《Operating Systems: Three Easy Pieces》学习笔记(三十) 廉价冗余磁盘阵列（RAID）
简介
本章将介绍廉价冗余磁盘阵列（Redundant Array of Inexpensive Disks），更多时候称为 RAID，这种技术使用多个磁盘一起构建更快、更大、更可靠的磁盘系统。
优点：
- 性能。
并行使用多个磁盘可以大大加快 I/O 时间。 - 容量。将多个磁盘
合并为逻辑上的一个单磁盘。 - 可靠性。在多个磁盘上传输数据（无 RAID 技术）会使数据容易受到单个磁盘丢失的影响。通过某种形式的
冗余（redundancy），RAID 可以容许损失一个磁盘并保持运行，就像没有错误一样。 - 透明。RAID 接口和普通硬盘接口相同，无需修改已有软件即可迁移。
接口和 RAID 内部
对于文件系统，RAID 看起来像是一个很大的、快速的、并且可靠的磁盘。就像使用单个磁盘一样，它将自己展现为线性的块数组，每个块都可以由文件系统（或其他客户端）读取或写入。
RAID 内部包括一个微控制器，运行固件以指导 RAID 的操作。 它还包括 DRAM 这样的易失性存储器，在读取和写入时缓冲数据块。在某些情况下，还包括非易失性存储器，安全地缓冲写入。它甚至可能包含专用的逻辑电路，来执行奇偶校验
评估 RAID
容量（capacity）。在给定一组 N 个磁盘的情况下，RAID 的客户端可用的容量有多少？没有冗余，答案显然是 N。可靠性（reliability）。给定设计允许有多少磁盘故障？根据我们的故障模型，我们只假设整个磁盘可能会故障。性能（performance）。性能有点难以评估，取决于磁盘阵列提供的工作负载。
3 个重要的 RAID 设计：RAID 0 级（条带化），RAID 1 级（镜像）和 RAID4/5 级（基于奇偶校验的冗余）
RAID 0 级：条带化
无冗余，高性能，低可靠
下面是在不同磁盘里依次放连续逻辑块的情况：
| 磁盘 0 | 磁盘 1 | 磁盘 2 | 磁盘 3 |
|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 2 | 3 |
| 4 | 5 | 6 | 7 |
| 8 | 9 | 10 | 11 |
| 12 | 13 | 14 | 15 |
表格中的格子表示物理块，序号表示逻辑块序号，比如写入 4 个连续块(如 0,1,2,3)的数据，就能同时
并发的往 4 个磁盘写入，写入速度提升
下面是同一个磁盘里放两个连续逻辑块的情况：
| 磁盘 0 | 磁盘 1 | 磁盘 2 | 磁盘 3 | |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 2 | 4 | 6 | 大块大小 |
| 1 | 3 | 5 | 7 | 2 |
| 8 | 10 | 12 | 14 | |
| 9 | 11 | 13 | 15 |
对于逻辑块的访问，RAID 系统会根据映射定位到物理块，这个映射关系还是比较简单的，上面两个例子看也看得出来
性能
映射是个很快的过程，这个时间可以忽略
- 顺序写：好
- 随机写：一般
- 顺序读：一般
- 随机读：一般
RAID 1 级：镜像
冗余，低性能，高可靠
示例，两个磁盘存同一份数据：
| 磁盘 0 | 磁盘 1 | 磁盘 2 | 磁盘 3 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 | 1 |
| 2 | 2 | 3 | 3 |
| 4 | 4 | 5 | 5 |
| 6 | 6 | 7 | 7 |
写入时需要同时向两个磁盘写入相同的数据，读取时可以从两个磁盘中的任意一个磁盘中读取
性能
虽然并行写入，但受限于最慢的那块硬盘速度。且占用两个硬盘的带宽，影响其他写入
- 顺序写：差
- 随机写：差
- 顺序读：一般
- 随机读：一般
RAID 4 级：通过奇偶校验节省空间
在 RAID 0 的基础上增加了校验冗余
| 磁盘 0 | 磁盘 1 | 磁盘 2 | 磁盘 3 | 磁盘 4 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 2 | 3 | P0 |
| 4 | 5 | 6 | 7 | P1 |
| 8 | 9 | 10 | 11 | P2 |
| 12 | 13 | 14 | 15 | P3 |
可以使用奇偶校验实现数据恢复
性能
写之前需要读取要写的块和校验块（如 4 和 P1，奇偶校验，不需要读其他块），修改校验后再写入这两个块
由于校验所在的磁盘为单一磁盘，相当于临界资源，对多个块的修改都需要访问该临界资源，不能并行执行
- 顺序写：一般
- 随机写：很差
- 顺序读：一般
- 随机读：一般
RAID 5 级：旋转奇偶校验
RAID 4 的优化版，将冗余分散在各个块，解决了竞争校验块的问题，提高随机写性能
| 磁盘 0 | 磁盘 1 | 磁盘 2 | 磁盘 3 | 磁盘 4 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 2 | 3 | P0 |
| 5 | 6 | 7 | P1 | 4 |
| 10 | 11 | P2 | 8 | 9 |
| 15 | P3 | 12 | 13 | 14 |
| P4 | 16 | 17 | 18 | 19 |
RAID 比较：总结
| RAID-0 | RAID-1 | RAID-4 | RAID-5 | |
|---|---|---|---|---|
| 容量 | N | N/2 | N−1 | N−1 |
| 可靠性 | 0 | 1（肯定） | ||
| N/2（如果走运） | ||||
| 吞吐量 | ||||
| 顺序读 | N · S | (N/2) · S | (N − 1) · S | (N − 1) · S |
| 顺序写 | N · S | (N/2) · S | (N − 1) · S | (N − 1) · S |
| 随机读 | N · R | N · R | (N − 1) · R | N · R |
| 随机写 | N · R | (N/2) · R | 1/2 · R | N/4 · R |
| 延迟 | ||||
| 读 | T | T | T | T |
| 写 | T | T | 2T | 2T |
如果你严格要求性能而不关心可靠性，那么 RAID 0 显然是最好的。但是，如果你想要随机 I/O 的性能和可靠性，RAID 1 是最好的，你付出的代价是容量下降。如果容量和可靠性是你的主要目标，那么 RAID 5 胜出，你付出的代价是小写入的性能。最后，如果你总是在按顺序执行 I/O 操作并希望最大化容量，那么 RAID 5 的也是最有意义。