RAID系統(tǒng)的可靠性分析講課稿

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。RAID系統(tǒng)的可靠性分析-RAID系統(tǒng)的可靠性分析一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)要達(dá)到一定的可靠性，則各單獨(dú)的部分都需要達(dá)到一定的可靠度要求。在RAID系統(tǒng)中，系統(tǒng)的可靠性可分配到每個(gè)硬盤中，但是整個(gè)系統(tǒng)的可靠性并不是它們的總和。不同的陣列級(jí)別都有不同的分配模式，故有不同的性能和冗余。1、不同的RAID級(jí)別可靠性模型本文提供了在RAID中硬盤間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。使用這些模型，對(duì)不同的RAID類型對(duì)整個(gè)磁盤陣列的可靠性的影響進(jìn)行了評(píng)估。雖然一個(gè)磁盤陣列中可以包含不同級(jí)別的RAID和不同容量的磁盤，但本文是以8個(gè)硬盤在同一陣列

2、中并采用同一RAID級(jí)別為例。并假定使用的硬盤為100使用率，并在3年以內(nèi)的時(shí)間內(nèi)可靠性為90%（本文以后的計(jì)算數(shù)據(jù)均為這3年內(nèi)的可靠性）。A、RAID0：數(shù)據(jù)條帶RAID0即條帶：將數(shù)據(jù)分為同等大小的數(shù)據(jù)塊并分別放到不同的磁盤上。例如：一個(gè)150K的文件可被條帶化為10個(gè)15K的數(shù)據(jù)塊。一組條帶化的磁盤對(duì)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就是一個(gè)獨(dú)立的邏輯盤。條帶提供了一個(gè)低成本提高磁盤I/O性能的方法。但是RAID0不提供任何數(shù)據(jù)冗余，如果任何一個(gè)磁盤失效，所有的數(shù)據(jù)都會(huì)丟失。假設(shè)一個(gè)有6個(gè)硬盤的RAID0陣列，其可靠性的邏輯圖如下圖所示：1RAID0的可靠性框圖所有的硬盤為串行，則其可靠性的數(shù)學(xué)模型為：nRR

3、AIDSET=RHDDii=1如果每個(gè)硬盤在三年內(nèi)的可靠性為90，則8個(gè)硬盤的RAID0系統(tǒng)在三年類的可靠性為：8RRAIDSET=0.9=0.4305i=1即數(shù)據(jù)不會(huì)丟失的概率為43.05。而且隨著硬盤數(shù)量的增加，系統(tǒng)的可靠性急劇下降。B、RAID1和RAID10：磁盤鏡像和復(fù)制RAID1為磁盤鏡像，即寫到某個(gè)磁盤的數(shù)據(jù)都會(huì)被復(fù)制到另一個(gè)磁盤中。RAID1要求至少有兩個(gè)硬盤組成一組，成為一個(gè)陣列組。例如：在有三個(gè)硬盤的陣列中，可以用第一和第二個(gè)硬盤數(shù)據(jù)鏡像，而第三個(gè)硬盤做為熱冗余（Hotspare）硬盤；有四個(gè)硬盤就可以分別創(chuàng)建兩個(gè)RAID1.鏡像可以提供數(shù)據(jù)冗余，并且可以改進(jìn)讀性能。在RA

4、ID1配置中，一個(gè)硬盤失效不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。然而，如果在一個(gè)RAID1組中的兩個(gè)硬盤都失效，則數(shù)據(jù)會(huì)丟失。其可靠性的邏輯圖如下圖所示：1RAID10的可靠性框圖則其可靠性的數(shù)學(xué)模型為：RAID組數(shù)目Rarray=(1-(1-RHDD1)(1-RHDD2)i=1如有8個(gè)硬盤則：4Rarray=(1-(1-0.9)(1-0.9)=0.9606i=1說(shuō)明在8個(gè)硬盤組成的RAID10在三年內(nèi)不丟失數(shù)據(jù)的可靠性為96.06，且隨著磁盤數(shù)量增加可靠性下降，但相對(duì)不明顯。磁盤復(fù)制就是考慮SCSI控制器的故障，將硬盤接到不同的SCSI通道上，考慮SCSI控制器的可靠性，則整個(gè)系統(tǒng)的可靠性相對(duì)較高。C、RAID

