個合適的取值。

4 虛擬磁盤的讀寫策略

在創(chuàng)建虛擬磁盤時，會需要對其數(shù)據(jù)讀寫策略進(jìn)行定義，以規(guī)范后續(xù)虛擬磁盤運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)的讀寫方式。

數(shù)據(jù)讀策略

在配置界面中一般體現(xiàn)為“Read Policy”。RAID控制卡支持如下兩種數(shù)據(jù)讀策略：

預(yù)讀取方式：在配置界面中一般有“Always Read Ahead”、“Read Ahead”、“Ahead”等配置選項。使用此策略后，從虛擬磁盤中讀取所需數(shù)據(jù)時，會把后續(xù)數(shù)據(jù)同時讀出放在Cache中，用戶隨后訪問這些數(shù)據(jù)時可以直接在Cache中命中，將減少硬盤尋道操作，節(jié)省響應(yīng)時間，提高了數(shù)據(jù)讀取速度。

要使用該策略，要求RAID控制卡支持?jǐn)?shù)據(jù)掉電保護(hù)功能，但如果此時超級電容異常，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

非預(yù)讀取方式：使用此策略后，RAID控制卡接收到數(shù)據(jù)讀取命令時，才從虛擬磁盤讀取數(shù)據(jù)，不會做預(yù)讀取的操作。

數(shù)據(jù)寫策略

在配置界面中一般體現(xiàn)為“Write Policy”。RAID控制卡支持如下數(shù)據(jù)寫策略：

回寫：在配置界面中一般體現(xiàn)為“Write Back”等字樣。使用此策略后，需要向虛擬磁盤寫數(shù)據(jù)時，會直接寫入Cache中，當(dāng)寫入的數(shù)據(jù)積累到一定程度，RAID控制卡才將數(shù)據(jù)刷新到虛擬磁盤，這樣不但實現(xiàn)了批量寫入，而且提升了數(shù)據(jù)寫入的速度。當(dāng)控制卡Cache收到所有的傳輸數(shù)據(jù)后，將給主機(jī)返回數(shù)據(jù)傳輸完成信號。

要使用該策略，要求RAID控制卡支持?jǐn)?shù)據(jù)掉電保護(hù)功能，但如果此時超級電容異常，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

直寫：在配置界面中一般有“Write Through”等選項。使用此策略后，RAID控制卡向虛擬磁盤直接寫入數(shù)據(jù)，不經(jīng)過Cache。當(dāng)硬盤子系統(tǒng)接收到所有傳輸數(shù)據(jù)后，控制卡將給主機(jī)返回數(shù)據(jù)傳輸完成信號。

此種方式不要求RAID控制卡支持?jǐn)?shù)據(jù)掉電保護(hù)功能，即使超級電容故障，也無影響。該寫策略的缺點是寫入速度較低。

與BBU相關(guān)的回寫：在配置界面中一般有“Write Back with BBU”等選項。使用此策略后，當(dāng)RAID控制卡BBU在位且狀態(tài)正常時，RAID控制卡到虛擬磁盤的寫操作會經(jīng)過Cache中轉(zhuǎn)（即回寫方式）；當(dāng)RAID控制卡BBU不在位或BBU故障時，RAID控制卡到虛擬磁盤的寫操作會自動切換為不經(jīng)過Cache的直接寫入（即寫通方式）。

強(qiáng)制回寫：在配置界面中一般體現(xiàn)為“Write Back Enforce”、“Always Write Back”等字樣。在RAID控制卡無電容或電容損壞的情況下，強(qiáng)制使用“Write Back”模式。

當(dāng)服務(wù)器出現(xiàn)異常下電時，如果電容不在位或在充電狀態(tài)下，RAID控制卡中DDR（即Cache）的寫數(shù)據(jù)將會丟失。不推薦使用該模式。

5 數(shù)據(jù)掉電保護(hù)

