磁碟陣列可靠度的計算

磁碟陣列可靠度的計算（tigerpa　2001年05月19日 01:07）
　　磁碟陣列有著廣泛的應用，但它卻又往往是整個系統安全執行的瓶頸，它的可靠性的量化計算越來越受到關注，因為有了量化的資料，就能為深層次地認識事物本質提供科學的依據，為多方案的最佳化比較奠定基礎，進而做出正確的決定。作一個可行的磁碟陣列方案並不難，難的是作一個最佳化的方案。我們認為解決這些問題的關鍵是能否找到可靠度的數學模型，如果能找到的話，問題就可以迎刃而解。正是在這種情況下，由於實際工作的需要，我們作了一些資料收集與整理，對硬碟陣列的可靠度作了探索性求解，現寫成此文，以作拋磚引玉。
RAID 簡介 　　RAID是由美國加州大學伯克利分校的DA Patterson教授提出的。RAID是Redundant Array of Inexpensive Disks的縮寫，簡稱為"磁碟陣列"。可以把RAID理解成將一組磁碟驅動器有機的組合方式，構成邏輯上的一個磁碟驅動器。RAID的具體實現可以靠硬體，譬如磁碟陣列櫃；也可以靠軟體，Windows NT作業系統就提供軟體RAID功能。以前RAID一般是用SCSI磁碟驅動器實現的。由於現在IDE硬碟在容量和質量上都有了顯著的進步，所以RAID現在也應用到了IDE磁碟驅動器上。但由於常見的IDE通道最多隻能接4個磁碟驅動器，因而常見的IDE的RAID功能不如SCSI的豐富。現在已出現了IDE硬碟專用的陣列櫃，並且具備RAID5功能，支援掛接6只硬碟；同時，光介面的出現也更加豐富了RAID產品。從數學角度看，除RAID0外，其餘都屬工作冗餘系統。
RAID的特點 　　1、成本低，功耗小，資料傳輸速率高。在RAID中，可以讓很多磁碟驅動器同時傳輸資料，而這些磁碟驅動器在邏輯上又是一個磁碟驅動器，所以使用RAID可以達到單個的磁碟驅動器若干倍的速率。
　　2、可以提供容錯功能，提高了可靠度，當然這是以冗餘為代價的。這是RAID獲得廣泛應用的重要原因之一。
　　3、RAID是獲得大容量邏輯儲存器的價廉物美、簡單易行的好方法。這是RAID獲得廣泛應用的又一重要原因。
　　4、當RAID由硬碟陣列櫃實現時，硬碟陣列櫃的價格比起硬碟來往往是較貴的，甚至貴得多。
常用RAID的分類及其特徵 　　1、RAID0，無冗餘無校驗的磁碟陣列。資料同時分佈在各個磁碟驅動器上，沒有容錯能力，讀寫速度最快，可靠度最差。數學上稱RAID0為串聯模型，磁碟數N可以大於2，本文僅給出N=2的數學模型和可靠度。
　　2、RAID1，鏡象磁碟陣列。最基本的並聯模型，1/2表決器。
　　3、RAID 0＋1,實際上是RAID 0和RAID 1的派生，先RAID 0再RAID 1。最基本的串並聯模型。
　　4、RAID1＋0. 也是RAID 1和RAID 0的派生。先RAID 1再RAID 0。最基本的並串聯模型，串聯數N可以大於2 。
　　5、RAID2~4不常用，本文既不介紹也不分析。
　　6、RAID5，無獨立校驗盤的奇偶校驗磁碟陣列。校驗資訊分佈在各個磁碟驅動器上。RAID5對大小資料量的讀寫都有很好的效能，能獲得較高的可靠度，又能組成較大的容量，在磁碟的數量上有較靈活的選擇餘地，因而得到廣泛應用。RAID5是屬於(N-1)/N表決器數學結構。
　　7、RAID還有其他的型別，某些型別，名稱雖然一樣，各生產商有各自特殊的定義，使用時應引起注意。
RAID的可靠性模型 　　這裡所說的模型是指可靠度的模型，它和電路上的串並聯不可混為一談。例如若有兩隻電容並聯，但任何一隻失效，都會使系統失效，那麼在可靠性計算中則被判為串聯。可靠度模型還有非串聯並聯的模型。這裡所說的可靠度是指在規定的時間內，在規定的條件下，完成規定功能的能力,本文以機率計量。
磁碟陣列可靠度的計算 　　根據平均故障間隔時間(MTBF)，可以推斷出單隻磁碟的規定時間的無故障可靠度機率。按希捷網站提供的資料，SCSI硬碟的MTBF為100萬小時，IDE硬碟的MTBF為40萬小時。部分品牌的硬碟未給出MTBF，應該說，希捷的資料具有一定的代表性。按RAID可靠度的數學模型，計算出常見RAID的可靠度，並整理成表，以便對比。從該表不難看出，IDE的RAID1也有極高的可靠度。由於SCSI硬碟比IDE硬碟價格要貴得多，效能也高出不少，為了獲得比較合理的結論，可選擇以下方式比較：規定時間內、相同價格下比可靠度；或規定時間內、相同可靠度下比價格；當然還有其他的比較方式。不難得出以下結論：SCSI硬碟一次性投資較大，相對一勞永逸，RAID的可選形式較多。IDE硬碟一次性投資小，要達到規定可靠度，必須分段投資，總價仍較低，相對麻煩，目前實際的可選形式較少，但可選形式的增多是必然趨勢。由於計算機硬體發展極其迅速，上述結論只是特點而已，具體如何處理，還得視具體情況而定。
磁碟陣列可靠度表

結束語 　　硬碟生產方給出的MTBF是在特定的條件下作出的結論，一般來說，實際使用中環境各異，通常達不到廠家所說的那樣的條件。廠方測試用的硬碟一般無需長途運輸，而客戶用的硬碟都是有過運輸經歷的產品，甚至經過惡劣裝運，另外，使用技巧也是不容忽視的，這些還希望各位讀者能注意到。因此實際可靠度會有所下降，但各種形式的RAID之間的可靠度關係是客觀存在的。