RAID技术穷途末路了吗?

自从1988年伯克利大学发明RAID(磁盘阵列)技术以来&＃xff0c;RAID一直是存储领域的核心&＃xff0c;肩负着保护数据的重任。但是随着磁盘容量的不断增大&＃xff0c;RAID技术遇到了前所未有的新问题。最大的问题在于在数据重构时间过长&＃xff0c;延长了系统degraded时间&＃xff0c;增加了多个磁盘故障的概率&＃xff0c;降低了数据可靠性。并且在RAID数据重构过程中&＃xff0c;RAID自身的Rebuild IO对应用IO造成了影响&＃xff0c;直接导致应用IO的performance大为降低。更为严重的是&＃xff0c;应用IO和Rebuild IO构成了互为影响的关系&＃xff0c;大量的应用IO也会导致Rebuild时间进一步延长。

目前&＃xff0c;在存储系统中&＃xff0c;4TB盘即将大面积应用。4TB盘的应用必须要考虑RAID自身存在的问题。在此&＃xff0c;我做了一个小小的实验&＃xff0c;对一个存储厂商的RAID Rebuild时间进行了评估&＃xff0c;在没有应用IO的前提下&＃xff0c;对于500GB的盘&＃xff0c;需要将近2个小时的Rebuild时间&＃xff0c;而对于4TB的盘&＃xff0c;Rebuild时间增加到了14小时以上。

磁盘容量和重构时间之间的关系

目前我们常用的RAID算法是RAID-6&＃xff0c;即可以最多容忍2块磁盘失效&＃xff0c;如果超过两块磁盘失效&＃xff0c;那么将会导致整个RAID系统Crash。所以&＃xff0c;在14小时之内&＃xff0c;如果又存在两块磁盘发生读写错误&＃xff0c;那么整个RAID系统将会失效&＃xff0c;这是未来RAID需要解决的最大问题。

面对上述问题&＃xff0c;业内提出了一些解决方案&＃xff0c;基本思路有如下几种&＃xff1a;

1&＃xff0c;延续RAID5到RAID6的技术思路。Rebuild时间可以尽最大努力进行优化&＃xff0c;例如采用Copy的方式替代传统Rebuild方法&＃xff08;中科院计算所专利&＃xff09;。另外&＃xff0c;如果可以让RAID容忍更多磁盘失效&＃xff0c;例如&＃xff0c;容忍3快磁盘失效&＃xff0c;那么再长的重构时间也不是什么太大的问题。因此&＃xff0c;业内很多人开始研究开发可以容忍三块磁盘失效的算法&＃xff0c;典型算法是Reed-solumen算法。我们把这种思路的RAID称之为RAID-7。RAID-7最大的问题在于需要更强的计算资源&＃xff0c;RAID-7计算复杂度比RAID-6高了很多&＃xff0c;因此&＃xff0c;RAID-7的研发需要硬件厂商一起参与研究、开发。

2&＃xff0c;De-clustered RAID思想。Declustered RAID的一个思想前提在于&＃xff1a;在绝大多数情况下&＃xff0c;故障磁盘模型是Partial Failure&＃xff08;局部损坏&＃xff09;而不是整体损坏。为此&＃xff0c;Declustered RAID将一个磁盘划分成多个区域&＃xff0c;并且基于这些区域构建RAID。如果读写错误发生在一个区域中&＃xff0c;那么RAID只需要重构该区域&＃xff0c;而不需要重构整个磁盘。这种思想可以降低Rebuild时间&＃xff0c;并且可以将Spare空间分散到多个区域的不同磁盘上&＃xff0c;可以避免Rebuild过程中Spare盘成为IO瓶颈点。Declustered RAID对大容量磁盘故障模型进行了研究&＃xff0c;对现有RAID进行了优化&＃xff0c;但是&＃xff0c;个人认为灵活度不够&＃xff0c;不能有效地分离应用IO和Rebuild IO。

3&＃xff0c;在底层虚拟化&＃xff08;Low Level Virtualization&＃xff09;的基础上构建RAID。由于磁盘容量不断增大&＃xff0c;那么我们有必要在RAID的下层增加一个管理物理磁盘的虚拟化层&＃xff0c;通过该虚拟化层来管理物理磁盘&＃xff0c;并且为RAID提供虚拟磁盘。当遇到读写错误的时候&＃xff0c;虚拟化层可以Remap RAID的请求&＃xff0c;从而使得很多错误信息对RAID透明&＃xff0c;减少RAID数据重构次数。由于有了这个虚拟化层&＃xff0c;可以很容易的实现Data Awareness的数据重构方式&＃xff0c;进一步降低RAID重构时间。由于虚拟化层可以对底层物理资源进行管理&＃xff0c;因此&＃xff0c;可以对磁盘健康状态进行监测&＃xff0c;从而对存储资源进行合理分配&＃xff0c;达到数据可靠存储的目的。最为重要的是&＃xff0c;虚拟化层可以对应用IO和Rebuild IO进行分离&＃xff0c;在很多情况下&＃xff0c;Rebuild IO不会对应用IO造成性能影响。当然&＃xff0c;底层虚拟化也会存在一些问题&＃xff0c;最为关键的是存储资源如何分配&＃xff1f;尽最大可能不浪费存储空间。目前&＃xff0c;我正在对该领域进行研究探索。

4&＃xff0c;在很多集群文件系统中&＃xff0c;基本已经放弃了传统RAID技术&＃xff0c;并且将数据冗余保护的功能放在了文件系统层面。例如Hadoop文件系统直接在文件系统层面将数据冗余存储三份。

RAID技术一直是数据存储的关键&＃xff0c;面对磁盘容量不断增加的今天&＃xff0c;我们有必要思考RAID技术的未来&＃xff0c;今天4TB磁盘即将大面积应用&＃xff0c;明天10TB硬盘还会远吗&＃xff1f;