【IT168 專稿】存儲是目前IT產業發展的一大熱點，而RAID技術是構造高性能、海量存儲的基礎技術，也是構建網絡存儲的基礎技術。專家認為，磁盤陣列的性能優勢得益於磁盤運行的並行性，提高設備運行並行度可以提高磁盤的性能和數據安全性。
20年來，RAID 推出了一系列級別，包括RAID 0、RAID 1、RAID 2、RAID 3、RAID4、RAID 5，以及各種組合如 RAID 0+1 等。其中最廣泛的包括RAID5與RAID10。但是一直以來，關於RAID5與RAID10的性能優劣的爭端還是非常多的，甚至很多人包括很多公司都那拿出了測試數據。而這些測試數據復雜難懂相互矛盾，更加讓用戶感到迷惑，不知道如何選擇。
在這里，我將就這兩種RAID的內部運行原理來分析一下，看看我們在什么情況下應當適合選哪一種RAID方式。根據我的經驗與分析：象小io的數據庫類型操作，如ERP等等應用，建議采用RAID10，而大型文件存儲，數據倉庫，如醫療PACS系統、視頻編輯系統則從空間利用的角度，建議采用RAID5。下面請看詳細的性能對比：
本文分為上下兩篇，上文側重分析兩種RAID的內部運行原理，下文將根據不同的影響磁盤性能的因素來分析，RAID方案對磁盤系統的影響，參考“RAID5和RAID10，哪種RAID更適合你(下) ”
為了方便對比，我這里拿同樣多驅動器的磁盤來做對比，RAID5選擇3D+1P的RAID方案，RAID10選擇2D+2D的Raid方案，分別如圖：
那么，我們分析如下三個過程：讀，連續寫，隨機寫，但是，在介紹這三個過程之前，我需要介紹另外一個磁盤陣列中的重要概念：cache。
磁盤讀寫速度的關鍵之一：Cache
cache技術最近幾年，在磁盤存儲技術上，發展的非常迅速，作為高端存儲，cache已經是整個存儲的核心所在，就是中低端存儲，也有很大的cache存在，包括最簡單的RAID卡，一般都包含有幾十，甚至幾百兆的RAID cache。
cache的主要作用是什么呢？作為緩存，cache的作用具體體現在讀與寫兩個不同的方面：作為寫，一般存儲陣列只要求數據寫到cache就算完成了寫操作，當寫cache的數據積累到一定程度，陣列才把數據刷到磁盤，可以實現批量的寫入。所以，陣列的寫是非常快速的。至於cache數據的保護，一般都依賴於鏡相與電池（或者是UPS）。
cache在讀數據方面的作用一樣不可忽視，因為如果所需要讀取的數據能在cache中命中的話，將大大減少磁盤尋道所需要的時間。因為磁盤從開始尋道到找到數據，一般都在6ms以上，而這個時間，對於那些密集型I/O的應用可能不是太理想。但是，如果能在cache保存的數據中命中，一般響應時間則可以縮短在1ms以內。
不要迷信存儲廠商的IOPS（每秒的io數）數據，他們可能全部在cache命中的基礎上做到的，但是實際上，你的cache命中率可能只有10%。
介紹完cache，我們就可以解釋RAID5與RAID10在不同的模式下，工作效率問題了，那么我們來分別分析讀操作、連續寫和離散寫三方面的問題。
讀操作方面的性能差異
如我上文的介紹，磁盤陣列讀操作的關鍵更多的體現在cache的命中率上。所以，RAID5和RAID10在讀數據上面，他們基本是沒有差別的，除非是讀的數據能影響cache命中率，導致命中率不一樣。
連續寫方面的性能差異
連續寫的過程，一般表示寫入連續的大批量的數據，如媒體數據流，很大的文件等等。連續寫操作大多數產生於醫療PACS系統、高教圖書館系統、視頻編輯系統等等應用環境下。
