提到冗余保護(hù)，最容易想到的就是RAID(Redundant Arrays of Independent Disks)。它是一種把多塊獨(dú)立的物理硬盤(pán)按不同方式組合形成一個(gè)硬盤(pán)組，以此提供比單個(gè)硬盤(pán)更高的存儲(chǔ)性能和數(shù)據(jù)冗余的技術(shù)。該技術(shù)在服務(wù)器和存儲(chǔ)陣列產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)，隨著固態(tài)硬盤(pán)的使用率上升，提升固態(tài)硬盤(pán)的性能和可靠性(包括壽命)一直是行業(yè)攻關(guān)的重點(diǎn)。RAID技術(shù)在固態(tài)硬盤(pán)內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵數(shù)據(jù)多副本，可以看作是RAID1保護(hù)，用戶(hù)數(shù)據(jù)更常見(jiàn)的則是使用性?xún)r(jià)比較高的RAID5。具體使用什么RAID級(jí)別，一般是根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。DapuStor的HaiShen系列產(chǎn)品就使用RAID5技術(shù)為用戶(hù)數(shù)據(jù)提供冗余保護(hù)，提升可靠性。這里，我們就將盤(pán)內(nèi)RAID5技術(shù)做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。

RAID5原理

數(shù)據(jù)按條帶分布在不同位置，比如圖中A1~Ap是一個(gè)條帶，B1~Bp是另一個(gè)條帶，每個(gè)條帶中的一份數(shù)據(jù)(比如A1)叫做條帶單元。每個(gè)條帶有一份校驗(yàn)數(shù)據(jù)(比如Ap)，所以我們一般也稱(chēng)它為N+1的RAID組。RAID5校驗(yàn)計(jì)算通常采用異或(XOR)算法。現(xiàn)在很多主控也提供RAID5計(jì)算的硬件加速功能。

盤(pán)內(nèi)RAID5條帶布局

為了保證任意時(shí)候，一個(gè)Block或者DIE損壞，不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。一個(gè)RAID5條帶中的每個(gè)條帶單元最好是來(lái)自不同的Block和不同的DIE。這種我們一般稱(chēng)為DIE級(jí)別的RAID冗余。跟上圖對(duì)應(yīng)，比如A1數(shù)據(jù)在DIE 1的某個(gè)Block，A2數(shù)據(jù)在DIE2的某個(gè)Block。最直觀的組條帶方式就是每個(gè)DIE各選一個(gè)Block，然后每個(gè)Block的相同Page組成一個(gè)條帶。各個(gè)Block的Page組成RAID5條帶有下面幾種常見(jiàn)布局：

1)固定DIE的布局

在組成一個(gè)RAID組的Block中，使用一個(gè)固定DIE的Block存儲(chǔ)校驗(yàn)(類(lèi)似傳統(tǒng)的RAID3)，但是組成不同RAID組的Block可以不同。

2)旋轉(zhuǎn)布局

組成一個(gè)RAID組的Block中，校驗(yàn)不固定在某個(gè)Block上，而是有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)變化(RAID5的旋轉(zhuǎn)布局有多種方式，此處只列舉了一種)。

不同的數(shù)據(jù)布局，會(huì)產(chǎn)生不同的盤(pán)內(nèi)數(shù)據(jù)布局。最直觀的，順序?qū)懞螅樞蜃x，各個(gè)DIE或者Block上的壓力模型，在前面提到兩種布局下是不同的。

RAID5數(shù)據(jù)恢復(fù)

如果Host 讀某個(gè)Nand Page發(fā)生UNC(UNCorrectable)錯(cuò)誤，這時(shí)RAID5恢復(fù)的原理是讀這個(gè)條帶內(nèi)其他數(shù)據(jù)和校驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算，得到期望的數(shù)據(jù)。

盤(pán)內(nèi)RAID的異常處理

RAID5的數(shù)據(jù)恢復(fù)依賴(lài)分條的完整性，因?yàn)楣收峡赡馨l(fā)生在任何階段，所以數(shù)據(jù)恢復(fù)前必須判斷出校驗(yàn)的有效性，避免恢復(fù)出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

典型場(chǎng)景1：某個(gè)Nand Block故障時(shí)，這個(gè)Block已經(jīng)在一個(gè)寫(xiě)完成的條帶上，此時(shí)RAID其實(shí)處于降級(jí)狀態(tài)，較優(yōu)的想法是把相關(guān)條帶的數(shù)據(jù)重新放到一個(gè)健康的條帶或者重建出故障Block的數(shù)據(jù)來(lái)替換它。

典型場(chǎng)景2：某個(gè)Nand Block 故障時(shí)，此時(shí)還沒(méi)有數(shù)據(jù)寫(xiě)入，盡量把它從RAID組的Block中剔除，選一個(gè)健康的Block替換或者讓當(dāng)前RAID組從N+1保護(hù)轉(zhuǎn)換成(N-1)+1。

典型場(chǎng)景3：一個(gè)條帶單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)入Nand 過(guò)程中發(fā)生了Program fail，同時(shí)另一個(gè)位置的讀又遇到UNC，這些場(chǎng)景在DapuStor的HaiShen系列產(chǎn)品中都有專(zhuān)門(mén)處理，保障可以恢復(fù)出正確數(shù)據(jù)。

因?yàn)殄e(cuò)誤可能發(fā)生在任何時(shí)刻，所以其他場(chǎng)景這里就不一一列舉。

RAID帶來(lái)的影響

1.OP(Over Provisioning)空間降低

引入RAID后，有的Nand空間用于存儲(chǔ)校驗(yàn)數(shù)據(jù)，間接導(dǎo)致用戶(hù)數(shù)據(jù)的可用OP空間降低，

2.WA(Write Amplification)變大

因?yàn)槊總€(gè)條帶額外寫(xiě)入了一份校驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以整個(gè)生命周期的WA會(huì)增大。

3.性能影響

前面兩點(diǎn)提到的OP變小，寫(xiě)放大變大，其實(shí)最終也都會(huì)表現(xiàn)成對(duì)性能的影響。另外，一個(gè)直觀感受是順序?qū)懞妥x的過(guò)程，因?yàn)槊總€(gè)條帶都有一個(gè)DIE沒(méi)有提供給Host IO服務(wù)，所以性能也必定會(huì)有影響。

盤(pán)內(nèi)冗余技術(shù)發(fā)展

RAID5為用戶(hù)數(shù)據(jù)提供了N+1級(jí)別的冗余保護(hù)。隨著盤(pán)內(nèi)功能增強(qiáng)，業(yè)務(wù)對(duì)盤(pán)內(nèi)可靠性要求的提高，不同成本和可靠性定位的用戶(hù)可能會(huì)需要不同冗余保護(hù)的級(jí)別。技術(shù)上還有一些更高級(jí)別的冗余保護(hù)：

1.RAID6

相比RAID5的N+1，它提供了N+2的保護(hù)。對(duì)應(yīng)在SSD產(chǎn)品中，它當(dāng)然也會(huì)帶來(lái)更大的OP損耗。

2.EC(Erasure Coding)

現(xiàn)在分布式存儲(chǔ)時(shí)代，多備份和EC相比傳統(tǒng)RAID是更廣泛的應(yīng)用。EC算法提供了N+M的保護(hù)級(jí)別，可以有更廣闊的選擇空間。

原文標(biāo)題：盤(pán)內(nèi)數(shù)據(jù)冗余保護(hù)

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