NetApp RAID技术介绍

NetApp RAID技术介绍

NetApp可以提供WAFL Optimized intelligent RAID 4(增强型RAID 4) 、双校验盘RAID DP 、SyncMirror和组合型RAID等多种技术手段，不仅满足传统RAID的四种需求目标—安全、经济、效率、扩充，另外对资料安全还提供更多层不影响资料服务的线上防护机制：

Ÿ硬盘区块验证系统 (Block-level checksum)，当有一颗硬盘故障时，RAID系统可保护资料不会流失，但是硬盘无故障时，如果某个硬盘的区块 (Block) 资料有错误时，RAID将无法侦测与更正，此时读取的的资料将会错误。WAFL内建硬盘区块验证系统 (Block-level checksum) 功能，在RAID所写入资料的Block 都会加写checksum在每颗硬盘上，每次读取资料时都会同时检查checksum值。若检查不符时，就会利用RAID的Parity将该Block进行修复与更正，如此所读出的资料就可得到正确性的保障了。（专利申请中）

Ÿ硬盘扇区检查系统 (Disk scrubbing)，每周WAFL会自动自我扫描检查每颗有资料的硬盘所有区块，检查的周期与时间长度亦可自行调整，于所定的时间内未完成时，也会在下次检查时继续未完成的部分。如此可以提早剔除将会故障的扇区，提供更安全、稳定的硬盘环境，更进一步降低风险。

Ÿ文件系统线上检查系统 (Online File System Check)，一般的文件系统检查都必须在离线状态下才能进行（例如 fsck 和 scandisk），不仅需要漫长的等待时间，更造成服务的中断，文件系统容量越大时，服务停顿的时间就越长。为避免任何可能造成文件系统错误的因素，同时避免因着检查而让服务中断，WAFL 具有独步全球的线上进行文件系统检查的能力，进行检查时仍可正常提供资料服务，达到同时兼顾安全、不带来服务停顿的效果。

1.1.1 增强型RAID4+

RAID技术原来分为RAID 1到RAID 5 等几级。最常使用的是RAID 1，3和5。

RAID 0，过去一些人使用其来指磁盘条带化，它基本上是没有校验盘的RAID 4机制。由于磁盘条带之间没有数据冗余，使用RAID这个名词容易引起误解。

RAID 1是简单的磁盘镜像。所有数据在两个单独的盘上重复存在。RAID 1十分安全，但加倍了磁盘存储的成本。

RAID 3是与RAID 4类似，在每组盘中使用单一的校验盘，但是RAID 3中条带划分较小，使得每一个操作都要跨越阵列中所有的磁盘。例如，一个块数据中的

第一个字节可能在第一个盘上，第二个字节在第二个盘上，诸如此类。RAID 3经常处于磁头同步状态以减少等待时间，RAID 3适于单一大文件以高数据率进行读写的应用，诸如超级计算机和图形图像处理。对于多用户并行发起众多互不相关磁盘操作的应用则不适宜。作为对比，RAID4盘组中的每一个数据盘都可以同时满足一个单独用户的请求。

RAID 5与RAID 4类似，但与RAID 4拥有独立校验盘不同，RAID 5在阵列中所有磁盘上存储校验信息。RAID 5的主要的优势在于它可以防止校验盘本身成为读写瓶颈。主要的缺点是不能方便的将一块新磁盘添加到现有的RAID组中。如果要向已有的磁盘组中加入新盘，必须加入一个新的磁盘组。如果一个RAID 5盘组采用8个盘构成，那么新加磁盘必须以8个为一组，一次性添加。

NetApp Filer使用WAFL Optimized intelligent RAID 4(增强型RAID 4) 提供硬盘保护机制。传统的RAID4、RAID5中对文件系统的结构与应用考虑的并不是很多。NetApp采用的增强型RAID4与以上介绍的WAFL文件系统结合非常紧密，并经过了专门的优化。通过同时优化文件系统与RAID机制，NetAppRAID在提供RAID保护机制的同时，没有带来类似RAID 5的性能损耗。同时，RAID结构可以迅速、简便的加以动态扩充。

通过增强型RAID 4，如果一块磁盘上的一个数据块损坏，盘组中的校验盘将重新计算该数据块上的数据。并且该数据块将被映射到磁盘中新的位置上。如果某个磁盘整体损坏，校验盘能防止任何数据丢失。当替换损坏的磁盘时，校验盘被将自动重新计算其内容。

增强型RAID4阵列在同一个盘组中使用一个磁盘作为校验盘，其它作为数据盘。每个磁盘均划分为4KB大小的数据块。一道磁盘条带包括每个数据磁盘的一个数据块和校验盘的数据块。条带中任意一个数据块的数据丢失，均能通过校验计算重新得出。

图 5：增强型RAID 4 磁盘布局

以上图片数字展示了Filer中的增强型RAID4阵列中的条带是如何划分的。我们可以通过简单的数学运算模拟RAID机制。如：

校验数据数据1 数据2 数据3

12 3 7 2

如果数据盘之一失败，例如“数据2”，数据然能通过简单的算术计算重建：

数据2 = 校验数据－数据1－数据3

= 12 － 3 － 2

= 7

实际上，RAID系统中不是采用加减运算，而是采用异或运算来实现RAID功能。但是如果一个条带中出现两处错误，则无法用这种方法重新计算出所有数据。需要依靠下文介绍的NetApp专利技术—RAID DP。

1.1.2 消除校验盘瓶颈

面向UNIX和Windows等操作系统的RAID外围设备厂商较少采用RAID 4，因为在通用文件系统下，RAID4校验盘容易成为瓶颈。但是WAFL文件系统利用其灵活的“任意位置写入文件布局”特性，继承了RAID 4固有的优势，并且避免了其校验盘瓶颈，最大限度的发挥了RAID 4的效率。

WAFL不同于通用文件系统的一个例子是，伯克利快速文件系统（FFS）设计中专门为一次写入一个文件做了优化。结果是可以为不同的文件把数据块散布到磁盘的不同位置上。下图左半部显示了FFS如何为不相关的三个文件分配RAID阵列空间。当例子中每块数据盘仅仅写入2次时，校验盘要做6次写入。更重要的是，校验数据写入分布过于分散，导致磁盘寻道时间消耗。

图 6：伯克利快速文件系统（FFS）和 WAFL文件系统写入空间分配特点