Recitation 5 RAID

Background

• CPU 和 Memory 的性能越来越好
• SLED 性能提升不够快
• 如果 Disk 性能不作提升，会发生 I/O crisis

Five levels of RAID

• RAID0： 条带模式
  逻辑上的数据块分散到多个磁盘，提高并行性
  磁盘利用率 100%
  n 个磁盘则性能（读写速度）提升为原来的 n 倍
  缺点是没有冗余，即没有容错性，只要有一块磁盘坏了，整个数据都损坏
  适用于追求高性能和高利用率的情况

• RAID1：镜像模式
  把相同的数据作 copy 存入两块磁盘，读写速度不变
  可靠性极高并且支持热替换
  缺点是降低了磁盘利用率，只有 50%
  适用于追求高可靠性并且需要随时热替换修复的情况

• RAID2：海明码校验
  以 bit 为单位将数据条块化到不同的硬盘，并加入足够的 check disk
  可以发现错误并矫正错误
  如果数据盘损坏，可以根据其他数据盘和 check disk 来恢复数据
  如果 check disk 损坏，不影响数据正常使用
  利用率大概在 70% 到 80%，具体要根据海明距离来计算

• RAID3：每组单个磁盘作为奇偶校验
  减小 check disk 数目为1，数据块做异或操作生成 parity 块
  只能发现错误不能矫正错误
  如果数据盘损坏，可以根据其他数据盘和 check disk 来恢复数据
  如果 check disk 损坏，不影响数据正常使用
  利用率为 N-1/N
  缺点是数据条带化在各个数据盘上，一次 I/O 操作需要访问所有数据盘，导致无法并行访问
  单个大文件的读写速度快，因为同时可以从不同磁盘读写，适用于大文件存储的场景

• RAID4 ： 每组单个校验盘 + 独立读写
  在 RAID3 的基础上将整块数据放在同一个数据盘上
  这样可以并发地从不同磁盘读写不同数据块的数据，提升了同时读写多个文件的性能
  缺点是写入任何数据的时候都要同时更新 check disk，使得 check disk 成为瓶颈，也更容易损坏（同时也是 RAID3 的缺点）

• RAID5：分布式奇偶校验
  将奇偶校验盘也条带化并分布在不同的磁盘上
  这样就不存在单独的 check disk ，平分了 check disk 的负载
  同 RAID3 一样，没有并行
  兼顾了磁盘利用率、可靠性和成本，适用于多数数据中心

Answers of Questions

Question 1：

Use your own word to describe different types of “RAID”. Why there are so many different types of RAID? Which scenarios are suitable for different types?

• 之所以会出现不同的 level 是因为在不同应用场景下对 RAID 的性能、可靠性、利用率、成本等指标有着不同的侧重。
  详情见上节

Question 2：

Think about other components of this system whose failure could result in a loss of service. Identify one other component (software or hardware) of such a system that could be appropriately designed along the lines of one or another of the RAID levels, and describe the approach briefly or demonstrate in a picture, indicating how it relates to which RAID level.

• 网络传输数据可能会发生 bit flip ，所以可以采用海明编码来作为检查/修复。冗余程度低就只能差错，冗余程度高还能改正错误。原理类似于 RAID2