掉電保護(hù)的原理

數(shù)據(jù)寫入RAID控制卡高速緩存的速度大于數(shù)據(jù)寫入硬盤的速度，一次在服務(wù)器進(jìn)行大量寫操作時，都使用RAID控制卡高速緩存來提升系統(tǒng)性能。

開啟RAID控制卡高速緩存可提升整機(jī)寫性能，當(dāng)服務(wù)器寫壓力減小或RAID控制卡高速緩存將寫滿時，數(shù)據(jù)再由RAID控制卡高速緩存寫入硬盤。

開啟RAID控制卡高速緩存提升寫性能的同時，也增大了數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險，在整機(jī)意外掉電時，RAID控制卡高速緩存中的數(shù)據(jù)將會丟失。

為了提升整機(jī)的高讀寫性能和RAID控制卡高速緩存中數(shù)據(jù)的安全，可為RAID控制卡配置超級電容。超級電容保護(hù)模塊的原理是在發(fā)生系統(tǒng)意外掉電時，利用超級電容供電，將RAID控制卡高速緩存中的數(shù)據(jù)寫入超級電容模塊中的NAND Flash中永久保存。

超級電容電量校準(zhǔn)

由于數(shù)據(jù)保護(hù)需要超級電容的配合，為了記錄超級電容的放電曲線，以便RAID控制卡了解超級電容的狀態(tài)，例如最大和最小電壓等，同時為了延長超級電容的壽命，RAID控制卡默認(rèn)啟動超級電容自動校準(zhǔn)模式。

RAID控制卡通過如下所述的三段式充放電操作對超級電容的電量進(jìn)行校準(zhǔn)，使其保持在一個相對穩(wěn)定的值。

1.RAID控制卡將超級電容的電量充到最大值。

2.自動啟動校準(zhǔn)進(jìn)程，將超級電容完全放電。

3.重新開始充電，直至達(dá)到最大電量。

超級電容電量校準(zhǔn)過程中，RAID控制卡寫策略自動調(diào)整為“Write Through”模式以保證數(shù)據(jù)完整性，此時RAID控制卡性能會降低。電量校準(zhǔn)的時間取決于超級電容充放電速度。

6 硬盤條帶化

當(dāng)多個進(jìn)程同時訪問一個硬盤時，可能會出現(xiàn)硬盤沖突。大多數(shù)硬盤系統(tǒng)都對訪問次數(shù)（每秒的I/O操作）和數(shù)據(jù)傳輸率（每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量）有限制。當(dāng)達(dá)到這些限制時，后面需要訪問硬盤的進(jìn)程就需要等待。

條帶化是一種自動的將I/O的負(fù)載均衡到多個物理硬盤上的技術(shù)。條帶化技術(shù)將一塊連續(xù)的數(shù)據(jù)分成多個小部分并將其分別存儲到不同硬盤上去。這就能使多個進(jìn)程同時訪問數(shù)據(jù)的多個不同部分而不會造成硬盤沖突，而且在需要對這種數(shù)據(jù)進(jìn)行順序訪問的時候可以獲得最大程度上的I/O并行能力。

硬盤的條帶化，是將硬盤空間按照設(shè)定的大小分為多個條帶，數(shù)據(jù)寫入時也按照條帶的大小來劃分?jǐn)?shù)據(jù)模塊。

例如，在一個由四個成員盤組成的硬盤系統(tǒng)中（例如RAID 0），第一個數(shù)據(jù)塊寫入第一塊成員盤，第二個數(shù)據(jù)塊寫入第二個成員盤，以此類推，如圖1-11所示。由于是同時對多個硬盤進(jìn)行寫入，因此極大地提升了系統(tǒng)性能，但是，此特性并不能保證數(shù)據(jù)的冗余性。

