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硬盘阵列可靠度的计算
引言--问题的提出及其思考
磁盘阵列有着广泛的应用。磁盘阵列往往是整个系统的瓶颈，它的可靠性的量化计算越来越值得关注，有了量化的数据，就为深层次地认识事物本质提供了科学依据，为多方案的优化比较奠定基础，进而做出正确的决定。在作磁盘阵列方案时，作一个可行方案并不难，难的是作一个优化方案。其实问题的焦点是能否找到可靠度的数学模型，不就迎刃而解了吗。正是在这种情况下，我们作了一些资料收集与整理，对硬盘阵列的可靠度作了探索性求解，写成此文，以作抛砖引玉。
§1、RAID 简介
RAID是由美国加州大学伯克利分校的DA Patterson教授提出的。RAID是Redundant Array of Inexpensive Disks的缩写，简称为"磁盘阵列"。可以把RAID理解成一种使用磁盘驱动器的排列组合方式，构成逻辑上的一个磁盘驱动器。RAID的具体实现可以靠硬件，譬如磁盘阵列柜；也可以靠软件，Windows NT操作系统就提供软件RAID功能。以前RAID一般是用SCSI磁盘驱动器实现的。现在由于IDE硬盘已今非昔比，容量和质量都有了显著进展，RAID也在IDE磁盘驱动器上得到应用。但由于IDE通道最多只能接4个磁盘驱动器，因而IDE的RAID功能不如SCSI的丰富。从数学角度看，除RAID0外，其余都属工作冗余系统。
§2、RAID的特点
1、成本低，功耗小，传输速率高。在RAID中，可以让很多磁盘驱动器同时传输数据，而这些磁盘驱动器在逻辑上又是一个磁盘驱动器，所以使用RAID可以达到单个的磁盘驱动器若干倍的速率。
2、可以提供容错功能，提高了可靠度，当然这是以冗余为代价的。这是RAID获得广泛应用的重要原因之一。
3、RAID是获得大容量存储器的价廉物美、简单易行的好方法。这是RAID获得广泛应用的又一重要原因。
4、当RAID由硬盘阵列柜实现时，硬盘阵列柜的价格比起硬盘来往往是较贵的，甚至贵得多。
§3、常用RAID的分类及其特征
1、RAID0，无冗余无校验的磁盘阵列。数据同时分布在各个磁盘驱动器上，没有容错能力，读写速度最快，可靠度最差。数学上称RAID0为串联模型，磁盘数N可以大于2，本文仅给出N=2的数学模型和可靠度。
2、RAID1，镜象磁盘阵列。最基本的并联模型，1/2表决器。
3、RAID 0＋1,实际上是RAID 0和RAID 1的派生，先RAID 0再RAID 1。最基本的串并联模型。
4、RAID1＋0. 也是RAID 1和RAID 0的派生。先RAID 1再RAID 0。最基本的并串联模型。
5、RAID2~4不常用，本文既不介绍也不分析。
6、RAID5，无独立校验盘的奇偶校验磁盘阵列。校验信息分布在各个磁盘驱动器上。RAID5对大小数据量的读写都有很好的性能，能获得较高的可靠度，又能组成较大的容量，在磁盘的数量上有较灵活的选择余地，因而得到广泛应用。RAID5是属于(N-1)/N表决器数学结构。
§4、RAID的可靠性模型
这里所说的模型是指可靠度的模型，它和电路上的串并联不可混为一谈。例如若有两只电容并联，但任何一只失效，都会使系统失效，那么在可靠性计算中则被判为串联。可靠度模型还有非串联并联的模型。
§5、磁盘阵列可靠度的计算
根据平均故障间隔时间(MTBF)，可以推断出单只磁盘的规定时间的无故障可靠度概率。按希捷网站提供的数据，SCSI硬盘的MTBF为100万小时，IDE硬盘的MTBF为40万小时。部分品牌的硬盘未给出MTBF，应该说，希捷的资料具有一定的代表性。按RAID可靠度的数学模型，计算出常见RAID的可靠度，并整理成表，以便对比。从该表不难看出，IDE的RAID1也有极高的可靠度。由于SCSI硬盘比IDE硬盘价格要贵得多，性能也高出不少，为了获得比较合理结论，可选择以下方式比较：规定时间内、相同价格下比可靠度；或规定时间内、相同可靠度下比价格；当然还有其他的比较方式。不难得出以下结论：SCSI硬盘一次性投资较大，相对一劳永逸，RAID的可选形式较多。IDE硬盘一次性投资小，要达到规定可靠度，必须分段投资，总价仍较低，相对麻烦，RAID的可选形式较少。由于计算机硬件发展极其迅速，上述结论只是特点而已，具体如何处理，还得视具体情况而定。
§6、磁盘阵列可靠度表
时间 一年 两年 三年
格式 SCSI硬盘可靠度 (MTBF=100万小时)
单只硬盘 0.991278257 0.982632582 0.974062314
Raid 0 0.982632583 0.965566792 0.948797391
Raid 0+1 0.999698372 0.998814354 0.997378292
Raid 1+0 0.999847868 0.999396836 0.998654925
Raid 1 0.999923931 0.999698372 0.999327236
Raid 5(2/3) 0.99977312 0.999105595 0.998016609
Raid 5(3/4) 0.999548877 0.998231871 0.99610166
Raid 5(4/5) 0.999252494 0.997087139 0.993614621
Raid 5(5/6) 0.998885246 0.995681075 0.990586456
Raid 5(6/7) 0.998448393 0.994023102 0.987046811
格式
IDE硬盘可靠度 (MTBF=40万小时)
单只硬盘 0.978338064 0.957145367 0.936411745
Raid 0 0.957145367 0.916127254 0.876866957
Raid 0+1 0.99816348 0.992965362 0.984838253
Raid 1+0 0.999061741 0.996330333 0.991929417
Raid 1 0.99953076 0.99816348 0.995956533 |
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发表于 2007-10-5 03:39:45