操作系统导论习题解答（38. Redundant Disk Arrays (RAID)）

Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAIDs)

带着问题学习：如何制作容量大、速度快、可靠的磁盘？

解决上述问题使用了一种技术叫做Redundant Array of Inexpensive Disks(RAID)：协同使用多个磁盘。

RAIDs相对于单个磁盘有如下几点优势：

1. 性能(performance)
2. 容量(capacity)
3. 可靠性(reliability)

RAIDs对使用它们的系统透明地(transparently)提供了这些优势,对于宿主系统而言一个RAID看起来就像一个磁盘。透明性提高了RAID的可部署性，使使用者和管理员使用RAID不需要担心软件兼容问题。

1. Interface And RAID Internals

当文件系统向RAID发出一个逻辑I/O请求，RAID内部必须计算获取哪个(些)磁盘响应这个请求，然后发出一个或多个物理I/O请求完成这个请求。举一个简单的例子，考虑一个RAID，该RAID保留每个块的两个副本(每个副本在单独的磁盘上)；在写入此类镜像RAID系统时，RAID必须为发出的每个逻辑I/O执行两个物理I/O。

一个RAID系统通常情况下被设计成一个单独的硬件盒，通过标准(SCSI或SATA)与主机连接。但是在RAID内部却相当复杂，有运行固件以指导RAID操作的微控制器；用于在读写数据块时对其进行缓冲的诸如DRAM之类的易失性存储器；在某些情况下，非易失性存储器可以安全地缓冲写入操作，甚至可以使用专门的逻辑来执行奇偶校验计算。

从较高层次上讲，RAID是一个非常特殊的计算机系统，它有处理器、存储器和磁盘。但是，它不是运行应用程序，而是运行专门用于操作RAID的软件。

2. Fault Model

要了解RAID并比较不同方法的优劣，我们必须知道故障模型。RAID旨在检测特定类型的的磁盘故障并从中恢复。因此，准确知道预期的故障对于实现可行的设计至关重要。

第一个故障模型相当简单，叫做fail-stop故障模型。在这个模型中，一个磁盘能有确定的两个状态中的一个：能工作(working)或者已失效(failed)。

这个故障模型一个至关重要的点就是它关于故障侦测的假设：当一个磁盘失效后，它非常容易检测到。因此，在这个模型中，我们不需要关心更复杂的故障问题。

3. How To Evaluate A RAID

构建RAID有多种不同的方法，这些方法中的每一种有不同的特征，为了了解每一种方法的优缺点，我们需要了解每一种方法的特征。

上述我们也提到过，评估RAID设计优劣有三个指标：

1. capacity。N个磁盘，每个磁盘有B块，不使用冗余阵列，可用容量为N * B；如果我们使用RAID保留每个块的两个副本，那么可用容量就为(N * B)/ 2。
2. reliability。给定的设计可以容忍多少磁盘故障？
3. performance。性能评估在某种程序上具有挑战性，因为它很大程序上取决于提供给磁盘阵列的工作负载。

我们将重点考虑三个RAID设计：

1. RAID Level 0 (striping)
2. RAID Level 1 (mirroring)
3. RAID Levels 4/5 (parity-based redundancy)