RAID技术

RAID：Redundant Array of Independent Disks，独立硬盘冗余阵列，RAID技术将多个单独的物理磁盘以不同的方式组合成一个逻辑硬盘，从而提高了硬盘的读写行呢和数据安全性。

RAID技术的主要功能是将多块独立的硬盘组合成一个逻辑上的存储池，在上层来看多块硬盘显示为一个存储池，这种方式将硬盘数据分割成多个数据块，同时对多个硬盘进行读/写，提高存储池的访问速度。

RAID技术从实现原理可以分为两大类：硬件RAID和软件RAID。硬件RAID使用专用RAID卡，通过将硬盘数据线连接到RAID卡上组合成RAID阵列，RAID卡有专门独立的控制芯片、内存，不需要CPU的参与RIAD工作当中去，性能比软RAID要好，特别是在大型RAID阵列当中。软RAID实现，通过系统中的软件去抽象掉底层硬盘，但是系统仍然可以识别到每个硬盘，没有独立的处理芯片，需要完全依赖主机的CPU。因此，软RAID会占用主机CPU的性能，不适合在大型RAID阵列中使用。

RAID在一定层度上为数据提供冗余保护，防止单一或多个磁盘故障而造成数据丢失。RAID技术通常有2种不同的方式进行数据保护。

• 一种方法是在另一块冗余的硬盘上保存数据的副本，提高可靠性，并可以提高读性能。
• 二是使用奇偶校验算法。奇偶校验码是使用用户数据计算出的额外信息。对于使用奇偶校验的RAID类型，它意味着需要额外的校验硬盘。奇偶校验采用的是异或（XOR的计算符号⊕）算法。
  • XOR运算广泛地使用在数字电子和计算机科学中。
  • XOR校验的算法——相同为假，相异为真：
    • 0⊕0= 0； 0⊕1= 1； 1⊕0= 1； 1⊕1= 0；

在所有RAID级别中，RAID 0（也被称为条带化RAID）具有最高的存储性能。RAID 0使用条带化技术将数据分布存储在RAID组的所有硬盘中。

一个RAID 0包含至少2个成员盘。RAID 0组将数据分为大小不等的从512个字节至兆字节的数据块（通常是512字节的倍数），并行将其写入到不同的硬盘中。如图所示的两个硬盘（驱动器）构成的RAID中：前两块数据被写入到分条0上，其中，第一个数据块被写在硬盘1的条带0上，第二个数据块并行存放在硬盘2的条带0上；这时，再下一个数据块被写到硬盘1上的下一个条带（条带1）上，以此类推。以这种方式，I/O的负载平衡分布在RAID中的所有硬盘上，由于数据传输总线上的速度远大于硬盘读写速度，因此，RAID组上的硬盘可以认为在同时进行读写。

RAID 0像是提供了一个单一的大容量的硬盘，还同时具有非常快速I/O的特点。在RAID 0技术使用之前，类似RAID 0的一种技术被称为JBOD。一个JBOD（Just a Bundle Of Disks，简称一堆硬盘）是一组硬盘组合成一个虚拟的大硬盘。与RAID 0最大的区别是，一个JBOD的数据块不是同时并行写入不同硬盘的。在JBOD中，只有将第一块硬盘的存储空间使用完，才会使用第二块硬盘。所以JBOD总的可用容量是所有个硬盘容量的总和，但性能是单个硬盘的性能！

当RAID 0接收数据读取请求时，它会在所有硬盘上搜索目标数据块并读取数据。在图中，我们可以看到整个读取过程。RAID 0组的读写性能与硬盘的数量成正比。

RAID 5是改进版的RAID 3，使用条带化并计算奇偶校验信息，在RAID 5中，数据以分条的形式写入硬盘组中。RAID 5的不同分条的奇偶校验数据不是单独存在一个固定的校验盘里的，而是按一定规律分散存放的。RAID 3在少量的数据被写入时有写惩罚，RAID 5类似。RAID5的写惩罚值为4，这意味每次写入数据时，存储系统需要执行2次读操作和2次写操作。

