当SSD遇上RAID数据保护技术：数据可靠性挑战

上期文章我们谈到，传统的存储系统双活架构，多用于以机械硬盘（HDD）为主要存储介质的中低端磁盘存储系统，机械硬盘之间通过RAID（Redundant Array of Independent Disks，独立磁盘冗余阵列）技术实现冗余保护。

那么，什么是RAID数据保护技术？应用于SSD（固态硬盘）又会带来哪些伤害？

RAID技术的前世今生

RAID最早出现于20世纪80年代后期，初衷是提升固态硬盘的性能和容错能力。

RAID包含条带化和奇偶校验两大基本概念，可分为RAID0～RAID6 7种级别。其中，应用最为广泛的为RAID0、RAID5和RAID6。

图1: RAID0和RAID5示意图

图2: RAID 6示意图

RAID 0 采用条带化技术，将两个以上的机械硬盘排列起来，构成磁盘阵列。存放数据时，将数据分为若干个条带，并行写入到各HDD中。由于可以并行读写，RAID 0无疑是所有级别中性能最好的，但如果阵列中任何一个硬盘损坏，所有数据将丢失，无容错能力。

RAID 5使用奇偶校验位，校验码均匀分布在阵列中的各个机械硬盘上。如图所示，在一个RAID 5磁盘阵列中，数据A分为A1、A2、A3 3个条带，依次写入HDD1、HDD2、HDD3中，并由A1、A2、A3计算得出奇偶校验码，存放到HDD4中。以此类推，数据B也将被条带化，根据条带计算出奇偶校验码Bp，只是这次奇偶校验码存放在了与Ap不同的盘上。如果阵列中一块HDD发生故障，则可以通过其他盘上的数据和奇偶校验码信息，恢复被损坏的数据。RAID 5 可以容忍阵列中1块机械硬盘发生故障。

RAID 6与RAID5类似，只不过奇偶校验码由一位变成两位，可用容量由N-1块盘减少为N-2块盘，最多可允许阵列中2块机械硬盘发生故障。

随着RAID技术的发展，业界出现了组合RAID，如RAID 50。顾名思义，RAID 50结合了RAID 5和RAID 0两种技术。RAID 50最少需要6块盘，以此为例，6块HDD被分为两组，组内构成RAID 5，两组之间构成RAID 0。RAID 50可允许任意一组中1块机械硬盘故障。

如此看来，传统的存储系统双活架构中，即使采用高级别的RAID 5、RAID 6技术，实现HDD盘级层面的冗余，最多可以容忍组内2块机械硬盘故障。当组内超过2块机械硬盘发生故障时，整个阵列就会失效。

当传统存储系统双活架构遇上SSD

一项针对数据中心硬件故障的研究显示，数据中心前十大硬件故障来源包括机械硬盘和磁盘柜背板。

传统的存储系统双活架构中，两个控制器通过背板连接到共享磁盘柜，一旦磁盘柜背板发生故障，数据将无法访问，造成数据服务中断。此外，通过RAID技术实现冗余保护，最多可容忍组内2块机械硬盘故障。

如果我们将传统的存储系统双活架构，继续沿用在以固态硬盘为主要存储介质的全闪存储中，又会面临哪些问题呢？

首先，在硬盘层面，RAID技术真的能有效保护固态硬盘么？

 机械硬盘每秒可执行的随机读写任务数为数百个，而固态硬盘则可多达数万个，数据延迟也仅为机械硬盘 的1/50。因此，全闪存阵列通常不需要使用RAID技术来提高性能，更多的是借助RAID的冗余技术对SSD上的数据进行保护，简称为SSD RAID。

众所周知，固态硬盘不支持覆盖写，原有数据页需要经过擦除后方可重新写入，固态硬盘内部以块为单位进行擦除，而闪存块的擦除次数是有限的，因此固态硬盘的寿命很大程度上受写入次数的限制。

而写放大将带来不必要的写入，无疑是影响固态硬盘可靠度的关键点之一。

奇偶校验位是SSD RAID最常用的冗余技术。以采用RAID 5的全闪存阵列为例，每当有数据写入时， 存储系统架构中的RAID功能模块，将会为其分配一个逻辑页组，组成RAID 5逻辑结构。如果数据需要占用N个空白页空间，那么将为其分配N+1个空白页。其中N个空白页用于存放数据，而剩下的一个空白页用于存放校验码。校验码由前面N个数据页上的数据计算得出，如果这个逻辑页组内的任意一个数据页上的数据被更新，他们的RAID关系不会改变，但逻辑校验码也会被重新计算及更新。

如此一来，每一次数据的写入或更新，都会因为写校验码或更新校验码，带来额外的空间开销，造成写放大。随着数据写入量的不断增加，额外写入也会增大，更容易触发垃圾回收，而垃圾回收的过程势必又将会带来二次写放大。固态硬盘性能折损的同时，可靠度也大打折扣。

因此，SSD RAID对于全闪存阵列而言，并非盘级层面数据保护策略的最优解。

其次，在架构层面，如果采用双控制器共享磁盘柜的架构，当磁盘柜背板发生故障，进而导致存储资源池无法被访问的问题依然存在。

此外，当组内超过两块固态硬盘故障时，又该如何进行数据恢复呢？

除了传统的存储双活架构，我们还可以有别的选择么？