硬盤分條包含下面的概念：

條帶寬度：一個硬盤組在進(jìn)行分條時所使用的硬盤的個數(shù)，例如一個由四個成員盤組成的硬盤組，其條帶寬度為“4”。

硬盤組的條帶大?。篟AID控制卡同時在一個硬盤組中所有硬盤上的寫入的數(shù)據(jù)塊的大小。

硬盤的條帶大小：RAID控制卡在每塊硬盤上寫入的數(shù)據(jù)塊的大小。

例如，針對一個硬盤組，在寫入數(shù)據(jù)時，一個1MB的數(shù)據(jù)條帶，在每個成員盤上分配的數(shù)據(jù)塊為64KB，那么此硬盤組的條帶大小為1MB，硬盤的條帶大小為64KB。

7 磁盤鏡像

磁盤鏡像，適用于RAID 1和RAID 10，是指執(zhí)行寫數(shù)據(jù)的任務(wù)時，會將同樣的數(shù)據(jù)同時寫入兩塊硬盤，以實現(xiàn)100%的數(shù)據(jù)冗余度。由于兩塊硬盤上的數(shù)據(jù)完全相同，當(dāng)一塊硬盤故障時，數(shù)據(jù)不會丟失。另外，同一時間，兩塊盤上的數(shù)據(jù)是完全相同的，當(dāng)一塊硬盤故障時，由于數(shù)據(jù)是同時讀寫，因此數(shù)據(jù)流不會中斷。

磁盤鏡像帶來的是100%的完全冗余，但是其代價是比較昂貴的，因為在鏡像過程中，每個硬盤都需要一個備份盤。

8 外部配置

外部配置，是區(qū)別于當(dāng)前RAID控制卡的配置來說的，在配置界面中一般體現(xiàn)為“Foreign Configuration”之類的字樣。

一般在下述情況下，會有外部配置出現(xiàn)：

一個新安裝到服務(wù)器上的物理硬盤中存在RAID配置信息，RAID控制卡會將此類信息識別為外部配置。

服務(wù)器更換了RAID控制卡后，新RAID控制卡會將當(dāng)前存在的RAID信息識別為外部配置。

熱插拔RAID組的成員盤后，該成員盤會被標(biāo)記為攜帶外部配置。

對檢測出來的外部配置，可以根據(jù)服務(wù)器實際情況進(jìn)行處理。例如，當(dāng)新插入的硬盤攜帶的RAID信息不符合當(dāng)前使用場景時，可以刪除此配置。更換RAID控制卡后，如果仍然想使用之前的配置，就可以導(dǎo)入該配置，使其在新RAID控制卡上生效。

9 硬盤節(jié)能

RAID控制卡具備硬盤節(jié)能功能。此功能根據(jù)硬盤配置和I/O活動允許硬盤停轉(zhuǎn)。所有SAS和SATA機(jī)械硬盤均支持此功能。

當(dāng)硬盤節(jié)能功能開啟時，RAID控制卡下掛載的空閑狀態(tài)的硬盤和空閑熱備盤均處于節(jié)能狀態(tài)。當(dāng)有相關(guān)操作（例如創(chuàng)建RAID組，創(chuàng)建熱備盤，動態(tài)擴(kuò)盤，進(jìn)行熱備重構(gòu)）時可喚醒正處于節(jié)能狀態(tài)的硬盤。

10 硬盤直通

硬盤直通，即“JBOD”功能，又稱指令透傳，是不經(jīng)過傳輸設(shè)備處理，僅保證傳輸質(zhì)量的一種數(shù)據(jù)傳輸方式。

打開硬盤直通功能后，RAID控制卡可對所連接的硬盤進(jìn)行指令透傳，在不配置RAID組的情況下，用戶指令可以直接透傳到硬盤，方便上層業(yè)務(wù)軟件或管理軟件訪問控制硬盤。

例如，服務(wù)器操作系統(tǒng)安裝過程中，可以直接找到掛載在RAID控制卡下的硬盤作為安裝盤；而不支持硬盤直通的RAID控制卡，在操作系統(tǒng)安裝過程中，只能找到該RAID控制卡下已經(jīng)配置好的虛擬磁盤作為安裝盤。

審核編輯：湯梓紅