關於RAID10和RAID5的認識

yuan22003發表於2011-08-24
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獨立磁碟冗餘陣列（RAID, Redundant Array of Independent Disks）簡稱磁碟陣列，其基本思想就是把多個相對便宜的硬碟組合起來，成為一個磁碟陣列組，使效能達到甚至超過一個價格昂貴、容量巨大的硬碟。根據選擇的版本不同，RAID比單顆硬碟有以下一個或多個方面的好處：增強資料整合度，增強容錯功能，增加處理量或容量。另外，磁碟陣列組對於電腦來說， 看起來就像一個單獨的硬碟或邏輯儲存單元。分為RAID-0，RAID-1，RAID-1E，RAID-5，RAID-6，RAID-7，RAID-10，RAID-50。

簡單來說，RAID把多個硬碟組合成為一個邏輯扇區，因此，作業系統只會把它當作一個硬碟。RAID常被用在伺服器電腦上，並且常使用完全相同的硬碟作為組合。由於硬碟價格的不斷下降與RAID功能更加有效地與主機板整合，它也成為了玩家的一個選擇，特別是需要大容量儲存空間的工作，如：視訊與音訊製作。

象小io的資料庫型別操作，如ERP等等應用，建議採用RAID10，而大型檔案儲存，資料倉儲，如醫療PACS系統、視訊編輯系統則從空間利用的角度，建議採用RAID5。下面請看詳細的效能對比：

    本文上部分側重分析兩種RAID的內部執行原理，下部分將根據不同的影響磁碟效能的因素來分析，RAID方案對磁碟系統的影響

    為了方便對比，我這裡拿同樣多驅動器的磁碟來做對比，RAID5選擇3D+1P的RAID方案，RAID10選擇2D+2D的Raid方案，分別如圖：
 


    那麼，我們分析如下三個過程：讀，連續寫，隨機寫，但是，在介紹這三個過程之前，我需要介紹另外一個磁碟陣列中的重要概念：cache。

磁碟讀寫速度的關鍵之一：Cache

    cache技術最近幾年，在磁碟儲存技術上，發展的非常迅速，作為高階儲存，cache已經是整個儲存的核心所在，就是中低端儲存，也有很大的cache存在，包括最簡單的RAID卡，一般都包含有幾十，甚至幾百兆的RAID cache。

    cache的主要作用是什麼呢？作為快取，cache的作用具體體現在讀與寫兩個不同的方面：作為寫，一般儲存陣列只要求資料寫到cache就算完成了寫操作，當寫cache的資料積累到一定程度，陣列才把資料刷到磁碟，可以實現批量的寫入。所以，陣列的寫是非常快速的。至於cache資料的保護，一般都依賴於鏡相與電池（或者是UPS）。

    cache在讀資料方面的作用一樣不可忽視，因為如果所需要讀取的資料能在cache中命中的話，將大大減少磁碟尋道所需要的時間。因為磁碟從開始尋道到找到資料，一般都在6ms以上，而這個時間，對於那些密集型I/O的應用可能不是太理想。但是，如果能在cache儲存的資料中命中，一般響應時間則可以縮短在1ms以內。

    不要迷信儲存廠商的IOPS（每秒的io數）資料，他們可能全部在cache命中的基礎上做到的，但是實際上，你的cache命中率可能只有10%。

    介紹完cache，我們就可以解釋RAID5與RAID10在不同的模式下，工作效率問題了，那麼我們來分別分析讀操作、連續寫和離散寫三方面的問題。

讀操作方面的效能差異
    如我上文的介紹，磁碟陣列讀操作的關鍵更多的體現在cache的命中率上。所以，RAID5和RAID10在讀資料上面，他們基本是沒有差別的，除非是讀的資料能影響cache命中率，導致命中率不一樣。

連續寫方面的效能差異
    連續寫的過程，一般表示寫入連續的大批量的資料，如媒體資料流，很大的檔案等等。連續寫操作大多數產生於醫療PACS系統、高教圖書館系統、視訊編輯系統等等應用環境下。

    根據我本人的經驗，在連續寫操作過程，如果有寫cache存在，並且演算法沒有問題的話，RAID5比RAID10甚至會更好一些，雖然也許並沒有太大的差別。（這裡要假定儲存有一定大小足夠的寫cache，而且計算校驗的cpu不會出現瓶頸）。

    因為這個時候的RAID校驗是在cache中完成，如4塊盤的RAID5，可以先在記憶體中計算好校驗，同時寫入3個資料+1個校驗。而RAID10只能同時寫入2個資料+2個鏡相。

