磁盘阵列RAID可靠性分析

介绍了磁盘阵列的基本概念和常用的磁盘阵列种类，分析了RAID0、RAID3和RAID10三种磁盘阵列的可靠性值，同时与实验数据进行了比较。结果表明，磁盘阵列的可靠性值基于标准模型在一定程度上可以进行量化，能进行科学的计算, 得出RAID10比相应其他的RAID的容量更大，可靠性更佳。该文的可靠性分析对磁盘阵列的进一步研究和生产能起到现实的指导作用。
关 键 词 磁盘阵列; 可靠性; 镜像; 磁盘阵列控制器

廉价冗余磁盘阵列(Redundant Array of Inexpensive Disks，RAID)是将一堆磁盘通过相关的技术连接起来，构成逻辑上的空间。RAID可以使诸多磁盘驱动器同时传输数据，在逻辑上它们又是一个磁盘驱动器，用RAID可以使单个的磁盘驱动器提高数倍的速率。因此，RAID技术正在变成支持文件共享、邮件交换和Web服务器等关键性服务的计算机系统所必备的一项标准功能[1]。磁盘阵列根据RAID控制器采用的工作模式和算法不同有不同的级别，因而具有不同的可靠性和性能。目前，常用的磁盘阵列有RAID 0、RAID1、RAID 0+1、RAID 3、RAID 5、RAID 6和RAID 10等[2-5]。本文将分析最具代表性的RAID 0，RAID 3和RAID 10三种磁盘阵列的可靠度。

1 磁盘阵列可靠度模型和可靠性值
1.1 磁盘阵列可靠度模型
一个磁盘阵列可以有包含多个不同的RAID级和磁盘容量，为简化模型，本文仅讨论基于8个相同RAID级硬盘驱动器组成的磁盘阵列，所有计算均假设在百分之百运转情况下3年内可靠性可以达到0.90的40 GB硬盘驱动器[2]。
1.2 RAID 0的可靠性值
磁盘阵列RAID 0 的结构图如图1所示，图中的磁盘阵列RAID 0由8个磁盘组成，因此磁盘阵列的可靠性值就是每一个单独的硬盘驱动器的可靠性的乘积。

RAID 3的可靠性值
RAID 3属于并行访问磁盘阵列，其结构如图2所示。在RAID 3中，使用了专门的磁盘存放所有的校验值，并把数据分散到剩余的磁盘上，因而RAID 3需要至少3块盘阵来运行。RAID 3是使用专门校验盘的并行访问，其性能优势依赖于缓存技术和更高的磁盘转速。整个RAID 3系统只需要一个校验盘，就可以使硬盘的利用率提高。
RAID 3可以承受在由n个硬盘驱动器组成的磁盘阵列中的一个硬盘发生故障，例如：如果奇偶校验硬盘发生故障，其余用作存储数据用的硬盘不会被影响，但是冗余信息将丢失，如果其中一个数据硬盘发生故障，RAID控制器使用剩余的数据硬盘，并且奇偶校验硬盘重新计算丢失的数据，系统性能将有稍微的降低直到发生故障的硬盘驱动器被恢复，但是不会有数据丢失。如果在发生故障的硬盘恢复以前另一个硬盘发生故障，那么RAID组件内的所有的数据将会丢失。

RAID 10的可靠性值
RAID 10的结构如图3所示，图中RAID 10是将RAID 1的镜像功能和RAID 0的数据分割功能混合了起来，因此RAID 10需要至少4块硬盘驱动器(2块互为镜像盘，2块作为数据盘)来运行。其中数据是在被镜像的驱动器组之间分割，当一个硬盘驱动器在重建的时候，RAID 10系统将比奇偶校验RAID系统的性能更好，这是因为丢失的数据不是从奇偶校验信息来重新获得，而是从其余的驱动器上拷贝得到的。
在RAID 10磁盘阵列中，在镜像组里有一个硬盘驱动器发生故障不会导致任何数据丢失，只要每一个镜像组里有一个活动的驱动器，所有的数据就仍然是可用的，如果一个镜像组里的2个硬盘驱动器都发生了故障，那么所有的数据都会丢失。

磁盘阵列可靠度对比
将设计的模型在实验室按照标准模型进行测试，结论和分析基本一致，由8块盘组成的RAID组可靠性对比数据如表1所示。