固態(tài)硬盤內(nèi)RAID5技術

提到冗余保護，最容易想到的就是RAID(Redundant Arrays of Independent Disks)。它是一種把多塊獨立的物理硬盤按不同方式組合形成一個硬盤組，以此提供比單個硬盤更高的存儲性能和數(shù)據(jù)冗余的技術。該技術在服務器和存儲陣列產(chǎn)品中廣泛應用。

近年來，隨著固態(tài)硬盤的使用率上升，提升固態(tài)硬盤的性能和可靠性(包括壽命)一直是行業(yè)攻關的重點。RAID技術在固態(tài)硬盤內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛應用。關鍵數(shù)據(jù)多副本，可以看作是RAID1保護，用戶數(shù)據(jù)更常見的則是使用性價比較高的RAID5。具體使用什么RAID級別，一般是根據(jù)實際情況進行選擇。DapuStor的HaiShen系列產(chǎn)品就使用RAID5技術為用戶數(shù)據(jù)提供冗余保護，提升可靠性。這里，我們就將盤內(nèi)RAID5技術做一個簡單介紹。

RAID5原理

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

盤內(nèi)RAID5條帶布局

為了保證任意時候，一個Block或者DIE損壞，不會導致數(shù)據(jù)丟失。一個RAID5條帶中的每個條帶單元最好是來自不同的Block和不同的DIE。這種我們一般稱為DIE級別的RAID冗余。跟上圖對應，比如A1數(shù)據(jù)在DIE 1的某個Block，A2數(shù)據(jù)在DIE2的某個Block。最直觀的組條帶方式就是每個DIE各選一個Block，然后每個Block的相同Page組成一個條帶。各個Block的Page組成RAID5條帶有下面幾種常見布局：

1)固定DIE的布局

在組成一個RAID組的Block中，使用一個固定DIE的Block存儲校驗(類似傳統(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RAID組的Block中，校驗不固定在某個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，會產(chǎn)生不同的盤內(nèi)數(shù)據(jù)布局。最直觀的，順序?qū)懞螅樞蜃x，各個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

如果Host 讀某個Nand Page發(fā)生UNC(UNCorrectable)錯誤，這時RAID5恢復的原理是讀這個條帶內(nèi)其他數(shù)據(jù)和校驗數(shù)據(jù)，進行計算，得到期望的數(shù)據(jù)。

盤內(nèi)RAID的異常處理

RAID5的數(shù)據(jù)恢復依賴分條的完整性，因為故障可能發(fā)生在任何階段，所以數(shù)據(jù)恢復前必須判斷出校驗的有效性，避免恢復出錯誤數(shù)據(jù)。

典型場景1：某個Nand Block故障時，這個Block已經(jīng)在一個寫完成的條帶上，此時RAID其實處于降級狀態(tài)，較優(yōu)的想法是把相關條帶的數(shù)據(jù)重新放到一個健康的條帶或者重建出故障Block的數(shù)據(jù)來替換它。

典型場景2：某個Nand Block 故障時，此時還沒有數(shù)據(jù)寫入，盡量把它從RAID組的Block中剔除，選一個健康的Block替換或者讓當前RAID組從N+1保護轉(zhuǎn)換成(N-1)+1。

典型場景3：一個條帶單元的數(shù)據(jù)寫入Nand 過程中發(fā)生了Program fail，同時另一個位置的讀又遇到UNC，這些場景在DapuStor的HaiShen系列產(chǎn)品中都有專門處理，保障可以恢復出正確數(shù)據(jù)。

因為錯誤可能發(fā)生在任何時刻，所以其他場景這里就不一一列舉。

RAID帶來的影響

1.OP(Over Provisioning)空間降低

引入RAID后，有的Nand空間用于存儲校驗數(shù)據(jù)，間接導致用戶數(shù)據(jù)的可用OP空間降低，

2.WA(Write Amplification)變大

因為每個條帶額外寫入了一份校驗數(shù)據(jù)，所以整個生命周期的WA會增大。

3.性能影響

前面兩點提到的OP變小，寫放大變大，其實最終也都會表現(xiàn)成對性能的影響。另外，一個直觀感受是順序?qū)懞妥x的過程，因為每個條帶都有一個DIE沒有提供給Host IO服務，所以性能也必定會有影響。

盤內(nèi)冗余技術發(fā)展

RAID5為用戶數(shù)據(jù)提供了N+1級別的冗余保護。隨著盤內(nèi)功能增強，業(yè)務對盤內(nèi)可靠性要求的提高，不同成本和可靠性定位的用戶可能會需要不同冗余保護的級別。技術上還有一些更高級別的冗余保護：

1.RAID6

相比RAID5的N+1，它提供了N+2的保護。對應在SSD產(chǎn)品中，它當然也會帶來更大的OP損耗。

2.EC(Erasure Coding)

現(xiàn)在分布式存儲時代，多備份和EC相比傳統(tǒng)RAID是更廣泛的應用。EC算法提供了N+M的保護級別，可以有更廣闊的選擇空間。

原文標題：盤內(nèi)數(shù)據(jù)冗余保護

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責任編輯：haq