    如上圖所示，4塊盤的RAID5可以在同時間寫入1、2、3到cache，並且在cache計算好校驗之後，我這裡假定是6（實際的校驗計算並不是這樣的，我這裡僅僅是假設），同時把三個資料寫到磁碟。而4塊盤的RAID10不管cache是否存在，寫的時候，都是同時寫2個資料與2個鏡相。

    根據我前面對快取原理的介紹，寫cache是可以快取寫操作的，等到快取寫資料積累到一定時期再寫到磁碟。但是，寫到磁碟陣列的過程是遲早也要發生的，所以RAID5與RAID10在連續寫的情況下，從快取到磁碟的寫操作速度會有較小的區別。不過，如果不是連續性的強連續寫，只要不達到磁碟的寫極限，差別並不是太大。

離散寫方面的效能差異
    這裡可能會較難理解，但是，這一部分也是最重要的部分。企業中的絕大部分資料庫應用，如ERP系統等等在資料寫入的時候其實都是離散寫。

    例如oracle 資料庫每次寫一個資料塊的資料，如8K；由於每次寫入的量不是很大，而且寫入的次數非常頻繁，因此聯機日誌看起來會像是連續寫。但是因為不保證能夠添滿RAID5的一個條帶（保證每張盤都能寫入），所以很多時候更加偏向於離散寫入。


    我們從上圖看一下離散寫的時候，RAID5與RAID10工作方式有什麼不同。如上圖：我們假定要把一個數字2變成數字4，那麼對於RAID5，實際發生了4次io：
    先讀出2與校驗6，可能發生讀命中
    然後在cache中計算新的校驗
    寫入新的數字4與新的校驗8

    如上圖我們可以看到：對於RAID10，同樣的單個操作，最終RAID10只需要2個io，而RAID5需要4個io。

    這裡我忽略了RAID5在那兩個讀操作的時候，可能會發生讀命中操作的情況。也就是說，如果需要讀取的資料已經在cache中，可能是不需要4個io的。這也證明了cache對RAID5 的重要性，不僅僅是計算校驗需要，而且對效能的提升尤為重要。我本人曾經測試過，在RAID5的陣列中，如果關閉寫cache，RAID5的效能將差很多倍。

    當然，我並不是說cache對RAID10就不重要了，因為寫緩衝，讀命中等，都是提高速度的關鍵所在，不過的是，RAID10對cache的依賴性沒有RAID5那麼明顯而已。

    到這裡，大家應當也大致明白了RAID5與RAID10的原理與差別了，一般來說，象小io的資料庫型別操作，建議採用RAID10，而大型檔案儲存，資料倉儲，則從空間利用的角度，可以採用RAID5。

    在本文下篇，我們將進一步分析影響磁碟效能的不同因素，並分析不同的RAID方案對磁碟系統的影響

陣列的瓶頸主要體現在2個方面，頻寬與IOPS（單位時間傳輸的資料量，和單位時間完成的I/O數）。

影響頻寬的主要因素

    儲存系統的頻寬主要取決於陣列的構架，光纖通道的大小（我們今天討論的陣列一般都是光纖陣列， SCSI這樣的SSA陣列，暫時不在討論範圍之列）以及硬碟的個數。

    所謂陣列構架影響儲存系統頻寬，指的是儲存系統內部架構會存在一些內部頻寬，類似於PC的系統匯流排，儘管陣列的構架因不同廠商不同型號的產品而各有不同，不過一般情況下，內部頻寬都設計的很充足，不會是瓶頸的所在。

    光纖通道對頻寬的影響還是比較大的，例如資料倉儲環境中，對資料的流量要求很大，而一塊2Gb的光纖卡，所能支撐的最大流量應當是2GB/8=250Mb/s的實際流量，必須配備4塊光纖卡才能達到1Gb/s的實際流量，所以對於資料倉儲的環境來說，升級到光纖4Gb並非是廠商過於超前的產品更新，在大流量的資料環境下絕對有必要考慮更換4GB的光纖卡。

    但是對於儲存系統的頻寬來說，硬碟介面的頻寬限制是最重要的。當前面的瓶頸不再存在的時候，頻寬就完全取決於硬碟的個數了，我下面列一下不同規格的硬碟所能支撐的流量大小，資料取自硬碟廠商的標準引數：

    如果我們假定一個陣列有120塊15K rpm轉速的光纖硬碟，那麼硬碟上最大的可以支撐的資料流量為120*13=1560Mb/s，當前端介面不成為瓶頸的時候，1560Mb/s就是理論上的最大資料流量。

    而如果要實現上述的最大頻寬，如果前端採用2GB的光纖卡，可能需要配置6塊才能夠，而4GB的光纖卡，配置3-4塊就夠了。因此我們可以知道，前端的光纖介面必須與後端磁碟個數相匹配。

