Raid 2.0 及重构原理举例

原理介绍

我认为Raid 2.0为代表的硬盘虚拟化技术是另一场“虚拟化革命”。虚拟化技术就像一把万能钥匙，每当遇到难以解决的问题时，工程师们总会把问题层层抽象，在层级之间加上虚拟化层。有的虚拟化技术表现为“分”，有的虚拟化技术表现为“合”，或者先“合”再“分”。
计算机系统发展历史上经历了数次虚拟化革命。比如x86架构虚拟化技术的出现，使服务器脱离了物理主机的禁锢，并催生了云计算架构；而网络设备的“分”、“合”把戏早已炉火纯青，代表“分”的VLAN、VRF等技术，代表“合”的集群技术，早在十几年前就已广泛应用。目前网络层跟随云计算的趋势，将合成一个统一的抽象层，然后在抽象层上再次分区（比如VxLAN）。终于人们把注意力再次放在了硬盘上，实际上Raid 就是一种虚拟化技术，多块硬盘组成一个组，对操作系统可以表现为一块硬盘，或者在Raid组上划分LUN，对主机表现为多块硬盘。传统Raid是虚拟化中典型的先“合”再“分”。Raid2.0 更进一步，先“分”再“合”再“分”再“合”，这看起来有点晕，请看本文开头的图示，我具体说一下：

1. 首先 Raid 2.0 先将硬盘等分成若干个虚拟硬盘（CHUNK）; （分）
2. 然后将来自不同硬盘的虚拟硬盘组做传统Raid（CHUNK
   Group）;（合）
3. 再将虚拟硬盘组进一步分切为若干个小块（Extent）;（分）
4. 最后将来自不同虚拟硬盘组（CHUNK Group）的小块按照一定规则组成LUN； （合）

经过数次分合，数据完全脱离了物理硬盘的限制，好像“浮”在一堆硬盘上一样。Raid2.0 在解决热点盘争用、重构效率、数据管理方面都有极大提高。

Raid 2.0重构

Raid 2.0 一直重点宣传的特点就是重构速度快，我觉得可能表现在两个方面，一是重构的数据少，二是参与的硬盘多。

重构数据少

重构数据少我认为主要是在一个硬盘组空间分配相对少的情况下。如下图，整个硬盘组目前只指分配了一个LUN0，每个磁盘只有1个CHUNK被标记使用（这里只是为了便于描述，一块磁盘上可能有数百上千个CHUNK）。

由于Extent的划分，一个LUN可以跨多个CHUNK Group(CKG)，因此LUN上的数据被相对均分到整个硬盘组的所有硬盘上，当Disk4故障时，只需要将Disk5-7中对应的数据读出，然后计算出Disk4上面的数据写入到热备空间即可，需要重构的数据为LUN0大小的 1/6，可以看出硬盘组中硬盘的数量越多，重构的数据量越少（上图所示的情况下）；
当然传统Raid5也可以通过增加raid组中的硬盘的数量，平均分布LUN上的数据，但是raid组中的硬盘增多，同时坏两块硬盘的概率就会增多，并且出于性能等多方面的考虑，raid5 组中不建议放太多成员盘。

“分布式重构”

对应下文描述的情况，我自己起了个名字：“分布式重构”。如下图，Disk3 上的其中两个CHUNK 分别分配到两个CHUNK Group:

当Disk3 发生故障，Disk0-2 为一组将对应数据块读出，并计算出Disk3上的块，写入热备空间x；Disk4-5 为一组将对应数据块读出，并计算出Disk3上的块 写入热备空间y。一块磁盘故障，多组硬盘参与重构，并且写入不同热备空间，重构效率大大提高。
对于传统Raid 5，同样是7块硬盘+1个热备盘，传统Raid 5的重构速度差不多等于热备盘的写入速度。而Raid2.0 重构过程分为两组，分布式重构，热备空间分布在不同硬盘，不存在争用热备盘的情况，重构速度至少是传统Raid5的两倍。当硬盘数量多的时候，重构速度更快。

后记

前文描述了Raid2.0 这么多优点，难道Raid2.0没有缺点吗？当然还是有的。Raid2.0相较于传统Raid 更消耗资源，并且有一定的安全风险，开发维护难度较大。Raid 2.0 很像一个文件系统，文件系统组织文件数据在磁盘上的存放，记录文件与物理块的映射链表， 而这个记录存放在磁盘的对应区域，开机后操作系统将映射记录读取到内存中，随用随取 ；同样的 LUN 相当于文件，Extend相当于物理块，存储系统需要维护LUN 与Extend的映射关系，这份映射表相当大，且需要驻存在快速介质中，维护如此庞大复杂的映射关系需要消耗大量计算资源，庆幸的是硬件发展速度飞快，目前计算机系统动辄几百G字节甚至上T字节内存，并且当前主流存储系统使用X86芯片搭配大量硬件加速逻辑，计算能力极大提高，计算资源不在是瓶颈。
另一方面Raid 2.0 将数据打散，大量映射表存放在内存中。如果发生系统掉电，内存数据丢失，映射表损坏，对于用户来讲，就好像镜子摔到地上，摔成了一滩分子，几乎不可能复原。因此当前存储系统采用多方面措施来避免这种情况，比如在发生掉电情况时，使用电容供电，将内存中的数据刷入固态介质，以保证数据安全。虽然如此还是建议，一如既往的建议：重要数据请备份！