張子堯 張晉榮 劉靖宇

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RAID方案可靠性分析

張子堯 張晉榮 劉靖宇

河北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300401

RAID具備優(yōu)秀的I/O性能和較高的可靠性，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。不同的應(yīng)用場(chǎng)景需要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性不同，不經(jīng)過分析而選取的RAID方案可能造成資源的浪費(fèi)或者使用戶承受數(shù)據(jù)損失的風(fēng)險(xiǎn)?；诖耍瑢?duì)各RAID方案可靠性進(jìn)行了分析，并完成了對(duì)各級(jí)RAID特點(diǎn)及適用性的總結(jié)，為根據(jù)實(shí)際需求選擇RAID方案提供了理論依據(jù)。

RAID；可靠性；磁盤陣列

引言

獨(dú)立磁盤冗余陣列[1]最早由Patterson等人提出。優(yōu)秀的I/O性能和較高的數(shù)據(jù)可靠性使RAID技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展。根據(jù)磁盤數(shù)據(jù)布局的不同，常見的RAID可分為RAID 0/RAID 1/RAID 10/RAID 4/RAID 5。各級(jí)RAID適用于不同級(jí)別的數(shù)據(jù)安全需求。不經(jīng)過分析而選取的RAID方案可能造成資源的浪費(fèi)或者使用戶承受數(shù)據(jù)損失的風(fēng)險(xiǎn)。

本文通過分析常用RAID級(jí)別的可靠性，為針對(duì)實(shí)際需求選擇RAID方案提供了理論依據(jù)。

1 多RAID方案可靠性分析

RAID方案可分為不同等級(jí)[2]。不同RAID等級(jí)權(quán)衡了數(shù)據(jù)的可靠性及I/O性能。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，可針對(duì)特定的存儲(chǔ)環(huán)境及數(shù)據(jù)安全性需求選取不同的RAID方案。圖1為常見RAID方案結(jié)構(gòu)示意圖。

1.1 極大化存儲(chǔ)性能陣列結(jié)構(gòu)

RAID 0成本低，磁盤利用率可達(dá)100%，一般只是在那些需要高性能快速讀寫以及對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求不高的情況下才被使用，例如圖形工作站等。

1.2 高數(shù)據(jù)冗余度陣列結(jié)構(gòu)

圖1 常見RAID方案結(jié)構(gòu)示意圖

RAID 1雖然不能提高系統(tǒng)性能，但具備的高可靠性適用于存放重要數(shù)據(jù)，如服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域。

1.3 條帶化鏡像陣列結(jié)構(gòu)

1.4 帶奇偶校驗(yàn)碼的冗余陣列結(jié)構(gòu)

1.5 性能與可靠性兼顧的冗余陣列結(jié)構(gòu)

RAID 5通過校驗(yàn)塊在磁盤間的均勻部署，解決了RAID 4校驗(yàn)盤的瓶頸問題。這種數(shù)據(jù)布局兼顧了前幾種RAID方案的優(yōu)點(diǎn)，均衡了存儲(chǔ)成本、系統(tǒng)性能與系統(tǒng)可靠性。以5個(gè)硬盤組成的RAID 5為例，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式如圖1（e）所示。當(dāng)RAID 5中存在小于兩塊的故障盤時(shí)，利用正常工作的磁盤進(jìn)行異或運(yùn)算即可恢復(fù)故障盤的數(shù)據(jù)。RAID 5可為存儲(chǔ)系統(tǒng)提供一定的數(shù)據(jù)安全保障能力，但其數(shù)據(jù)保障程度不及RAID 1，但存儲(chǔ)成本要遠(yuǎn)比RAID 1低。RAID 5可靠性同RAID 4一致，可用公式（4）表示。

2 RAID可靠性對(duì)比實(shí)驗(yàn)與總結(jié)

在Linux Kernel 3.1下構(gòu)建各級(jí)RAID來進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用硬盤與服務(wù)器的參數(shù)見表1與表2。

表1 磁盤參數(shù)

表2 服務(wù)器參數(shù)

我們以6塊硬盤分別組成RAID 0/RAID 1 /RAID 10/RAID 4/RAID 5，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論和上述分析基本一致。其可靠性對(duì)比表如表3所示。

表3 各級(jí)RAID可靠性數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

通過分析常見RAID方案的原理及可靠性，根據(jù)具體的需求采用適當(dāng)?shù)腞AID方案，能有效降低數(shù)據(jù)損失的風(fēng)險(xiǎn)及保證系統(tǒng)的性能需求。

[1]Patterson D. RAID: Redundant Arrays of Inexpensive Disks[C]//International Conference on Management of Data，1988.

[2]馮丹，袁圣權(quán)，張江陵.磁盤陣列附網(wǎng)存儲(chǔ)技術(shù)的研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2002，28（10）：172-173.

[3]劉靖宇，譚毓安，薛靜鋒，等.S-RAID中基于連續(xù)數(shù)據(jù)特征的寫優(yōu)化策略[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2014，37（3）：721-734.

[4]Dong Y F, Liu J Y, Yan J, et al. HS-RAID 2: optimizing small write performance in HS-RAID [J]. Journal of Electrical & Computer Engineering， 2016（2016）：8 pages.

Reliability Analysis of RAID Scheme

Zhang Ziyao Zhang Jinrong Liu Jingyu

School of Computer Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401

RAID has been widely used in various fields with excellent I/O performance and high reliability. Different application scenario demands different reliability of data storage. RAID schemes selected without analysis may result in the waste of resources or the risk of data loss. The paper analyzes the reliability of each RAID scheme, and completes the features and applicability summary of different RAID levels, so as to provide a theoretical basis of choosing RAID level according to the actual demands.

RAID; reliability; disk array

TP391.4

A

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助（QN2014192）；河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目（15210325）；河北省自然科學(xué)基金（F2016202145）。