RAID技术基础.pptx

RAID技术基础 主要内容 RAID的基本概念 掌握RAID0 1 3 5 6 10 50各个级别的原理和适用场合 了解校验冗余算法 RAID故障分析 目录 RAID基本概念分区 条块 条带 镜像冗余 校验冗余 软 硬RAID 热备 热换 冗余阵列的运行状态RAID级别以下级别阵列的虚拟磁盘和各物理成员磁盘之间的数据映射关系 0 1 3 5 5E 5EE 6 P Q DP 10 50几种RAID级别的比较RAID3vsRAID5 RAID10vsRAID5RAID故障分析 RAID基本概念 定义 RAID 伯克利大学的Patterson等人发表论文ACaseforRedundantArraysofInexpensiveDisks RAID 描述了几种不同类型的磁盘阵列 人们将这几种磁盘阵列的关键字的头字母RAID来指代之 后来 RAB RAIDAdvisoryBoard 又将Inexpensive改为了Independent 动因 替代SLED 提供相同容量的同时还能够提供更高的性能 RAID基本概念 RAID优势 容量扩展方面很容易扩展容量 不宕机在线扩展容量性能方面通过分块提高性能 将IO操作分散到各个不同的磁盘驱动器中 使主机I O控制器能够处理更多的操作可用性方面通过镜像冗余或校验冗余 提供了在个别磁盘失效的情况下仍然保持Raid的可用性的能力可靠性方面通过双电源 双控制器 双缓存 双风扇 热备热换等技术提供可靠性 RAID基本概念 组织数据的方式 分区 分块 条带 分区 又称为Extent 是一个磁盘上的地址连续的存储块 一个磁盘可以划分为多个分区 每个分区可以大小不等 有时也称为逻辑磁盘 分块 又称为Strip 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 分块通常被认为是条带的元素 虚拟磁盘以它为单位将虚拟磁盘的地址映射到成员磁盘的地址 条带 又称为Stripe 是阵列的不同分区上的位置相关的strip的集合 是组织不同分区上条块的单位 RAID基本概念 组织数据的方式 分区 分块 条带 extent0 extent0 extent1 extent0 extent1 extent1 extent1 extent0 extent2 磁盘1 磁盘2 磁盘3 磁盘4 分区 分条 stripe strip RAID RAID基本概念 冗余技术 镜像冗余 概念 磁盘镜像是一个简单的设备虚拟化技术 每个I O操作都会在两个磁盘上执行 两个磁盘看起来就像一个磁盘一样 把写在一个磁盘上的数据另做一份拷贝 即镜像 并将其存储在另一个磁盘上 方式 硬件镜像 软件镜像读写过程 读 从所有磁盘中读 提高读性能写 两个写过程都得到响应 RAID基本概念 冗余技术 镜像冗余 IO控制器镜像 软件镜像 RAID基本概念 冗余技术 校验冗余 异或运算性质1 相同为0 相异为1 设有数据A B 则校验数据为P 如果A为1 B为0 则校验P为1 A 1 B 0 P 1 则有B 0 P 1 A 1 A 1 P 1 B 0 如果A为0 B为0 则校验数据P为0 A 0 B 0 P 0 则有A 0 P 0 B 0 B 0 P 0 A 0 如果A为1 B为1 则校验数据P为0 A 1 B 1 P 0 则有 A 1 P 0 B 1 B 1 P 0 A 1 结论 无论ABP如何取值 只要知道其中任意两个就可以知道另外一个 RAID基本概念 冗余技术 校验冗余 异或运算性质2 A B C P A B C C P C A B 0 P C A B P C A B P C结论 由第1个等式和第5个等式 可看出多数据的校验同样有效写操作优化 二读二写优化前 需要读取条带中所有的条块 计算新校验 写新校验和新数据优化后 只需读取原数据块D和所在条带的校验数据P 根据P计算新的校验数据P PxorDxorD 最后写入新校验和新数据 这就避免读所有的磁盘的数据 提高了性能 依据 D1 D2 D3 D4 D5 P D2 D3 D4 D5 P D1D1 D2 D3 D4 D5 P D1 P D1 P 说明 D1 为要写的新数据 P校验 P 为新校验 RAID基本概念 硬RAID和软RAID 软RAIDRAID的所有功能都依赖于主机CPU来完成 没有第三方的控制 处理 业界称其为RAID协处理器 RAIDCo Processor 与I O芯片 效率低 性能差 硬RAID有专门的RAID控制 处理与I O处理芯片 用来处理RAID任务 不需主机CPU资源 效率高 性能好 区分标准 完成RAID功能是否占用主机CPU资源 RAID基本概念 常用RAID工具 软RAIDMD Linux下RAID工具 最新版本支持0 10 5 6一共4种RAID级别卷管理器 Windows2003Enterprise下的RAID工具 支持RAID5等级别硬RAIDAAA UDMARAID卡 Adpatec公司 RAID基本概念 进一步提高可靠性 热备和热换 热备 HotSpare定义 当冗余的RAID阵列中某个磁盘失效时 