磁盤(pán)陣列RAID可靠性分析

介紹了磁盤(pán)陣列的基本概念和常用的磁盤(pán)陣列種類(lèi)，分析了RAID0、RAID3和RAID10三種磁盤(pán)陣列的可靠性值，同時(shí)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，磁盤(pán)陣列的可靠性值基于標(biāo)準(zhǔn)模型在一定程度上可以進(jìn)行量化，能進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算, 得出RAID10比相應(yīng)其他的RAID的容量更大，可靠性更佳。該文的可靠性分析對(duì)磁盤(pán)陣列的進(jìn)一步研究和生產(chǎn)能起到現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)作用。
關(guān) 鍵 詞 磁盤(pán)陣列; 可靠性; 鏡像; 磁盤(pán)陣列控制器

廉價(jià)冗余磁盤(pán)陣列(Redundant Array of Inexpensive Disks，RAID)是將一堆磁盤(pán)通過(guò)相關(guān)的技術(shù)連接起來(lái)，構(gòu)成邏輯上的空間。RAID可以使諸多磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，在邏輯上它們又是一個(gè)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，用RAID可以使單個(gè)的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器提高數(shù)倍的速率。因此，RAID技術(shù)正在變成支持文件共享、郵件交換和Web服務(wù)器等關(guān)鍵性服務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所必備的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)功能[1]。磁盤(pán)陣列根據(jù)RAID控制器采用的工作模式和算法不同有不同的級(jí)別，因而具有不同的可靠性和性能。目前，常用的磁盤(pán)陣列有RAID 0、RAID1、RAID 0+1、RAID 3、RAID 5、RAID 6和RAID 10等[2-5]。本文將分析最具代表性的RAID 0，RAID 3和RAID 10三種磁盤(pán)陣列的可靠度。

1 磁盤(pán)陣列可靠度模型和可靠性值
1.1 磁盤(pán)陣列可靠度模型
一個(gè)磁盤(pán)陣列可以有包含多個(gè)不同的RAID級(jí)和磁盤(pán)容量，為簡(jiǎn)化模型，本文僅討論基于8個(gè)相同RAID級(jí)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器組成的磁盤(pán)陣列，所有計(jì)算均假設(shè)在百分之百運(yùn)轉(zhuǎn)情況下3年內(nèi)可靠性可以達(dá)到0.90的40 GB硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器[2]。
1.2 RAID 0的可靠性值
磁盤(pán)陣列RAID 0 的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，圖中的磁盤(pán)陣列RAID 0由8個(gè)磁盤(pán)組成，因此磁盤(pán)陣列的可靠性值就是每一個(gè)單獨(dú)的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的可靠性的乘積。

RAID 3的可靠性值
RAID 3屬于并行訪問(wèn)磁盤(pán)陣列，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在RAID 3中，使用了專(zhuān)門(mén)的磁盤(pán)存放所有的校驗(yàn)值，并把數(shù)據(jù)分散到剩余的磁盤(pán)上，因而RAID 3需要至少3塊盤(pán)陣來(lái)運(yùn)行。RAID 3是使用專(zhuān)門(mén)校驗(yàn)盤(pán)的并行訪問(wèn)，其性能優(yōu)勢(shì)依賴(lài)于緩存技術(shù)和更高的磁盤(pán)轉(zhuǎn)速。整個(gè)RAID 3系統(tǒng)只需要一個(gè)校驗(yàn)盤(pán)，就可以使硬盤(pán)的利用率提高。
RAID 3可以承受在由n個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器組成的磁盤(pán)陣列中的一個(gè)硬盤(pán)發(fā)生故障，例如：如果奇偶校驗(yàn)硬盤(pán)發(fā)生故障，其余用作存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用的硬盤(pán)不會(huì)被影響，但是冗余信息將丟失，如果其中一個(gè)數(shù)據(jù)硬盤(pán)發(fā)生故障，RAID控制器使用剩余的數(shù)據(jù)硬盤(pán)，并且奇偶校驗(yàn)硬盤(pán)重新計(jì)算丟失的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)性能將有稍微的降低直到發(fā)生故障的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器被恢復(fù)，但是不會(huì)有數(shù)據(jù)丟失。如果在發(fā)生故障的硬盤(pán)恢復(fù)以前另一個(gè)硬盤(pán)發(fā)生故障，那么RAID組件內(nèi)的所有的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。

RAID 10的可靠性值
RAID 10的結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中RAID 10是將RAID 1的鏡像功能和RAID 0的數(shù)據(jù)分割功能混合了起來(lái)，因此RAID 10需要至少4塊硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器(2塊互為鏡像盤(pán)，2塊作為數(shù)據(jù)盤(pán))來(lái)運(yùn)行。其中數(shù)據(jù)是在被鏡像的驅(qū)動(dòng)器組之間分割，當(dāng)一個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器在重建的時(shí)候，RAID 10系統(tǒng)將比奇偶校驗(yàn)RAID系統(tǒng)的性能更好，這是因?yàn)閬G失的數(shù)據(jù)不是從奇偶校驗(yàn)信息來(lái)重新獲得，而是從其余的驅(qū)動(dòng)器上拷貝得到的。
在RAID 10磁盤(pán)陣列中，在鏡像組里有一個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障不會(huì)導(dǎo)致任何數(shù)據(jù)丟失，只要每一個(gè)鏡像組里有一個(gè)活動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，所有的數(shù)據(jù)就仍然是可用的，如果一個(gè)鏡像組里的2個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器都發(fā)生了故障，那么所有的數(shù)據(jù)都會(huì)丟失。

磁盤(pán)陣列可靠度對(duì)比
將設(shè)計(jì)的模型在實(shí)驗(yàn)室按照標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行測(cè)試，結(jié)論和分析基本一致，由8塊盤(pán)組成的RAID組可靠性對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。