    但是否考慮到這些因素就足夠了呢，儲存系統的整體效能還受到多方面因素的影響，下面我們將分析儲存系統的另外一個重要的效能指標：IOPS。

影響IOPS的主要因素

    我們前面已經說過了，廠商所提供的IOPS值是在理想狀態下測試出來的，對實際的執行效能的參考並不大，所以我們有必要通過以下幾個方面來衡量該系統的實際IOPS的可能表現。

    決定IOPS的主要因素取決於陣列的演算法，cache命中率，以及磁碟個數。

    陣列的演算法也因為不同廠商不同型號的產品而不同，如我們最近遇到在HDS USP上面，可能因為ldev(lun)存在佇列或者資源限制，而單個ldev的IOPS就上不去。所以，決定採購某型號的儲存之前，有必要了解這個儲存的一些演算法規則與限制。

    cache命中率對實際IOPS有決定性的影響，Cache命中率取決於資料的分佈，cache size的大小，資料訪問的規則，以及cache的演算法，如果完整的討論下來，這裡將變得很複雜，可以有一天來慢慢討論。

    我們這裡把這些內部原理都省略掉，只強調：對於一個儲存陣列來說，讀cache的命中率越高，一般就表示它可以支援更多的IOPS，為什麼這麼說呢？這個就與我們下面要討論的硬碟IOPS有關係了。

    每個物理硬碟能處理的IOPS是有限制的，如

    同樣，如果一個陣列有120塊15K rpm轉速的光纖硬碟，那麼，它能支撐的最大IOPS為120*150=18000，這個為硬體限制的理論值，如果超過這個值，硬碟的響應可能會變的非常緩慢而不能正常提供業務。較高的讀cache命中率，能降低硬碟的IOPS負荷，讓硬碟在較小的壓力下良好工作。

不同RAID對IOPS效能的影響

    在我們的上一篇文章“RAID5和RAID10，哪種RAID適合你(上)”中曾經討論過，在RAID5與RAID10的不同機制上，讀資料時，IOPS效能其實沒有差別。但是，相同的業務，在寫入資料時，採用不同的RAID機制最終落在磁碟上的IOPS是有差別的，我們評估的正是磁碟的整體IOPS，如果達到了磁碟的限制，效能肯定是上不去了。

    那我們假定一個case，業務應用的IOPS是10000，讀cache命中率是30%，讀IOPS為60%，寫IOPS為40%，磁碟個數為120，那麼分別計算在RAID5與RAID10的情況下，每個磁碟的IOPS為多少。

    RAID5:
    1. 單塊盤的IOPS = (10000*(1-0.3)*0.6 + 4 * (10000*0.4))/120
    2.              = (4200 + 16000)/120
    3.              = 168

    這裡的10000*(1-0.3)*0.6表示是讀的IOPS，比例是0.6，除掉cache命中，實際只有4200個讀IOPS。

    而4 * (10000*0.4) 表示寫的IOPS，因為每一個寫，在RAID5中，實際發生了4個io，所以寫的IOPS為16000個。

    為了考慮RAID5在寫操作的時候，那2個讀操作也可能發生命中，所以更精確的計算應該為：
    1. 單塊盤的IOPS = (10000*(1-0.3)*0.6 + 2 * (10000*0.4)*(1-0.3) + 2 * (10000*0.4))/120
    2.              = (4200 + 5600 + 8000)/120
    3.              = 148

    這樣我們計算出來單個盤的IOPS為148個，基本達到磁碟IOPS極限，在這種情況下，磁碟的工作狀態是非常不理想的。

    RAID10對IOPS效能的影響
    1. 單塊盤的IOPS = (10000*(1-0.3)*0.6 + 2 * (10000*0.4))/120
    2.              = (4200 + 8000)/120
    3.              = 102

    可以看到，因為RAID10對於一個寫操作，只發生2次io，所以，同樣的壓力，同樣的磁碟，每個盤的IOPS只有102個，還遠遠低於磁碟的極限IOPS。

    這裡回到我們先前討論的case上來，在我們先前採用RAID5的時候，通過分析，每個磁碟的IOPS在高峰時期，快達到200了，導致響應速度巨慢無比。改造成RAID10，每個磁碟的IOPS降到100左右，很好的避免了這個效能問題。


影響讀資料的關鍵因素是cache命中率，在讀資料的情況下，RAID5與RAID10效能本身沒有太大差別。但是對於寫資料的一些應用，尤其是小I/O頻繁寫入的一些應用，如企業ERP生產系統等等，RAID10相比RAID5可能產生較大的效能差異。而大型檔案儲存，資料倉儲，如醫療PACS系統、視訊編輯系統則從空間利用的角度，建議採用RAID5。

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