在不干扰当前RAID系统的正常使用的情况下 用RAID系统中另外一个正常的备用磁盘顶替失效磁盘 及时保证RAID系统的冗余性 全局热备 备用磁盘为系统中所有的冗余RAID阵列共享局部热备 备用磁盘为系统中某一个冗余RAID阵列专用 也称专用备件热换 HotSwap定义 在不影响系统正常运转的情况下 用正常的磁盘物理替换RAID系统中失效磁盘关键在于热插拔时电子器件的保护机制 RAID基本概念 热备和热换 备盘 阵列1 阵列2 磁盘故障 热换 热备切换 RAID基本概念 冗余阵列的运行状态 一 建立 Create 此时的动作是将阵列的配置信息写入磁盘 并使得各个磁盘保持冗余一致性 一般是将各成员磁盘的数据区全部写零 正常 Normal 冗余阵列中所有磁盘都处于正常运行状态 此时可允许一个或多个磁盘失效 降级 临界 Degrade Critical 冗余阵列中有一个 比如RAID5阵列 或多个 比如RAID6阵列 磁盘失效后的状态 但仍然可以向外界提供正常的读写服务 但是此时如果再有一个磁盘失效 则整个阵列则处于不可用的状态 RAID基本概念 冗余阵列的运行状态 二 重建 Recover Rebuild 从降级到正常之间的过渡状态 此时有一个正常的磁盘顶替了失效磁盘 冗余数据正在重建 失效 Failed 此时失效磁盘数量已经超过阵列所允许冗余的数量 整个阵列处于不可用状态 目录 RAID基本概念分区 条块 条带 镜像冗余 校验冗余 软 硬RAID 热备 热换 冗余阵列的运行状态RAID级别以下级别阵列的虚拟磁盘和各物理成员磁盘之间的数据映射关系 0 1 3 5 5E 5EE 6 P Q DP 10 50几种RAID级别的比较RAID3vsRAID5 RAID10vsRAID5 RAID故障分析 RAID级别 RAID0 一 RAID0定义 StripedDiskArraywithoutFaultTolerance 没有容错设计的条带磁盘阵列 以条带形式将RAID阵列的数据均匀分布在各个阵列中 RAID0图解 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 逻辑磁盘 物理磁盘0 物理磁盘1 物理磁盘2 物理磁盘3 stripe0 stripe1 stripe2 stripe3 RAID级别 RAID0 二 RAID0小结 RAID级别 RAID1 一 RAID1定义 以镜像作为冗余手段 虚拟磁盘中的数据有多个拷贝 放在成员磁盘上 RAID1图解 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 逻辑磁盘 物理磁盘0 物理磁盘1 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 RAID级别 RAID1 二 RAID1小结 RAID级别 RAID3 一 RAID3定义 以xor校验为冗余方式 使用专门的磁盘存放校验数据 虚拟磁盘上的数据块被分为更小的数据块并行传输到各个成员物理磁盘上 同时计算出xor校验数据存放到校验磁盘上 RAID3图解 D0 D01 D02 P0 D10 D11 D12 P1 D20 D21 D22 P2 D30 D31 D33 P3 D00 D1 D2 D3 逻辑磁盘 物理磁盘0 物理磁盘1 物理磁盘2 校验磁盘 RAID级别 RAID3 二 RAID3小结 RAID级别 RAID5 一 RAID5定义 以XOR检验为冗余方式 校验数据均匀分布在各个数据磁盘上 对各个数据磁盘的访问为异步操作 RAID5图解 D0 D1 D2 P0 D3 D4 P1 D5 D6 P2 D7 D8 P3 D9 D10 D11 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 逻辑磁盘 物理磁盘0 物理磁盘1 物理磁盘2 物理磁盘3 stripe0 stripe1 stripe2 stripe3 D12 D13 P0 D11 stripe4 xor RAID级别 RAID5 二 RAID5小结 RAID5的变体介绍 RAID5E和RAID5EE 一 RAID5E和RAID5EE IBM公司提出 从标准的RAID5 1热备演变而来 RAID5E将备盘空间分解 然后附加到每个数据盘的后面 RAID5EE将备盘空间分解 然后均匀的分布在各个数据中 RAID5E图解 D0 D1 D2 P0 D3 D4 P1 D5 D6 P2 D7 D8 P3 D9 D10 D11 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 逻辑磁盘 物理磁盘0 物理磁盘1 物理磁盘2 物理磁盘3 stripe0 stripe1 stripe2 stripe3 D12 D13 P0 D11 stripe4 物理磁盘4 备盘 标准RAID5 1个备盘 RAID5E HS HS HS HS RAID5的变体介绍 RAID5E和RAID5EE 二 RAID5EE定义 是RAID5阵列 专用备盘的变体 