高级数据库系统（Advanced Database System）之：RAID 冗余磁盘阵列 （Redundant Array of Independent Disks ）

RAID 是什么

RAID 是冗余磁盘阵列结构，可以简单地理解成很多块 disk 协同工作来达到存储数据并能在根据不同的 RAID 模式对数据的安全性和可靠性进行保证。针对的主要是为了 Fault Tolerance （容错）

RAID 性能的衡量指标是什么

P：一段时间内一个磁盘发生错误的概率

假设磁盘 $A$ 在 $t$ 时段内发生故障的概率为 $P(A)$，

假设磁盘 $B$ 在 $t$ 时段内发生故障的概率为 $P(B)$，

那么 $A,B$ 同时发生错误的概率为 $P(A\cap B)=P(A)\times P(B)$,

$A,B$ 有一个发生的概率为 $P(A)+P(B)-P(A\cap B)\approx P(A)+P(B)$

MTTF：平均错误发生时间（Mean time to Failure）

• 假设 $A$ 在一年中发生错误的概率为 $P(A)=0.2$ 那么就可以看做 $MTTF(A)=\frac{1}{P(A)}\ast 一年=5年$，
• 因为一年发生错误的概率为 $P(A)=0.2$，可以粗暴的理解 5 年发生的概率就是 100%
• 同样的，如果有两个硬盘 $A,B$ 他们存了同一份数据，那么他们同时出错的概率就是$P(A\cap B)=P(A)\times P(B)=0.04$，而他们的 $MTTF(A\cap B）=MTTF(A)=\frac{1}{P(A\cap B)}\ast 一年=25年$
• 因为用 $A,B$ 同时备份一份数据，只有两个磁盘同时坏掉数据才会丢失，因此，$MTTF$ 得到了大幅度的提升。
• 下面的 $RAID1$ 就是这种模式

RAID 有哪些，分别有啥作用

RAID0, RAID1,… RAID6

RAID 0

• 我们在往磁盘上存数据的时候，假设以块（block） 作为基本的存储单位。$A_0,A_1,...,A_7$ 分别表示一段连续的数据。
  
  

• RAID 0 具有 极高的读写速度。因为他可以把 $A_0,A_1,...,A_7$ 这段连续的数据拆分然后并发地存入两个磁盘

• 但是要注意，两块磁盘任意一块损坏了，其他一块磁盘的数据将毫无意义。所以错误发生的概率也提高两倍。因此 MTTF （发生失效行为的间隔时间）会折半。

RAID 1

• 采用镜像的方式将两块磁盘一块放数据，一块放镜像，因此最少要两块磁盘，任意一块坏掉，另外一块用来完全恢复数据。
• 读吞吐量高，写吞吐量低，因为跟一块磁盘没区别
• 只能存一块磁盘的数据量
• 但是可靠性大幅增加，$MTTF$ 时间为一块磁盘的平方 $MTT{F}^2$

RAID 2

• 以比特为单位进行磁盘的读写操作，机制类似于 RAID 0
• 极少使用这种 RAID 2 模式
• MTTF 仅为 RAID 0 的 1/2

RAID 3

• 类似 RAID 2, 区别是采用 Byte 作为数据读写的基本单位
• 至少需要三块磁盘，两块放数据一块放校验码
• 采用校验盘，Disk3 作为校验盘，只要校验盘不坏，数据就可以恢复
• 但存数据的时候需要实时校验，因此 DISK3 一直高负荷运转导致校验盘容易损坏
• 因此 $P(A)=P(B=P(C)=p$ 错误概率相等的情况下，只有同时损坏两块盘才会导致错误，因此 $p^2$ 是同时毁两块盘的概率，而有三种情况可以发生，即 A,B ; A,C; B,C 因此$P(failure)=C_3^2\ast p^2=3p^2$，
• $MTTF=\frac{1}{3}\ast \frac{1}{p^2}$

RAID 4

• 类似于 RAID 2, RAID 3
• 采用的是 block 级别的数据读写
• 提供了高吞吐量但是很低的 write 速度
• 相比 RAID 3 ，如过损坏的不是校验盘，那么 RAID4 的恢复概率略低于 RAID 3
• 如果校验盘损坏，RAID3 和 RAID 4 都无法恢复

RAID 5

• RAID 5 和 RAID 3 相似，但不同是， RAID 5 把校验数据平均放在各个盘里，每个硬盘都有校验数据
• 如果一个盘损坏，其他盘中的信息 + 校验信息就能够恢复原始状态，避免 RAID 3 那种情况：校验盘挂掉，整个系统崩掉
• RAID 5 的读取速度接近 RAID 0 但写入速度不及 RAID 0
• RAID 5 的安全性能比 RAID 0 高很多，因此广泛应用

RAID 6

• RAID 6 采取两个盘作为校验盘
• RAID 6 的安全性能非常高
• 从图中可以看出 $P_0,P_1$ 负责数据 $A_0,A_1,A_2$ 的校验工作，而且他们采用两种不同的校验算法，任意损坏两块硬盘都能实现完全恢复
• 安全性比 RAID 5 还要高，但校验数据量也翻倍
• RAID 6 的校验算法运算量也远大于 RAID 5，因此写入和读取都慢于 RAID 5
• 可靠性相当于 $MTT{F}^3/10$
• 因为同时坏三快盘才能使数据无法恢复，因此 $P(failure)=C_5^3{p}^3=10\ast p^3$，因此$Reliability=\frac{1}{P(failure)}=\frac{1}{10\ast p^3}=\frac{1}{10}\ast MTT{F}^3$