RAID 5的写入性能取决于所写的数据量和RAID 5组中硬盘的数量。假定一个RAID 5的硬盘数为N，当所有成员盘的转速相同时，在不考虑写惩罚，满分条写的情况下，RAID 5的顺序IO写性能理论上略小于 N-1倍单个硬盘的性能（计算冗余校验需要额外的计算时间）。

在RAID 3级别和RAID 5级别的硬盘阵列中，如果一个硬盘失效，该硬盘组将从在线（正常）状态转变为降级状态，直到完成重构失效硬盘。如果RAID中的另一个硬盘也出现故障，则硬盘组的数据将丢失。

RAID6 的正式名称时分布式双校验RAID。本质上他是一种改进的RIAD 5，也具有条带化和分布式奇偶校验，这意味着RIAD 6有以下特点：

• 需要至少N+2（N>2）个硬盘来构成阵列，一般用在数据可靠性、可用性要求极高的应用场合。
• 写入数据时，附加的双校验计算需要进行。所以，在所有RAID类型中，RAID 6是“最慢”的。

常用的RAID 6技术有：

• RAID6 P + Q
• RAID6 DP

目前来看，RAID 6 没有一个统一的标准，不同公司以不同方式实施RAID 6。

RAID 6采用P+Q校验时，P和Q时2个彼此独立的校验值。他们使用不同的算法，用户数据和校验数据分布在同一分条的所有硬盘上。

RAID 6 P+Q 需要计算出两个校验数据P和Q,当有两个数据丢失的时候，根据P和Q恢复丢失的数据。校验数据P和Q是由以下公式计算出来的：

• P = D0 ⊕ D1 ⊕ D2…
• Q = (α * D0) ⊕ (β * D1) ⊕ (γ * D2)…

DP - Double Parity，就是在RAID4所使用的一个行XOR校验硬盘的基础上又增加了一个硬盘用于存放斜向的XOR校验信息。横向礁岩盘中P0-P3为各个数据盘中横向数据的校验信息。

例如：P0=D0  XOR D1 XOR D2 XOR D3

斜向校验盘中DP0 - DP3为各个数据盘及横向校验盘的斜向数据校验信息。

例如：DP0=D0 XOR D5 XOR D10 XOR D15

作为一种成熟、可靠的硬盘系统数据保护标准，RAID技术自诞生以来一直作为存储系统的基础技术而存在，但是近些年来随着数据存储需求的快速增长，单盘容量不断增大，高性能应用的不断涌现，传统RAID逐渐暴露出越来越多的问题，特别是大容量硬盘出现故障而需要进行数据重构的场景。

正如前面所说的问题，传统RAID技术面临以下的不足：

• 数据丢失风险大：硬盘容量越大，重构时间越长，数据丢失风险越来越高。
• 对业务影响大：重构过程中，RAID组成员盘忙于重构，服务能力明显下降，影响上层业务的运行。

为了解决传统RAID的上述问题，同时顺应虚拟化技术的发展趋势，如下替代方案应运而生：

• LUN虚拟化：在传统RAID基础上将RAID组进行更细粒度地切分，再将切分的单元进行组合，构建主机可访问的空间。
• 块虚拟化：将存储池中的硬盘划分成一个个小粒度的数据块，基于数据块来构建RAID组，使得数据均匀地分布到存储池的所有硬盘上，然后以数据块为单元来进行资源管理。

RAID2.0+技术，把物理硬盘划分成很多数据块（chunk，CK），不同盘上的CK组成具备RAID关系的CKG（Chunk Group ），多个CKG组成庞大的存储资源池，主机所用的资源从资源池中获取。

相对于传统RAID机制，RAID2.0+具备如下优势：

• 业务负载均衡，避免热点：数据打散到资源池内所有硬盘上，没有热点，硬盘负荷平均，避免个别盘因为承担更多的写操作而提前达到寿命的上限。
• 快速重构，缩小风险窗口：当硬盘故障时，故障盘上的有效数据会被重构到资源池内除故障盘外的所有盘上，实现了多对多的重构，速度快，大幅缩短数据处于非冗余状态的时间。
• 全盘参与重构：资源池内所有硬盘都会参与重构，每个盘的重构负载很低，重构过程对上层应用无影响。