将Hotspare磁盘的空间均匀分布在RAID5阵列中 RAID5EE图解 D0 D1 D2 P0 D3 D4 P1 D5 D6 P2 D7 D8 P3 D9 D10 D11 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 逻辑磁盘 物理磁盘0 物理磁盘1 物理磁盘2 物理磁盘3 stripe0 stripe1 stripe2 stripe3 D12 D13 P0 D11 stripe4 物理磁盘3 备盘 HS HS HS HS HS 标准RAID5 1个备盘 RAID5EE RAID级别 RAID6 定义 RAID6这个术语首先由INTEL提出来 但目前没有标准定义 广义上讲 人们把能够允许两颗磁盘同时失效的RAID级别统称为RAID6 狭义上讲 特指Intel的RAIDP Q技术 磁盘空间利用率为 N 2 N N为RAID6阵列磁盘总数 RAID6技术RAIDP Q INTEL公司RAIDDP INTEL和NetApp公司RAIDADG HP公司 RAID6 RAIDP Q 一 工作原理 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 1 2 说明 表示xor运算 表示GF乘法 A1 A2 A3 An 1是固定系数 我们可以看到 1 2 两式组合起来可以得到一个方程组 当同时有两个数据丢失时 我们可以对这个方程组进行求解 从而得到两个丢失的数据 RAID6 RAIDP Q 二 恢复过程 现假设Disk3和Disk4磁盘损坏 则 Stripe1中 丢失的数据为D13 D14 有方程组 P1 D13 D14 D15 1 Q1 D13 D14 D15 2 解方程组可得 Stripe2中 丢失的数据为Q2和D24 则 根据P可以算出D24 知道了D21 D24 D25 根据Q定义可以算出Q2Stripe3中 丢失的数据为P3和Q3 则 根据P和Q定义 可以有数据算出P和QStripe4中 丢失的数据为对于D43和P4 则 P4 D41 D42 D43 3 D43 D41 D42 P4 5 Q4 D41 D42 D43 4 4 和 5 式同样可以组成一个方程组 这样 用在Stripe1中所使用的方法 解方程组 从而得到D43和P4 RAID6 RAIDDP 一 工作原理 DP DoubleParityRAIDDP在RAID4所使用的一个行xor检验磁盘的基础上 又增加了一个磁盘 用于存放斜XOR校验信息 DataDisk1 DataDisk2 DataDisk3 DataDisk4 ParityDisk1 D11 D21 D31 D41 D12 D22 D32 D42 D13 D23 D33 D43 D14 D24 D34 D44 P11 P21 P31 P41 DualParityDisk RAID4 xor RAIDDP D11 D22 D33 D44 DP1 DP5 D12 D23 D34 P41 DP2 D13 D24 D31 D41 DP3 D14 D21 D31 D42 DP4 RAID6 RAIDDP 二 恢复过程 DataDisk1 DataDisk2 DataDisk3 DataDisk4 ParityDisk1 D13 D23 D33 D43 D14 D24 D34 D44 P11 P21 P31 P41 DualParityDisk xor D33 D44 DP1 DP5 D23 D34 P41 DP2 D13 D24 P31 DP3 D14 P21 DP4 Disk1和Disk2同时损坏 恢复开始 D21 D32 D11 D22 D12 D41 D31 D42 RAID组合级别 RAID10 一 定义 将镜像和条带组合起来的组合RAID级别 最低一级是RAID1镜像对 第二级为RAID0图解 D1 D2 D4 D4 D2 D7 D8 D8 D10 D11 D11 D1 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 逻辑磁盘 物理磁盘0 物理磁盘1 物理磁盘2 物理磁盘3 stripe0 stripe1 stripe2 stripe3 D13 D14 D13 stripe4 D5 D7 D10 D5 D14 D3 D3 D9 D9 D12 D12 D15 D6 D6 D15 物理磁盘4 物理磁盘5 RAID组合级别 RAID10 二 RAID10小结 RAID组合级别 RAID50 一 定义 将镜像和条带组合起来的组合RAID级别 最低一级是RAID5镜像对 第二级为RAID0图解 D1 P11 D4 P12 D2 P13 D11 P23 D15 P14 D16 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 逻辑磁盘 物理磁盘0 物理磁盘1 物理磁盘2 物理磁盘3 stripe0 stripe1 stripe2 stripe3 D5 D10 D14 D6 D3 P12 D12 D13 D17 P24 P22 D7 物理磁