5、01：條帶化鏡像RAID01即在一個(gè)硬盤組中數(shù)據(jù)進(jìn)行條帶化，然后與另一個(gè)硬盤組進(jìn)行鏡像，它可以改進(jìn)I/O性能和可靠性。如果一個(gè)硬盤組中的一個(gè)硬盤故障，則整個(gè)磁盤組數(shù)據(jù)丟失，但所有數(shù)據(jù)還會(huì)保存在另一個(gè)硬盤組中。但是剩下的硬盤組中又有一個(gè)硬盤故障則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。其可靠性的邏輯圖如下圖所示：1RAID01的可靠性框圖則其可靠性的數(shù)學(xué)模型為：Rarray=1(1-RHDDn/2)2n為磁盤的個(gè)數(shù)如有8個(gè)硬盤則：Rarray=1(10.94)2=88.17%說(shuō)明在8個(gè)硬盤組成的RAID1在三年內(nèi)不丟失數(shù)據(jù)的可能性為88.17。并且隨著磁盤數(shù)量的增加可靠性降低比較明顯。同樣條件下，RAID的可靠性比RA

6、ID10低，而且隨著硬盤數(shù)量的增加差距越明顯。D、RAID5RAID5即在一個(gè)硬盤組中數(shù)據(jù)進(jìn)行條帶化，然后用一個(gè)硬盤的空間來(lái)存放這些條帶數(shù)據(jù)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且將這些校驗(yàn)數(shù)據(jù)均勻分布在硬盤組的各個(gè)硬盤中。這樣如果一個(gè)硬盤組中的一個(gè)硬盤故障，則可以通過(guò)在其他硬盤上的校驗(yàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)該硬盤的數(shù)據(jù)。故一個(gè)硬盤故障不會(huì)影響硬盤組的數(shù)據(jù)，但多于一個(gè)硬盤故障則硬盤數(shù)據(jù)會(huì)全部丟失。1RAID5的可靠性框圖RAID5的可靠性數(shù)學(xué)模型為：RArrayn（1RHdd）RHdd（n-1）Rhddnn為磁盤個(gè)數(shù)如果有8個(gè)硬盤，則：RArray8（10.9)0.970.98=81.31%可見RAID5的可靠性相比RAID10和

7、RAID01較低，而且隨著硬盤數(shù)量增加可靠性下降，但是RAID5硬盤利用率高（隨著硬盤數(shù)量增加越來(lái)越高），故是比較常用的RAID級(jí)別。E、RAID5Hotspare為提高RAID5的可靠性，經(jīng)常采用的方式是采用Hotspare，即給RAID5增加一塊硬盤，當(dāng)陣列中有一塊硬盤故障后，這塊硬盤可以自動(dòng)加入到陣列中，保證陣列的完整性。這樣陣列中要有3個(gè)或3個(gè)以上的硬盤故障才會(huì)有數(shù)據(jù)丟失（這里不考慮兩個(gè)硬盤同時(shí)故障、過(guò)硬盤在重建陣列過(guò)程中故障等罕見情況）。其可靠性框圖和RAID5相似，僅判決條件由（N-1）/N改為（N2）/N。其可靠性數(shù)學(xué)模型為：RArrayn（n1）（1RHdd）2RHdd（n-2

8、）/2n（1RHdd）RHdd（n-1）Rhddnn為磁盤個(gè)數(shù)如果有8個(gè)硬盤，其中一個(gè)做Hotspare，則：RArray8（10.9)0.970.98=96.19%可見采用Hotspare可以使陣列的可靠性得到較大的提高。但是因?yàn)镠otspare加入陣列時(shí)的重建過(guò)程等影響，實(shí)際的可靠性會(huì)低一些。2、各RAID級(jí)別可靠性的比較根據(jù)以上的分析，各RAID級(jí)別的可靠性隨硬盤數(shù)量的變化如下圖所示：故同樣硬盤數(shù)量情況下，RAID10和RAID5Hotspare可提供較高的可靠性，RAID5和RAID0的可靠性較低。結(jié)論：1、RAID10和RAID5Hotspare可提供較高的可靠性，但考慮RAID5Hotspare的機(jī)制較復(fù)雜，Hotspare正常加入到陣列中的概率等因素，RAID10的可靠性相對(duì)更高。但因硬盤利用率較低，故成本較高。2、RAID10和RAID01的成本完全相同，但可靠性相差很大，故不建議采用RAID01，如陣列卡支持應(yīng)盡量采用RAID10。3、