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系统的可靠性分析

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RAID系统的可靠性分析
一个存储系统要达到一定的可靠性，则各单独的部分都需要达到一定的可靠度要求。在RAID系统中，系统的可靠性可分配到每个硬盘中，但是整个系统的可靠性并不是它们的总和。不同的阵列级别都有不同的分配模式，故有不同的性能和冗余。
1 1、不同的RAID级别可靠性模型
本文提供了在RAID中硬盘间关系的数学模型。使用这些模型，对不同的RAID类型对整个磁盘阵列的可靠性的影响进行了评估。虽然一个磁盘阵列中可以包含不同级别的RAID和不同容量的磁盘，但本文是以8个硬盘在同一阵列中并采用同一RAID级别为例。并假定使用的硬盘为100％使用率，并在3年以内的时间内可靠性为90%（本文以后的计算数据均为这3年内的可靠性）。
2 A、  RAID0：数据条带
RAID0即条带：将数据分为同等大小的数据块并分别放到不同的磁盘上。例如：一个150K的文件可被条带化为10个15K的数据块。一组条带化的磁盘对操作系统来说就是一个独立的逻辑盘。
条带提供了一个低成本提高磁盘I/O性能的方法。但是RAID0不提供任何数据冗余，如果任何一个磁盘失效，所有的数据都会丢失。
假设一个有6个硬盘的RAID0阵列，其可靠性的逻辑图如下图所示：

ͼ1 RAID0的可靠性框图
所有的硬盘为串行，则其可靠性的数学模型为：
                n
RRAIDSET=RHDDi
               i=1
如果每个硬盘在三年内的可靠性为90％，则8个硬盘的RAID0系统在三年类的可靠性为：
                8
RRAIDSET=0.9=0.4305
               i=1
即数据不会丢失的概率为43.05％。而且随着硬盘数量的增加，系统的可靠性急剧下降。
3 B、   RAID1和RAID10：磁盘镜像和复制
RAID1为磁盘镜像，即写到某个磁盘的数据都会被复制到另一个磁盘中。RAID1要求至少有两个硬盘组成一组，成为一个阵列组。例如：在有三个硬盘的阵列中，可以用第一和第二个硬盘数据镜像，而第三个硬盘做为热冗余（Hotspare）硬盘；有四个硬盘就可以分别创建两个RAID1...
镜像可以提供数据冗余，并且可以改进读性能。在RAID1配置中，一个硬盘失效不会造成数据丢失。然而，如果在一个RAID1组中的两个硬盘都失效，则数据会丢失。
其可靠性的逻辑图如下图所示：

ͼ1 RAID10的可靠性框图
则其可靠性的数学模型为：
           RAID组数目
Rarray= [(1-(1-RHDD1)(1-RHDD2)]
             i=1
如有8个硬盘则：
           4
Rarray= [(1-(1-0.9)(1-0.9)]=0.9606
          i=1
说明在8个硬盘组成的RAID10在三年内不丢失数据的可靠性为96.06％，且随着磁盘数量增加可靠性下降，但相对不明显。
磁盘复制就是考虑SCSI控制器的故障，将硬盘接到不同的SCSI通道上，考虑SCSI控制器的可靠性，则整个系统的可靠性相对较高。
4 C、RAID0＋1：条带化镜像
RAID0＋1即在一个硬盘组中数据进行条带化，然后与另一个硬盘组进行镜像，它可以改进I/O性能和可靠性。如果一个硬盘组中的一个硬盘故障，则整个磁盘组数据丢失，但所有数据还会保存在另一个硬盘组中。但是剩下的硬盘组中又有一个硬盘故障则会导致数据丢失。
其可靠性的逻辑图如下图所示：

ͼ1 RAID01的可靠性框图
则其可靠性的数学模型为：       
Rarray=1－(1-RHDDn/2)2      n为磁盘的个数         
如有8个硬盘则：            
Rarray=1－(1－0.94)2=88.17%          
说明在8个硬盘组成的RAID1在三年内不丢失数据的可能性为88.17％。并且随着磁盘数量的增加可靠性降低比较明显。
同样条件下，RAID的可靠性比RAID10低，而且随着硬盘数量的增加差距越明显。
5 D、RAID5
RAID5即在一个硬盘组中数据进行条带化，然后用一个硬盘的空间来存放这些条带数据的校验数据，并且将这些校验数据均匀分布在硬盘组的各个硬盘中。这样如果一个硬盘组中的一个硬盘故障，则可以通过在其他硬盘上的校验数据恢复该硬盘的数据。故一个硬盘故障不会影响硬盘组的数据，但多于一个硬盘故障则硬盘数据会全部丢失。

ͼ1 RAID5的可靠性框图
RAID5的可靠性数学模型为：
RArray＝n×（1－RHdd）RHdd（n-1）＋Rhddn    n为磁盘个数
如果有8个硬盘，则：
RArray＝8×（1－0.9)×0.97＋0.98=81.31%
可见RAID5的可靠性相比RAID10和RAID01较低，而且随着硬盘数量增加可靠性下降，但是RAID5硬盘利用率高（随着硬盘数量增加越来越高），故是比较常用的RAID级别。
6 E、  RAID5＋Hotspare
为提高RAID5的可靠性，经常采用的方式是采用Hotspare，即给RAID5增加一块硬盘，当阵列中有一块硬盘故障后，这块硬盘可以自动加入到阵列中，保证阵列的完整性。这样阵列中要有3个或3个以上的硬盘故障才会有数据丢失（这里不考虑两个硬盘同时故障、过硬盘在重建阵列过程中故障等罕见情况）。
其可靠性框图和RAID5相似，仅判决条件由（N-1）/N改为（N－2）/N。
其可靠性数学模型为：
RArray＝n×（n－1）×（1－RHdd）2×RHdd（n-2）/2＋n×（1－RHdd）RHdd（n-1）＋Rhddn      n为磁盘个数
如果有8个硬盘，其中一个做Hotspare，则：
RArray＝8×（1－0.9)×0.97＋0.98=96.19%
可见采用Hotspare可以使阵列的可靠性得到较大的提高。但是因为Hotspare加入阵列时的重建过程等影响，实际的可靠性会低一些。
7 2、各RAID级别可靠性的比较
根据以上的分析，各RAID级别的可靠性随硬盘数量的变化如下图所示：

故同样硬盘数量情况下，RAID10和RAID5＋Hotspare可提供较高的可靠性，RAID5和RAID0的可靠性较低。

结论：
1、RAID10和RAID5＋Hotspare可提供较高的可靠性，但考虑RAID5＋Hotspare的机制较复杂，Hotspare正常加入到阵列中的概率等因素，RAID10的可靠性相对更高。但因硬盘利用率较低，故成本较高。
2、RAID10和RAID01的成本完全相同，但可靠性相差很大，故不建议采用RAID01，如阵列卡支持应尽量采用RAID10。
3、RAID5虽然成本低，但可靠性相对较低，特别是在阵列硬盘较多时，建议均增加Hotspare。
4、随着硬盘数量的增加，各RAID级别的可靠性均明显下降，特别是RAID0、RAID5、RAID01，故在性能能满足的情况下，可采用尽量少的硬盘配置阵列（选用大容量的硬盘）。
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