华为RAID 2.0+ : 底层介质虚拟化 + 上层资源虚拟化，同时解决数据快速重构问题和资源的智能分配问题。

数据快速重构：缩短数据重构时间，从小时级到分钟级，使重构速度提升近20倍，大幅降低重构过程对业务的影响和多盘失效的概率。

存储池内所有硬盘参与重构，仅重构业务数据，由传统RAID多对一的重构模式转变为多对多快速重构模式。

在传统RAID中，要将硬盘空间提供给业务主机的第一步操作是 创建RAID组。但是对创建RAID组这一操作有一些限制和要求：RAID组中的硬盘的类型是相同的，硬盘的大小和转速需要保持一致，而且一个RAID组中的硬盘个数不建议超过12个。

华为RAID 2.0+技术中采用了另一种实现方法。在该方法中，第一步操作不是 创建RAID组，而是创建硬盘域。一个硬盘域就是一组硬盘。一个硬盘只能属于一个硬盘域。 OceanStor存储系统可以创建一个或多个硬盘域。看起来，硬盘域的概念似乎跟RAID组的概念类似，都是一组硬盘，但实际上还是有很大的区别。在创建的RAID组中，这组硬盘已经按照设定某个RAID组级别进行了绑定，且这组硬盘的类型，大小，转速都必须是一样的。但是在一个硬盘域中，硬盘的个数可以大很多，比如上百个，而且可以最多包含3种类型的硬盘，每种类型的硬盘对应分配到一个存储层级，SSD盘对应分配到高性能层，SAS盘分配到性能层，NL-SAS盘分配到容量层。如果硬盘域中没有相应的硬盘类型，则该硬盘域就没有相应的存储层。更为关键的区别是，硬盘域的主要作用是将这一组盘和哪一组盘分开，目的是实现故障、性能和存储资源等的完全隔离。在创建硬盘域时，RAID级别尚未指定，即数据的冗余保护方式还未指定。事实上，RAID 2.0+ 对数据冗余保护方式的设置更加灵活，更加精细化。硬盘域中硬盘组成的存储空间，将被划分成更小粒度的存储池，以及为各个存储层级内共享的热备空间。热备空间大小是系统根据管理员为该硬盘域设置的热备策略（高、低、无）以及该硬盘域各存储层的硬盘个数自动设置的，而不再是传统RAID组中那样，由管理员指定某个特定的盘做热备盘。

一个存储池基于指定的一个硬盘域创建，可以从该硬盘域上动态的分配Chunk（CK）资源，并按照每个存储层级（Tier）的“RAID策略”组成Chunk Group（CKG）向应用提供具有RAID保护的存储资源。

存储池根据硬盘类型可划分为多个Tier，OceanStor存储系统支持的存储层级和硬盘类型上图左表所示。

创建存储池可以指定该存储池从硬盘域上划分的存储层级（Tier）类型以及该类型的“RAID策略”和“容量”。

OceanStor存储系统支持RAID1、RAID10、RAID3、RAID5、RAID50和RAID6，支持的RAID策略和配置上图右表所示。

容量层由大容量的SATA、NL-SAS盘组成，RAID策略建议使用双重校验方式的RAID6。（SATA盘较少使用，部分产品规格上已经不支持）

Extent是在CKG基础上划分的固定大小的逻辑存储空间，大小可调，是热点数据统计和迁移的最小单位，也是存储池中申请空间、释放空间的最小单位。

一个Extent归属于一个Volume或一个LUN，Extent大小在创建存储池时可以进行设置，创建之后不可更改，不同存储池的Extent大小可以不同，但同一存储池中Extent大小是相同的。

Volume是卷，是存储系统内部管理对象

LUN是可以直接映射给主机读写的存储单元，是Volume对象的对外体现

RAID组中坏一个Block后，恢复坏Block数据，并搬迁整个RAID组数据，再屏蔽该RAID组空间；

效果：大量可用的Flash空间被浪费。

RAID组中坏一个Block后，恢复坏Block数据并搬迁，同时屏蔽坏Block，用剩下的Block重构新RAID组；

效果：充分有效利用所有Flash空间。

与传统的RAID系统相比，使用FlexEC算法重建时实际从单个磁盘读取的数据量减少了70%，降低了对系统性能的影响。