根據我本人的經驗，在連續寫操作過程，如果有寫cache存在，並且算法沒有問題的話，RAID5比RAID10甚至會更好一些，雖然也許並沒有太大的差別。（這里要假定存儲有一定大小足夠的寫cache，而且計算校驗的cpu不會出現瓶頸）。
因為這個時候的RAID校驗是在cache中完成，如4塊盤的RAID5，可以先在內存中計算好校驗，同時寫入3個數據+1個校驗。而RAID10只能同時寫入2個數據+2個鏡相。
如上圖所示，4塊盤的RAID5可以在同時間寫入1、2、3到cache，並且在cache計算好校驗之后，我這里假定是6（實際的校驗計算並不是這樣的，我這里僅僅是假設），同時把三個數據寫到磁盤。而4塊盤的RAID10不管cache是否存在，寫的時候，都是同時寫2個數據與2個鏡相。
根據我前面對緩存原理的介紹，寫cache是可以緩存寫操作的，等到緩存寫數據積累到一定時期再寫到磁盤。但是，寫到磁盤陣列的過程是遲早也要發生的，所以RAID5與RAID10在連續寫的情況下，從緩存到磁盤的寫操作速度會有較小的區別。不過，如果不是連續性的強連續寫，只要不達到磁盤的寫極限，差別並不是太大。
離散寫方面的性能差異
這里可能會較難理解，但是，這一部分也是最重要的部分。企業中的絕大部分數據庫應用，如ERP系統等等在數據寫入的時候其實都是離散寫。
例如oracle 數據庫每次寫一個數據塊的數據，如8K；由於每次寫入的量不是很大，而且寫入的次數非常頻繁，因此聯機日志看起來會像是連續寫。但是因為不保證能夠添滿RAID5的一個條帶（保證每張盤都能寫入），所以很多時候更加偏向於離散寫入。
我們從上圖看一下離散寫的時候，RAID5與RAID10工作方式有什么不同。如上圖：我們假定要把一個數字2變成數字4，那么對於RAID5，實際發生了4次io：
先讀出2與校驗6，可能發生讀命中
然后在cache中計算新的校驗
寫入新的數字4與新的校驗8
如上圖我們可以看到：對於RAID10，同樣的單個操作，最終RAID10只需要2個io，而RAID5需要4個io。
這里我忽略了RAID5在那兩個讀操作的時候，可能會發生讀命中操作的情況。也就是說，如果需要讀取的數據已經在cache中，可能是不需要4個io的。這也證明了cache對RAID5 的重要性，不僅僅是計算校驗需要，而且對性能的提升尤為重要。我本人曾經測試過，在RAID5的陣列中，如果關閉寫cache，RAID5的性能將差很多倍。
當然，我並不是說cache對RAID10就不重要了，因為寫緩沖，讀命中等，都是提高速度的關鍵所在，不過的是，RAID10對cache的依賴性沒有RAID5那么明顯而已。
到這里，大家應當也大致明白了RAID5與RAID10的原理與差別了，一般來說，象小io的數據庫類型操作，建議采用RAID10，而大型文件存儲，數據倉庫，則從空間利用的角度，可以采用RAID5。
上面主要從磁盤系統的內部運行細節分析了RAID5與RAID10的異同，以及各自適用的范圍。本文將接續上篇，繼續從RAID原理來分析存儲系統的瓶頸。
我們知道，在存儲系統的采購過程中，廠商往往能夠提供漂亮的性能參數，但實際運行中，該系統的實際性能表現並不能達到我們所期望的狀態，那么在運行環境中存儲系統的實際性能究竟受哪些環節和瓶頸的影響呢？
之所以要和大家來討論這個問題，是因為在本人的工作中曾遇到一個實際的Case，在這個case中，一個恢復壓力很大的standby（這里主要是寫，而且是小io的寫），采用了RAID5的方案，發現性能很差，后來改造成了RAID10，就很好的避免了性能的問題。
建議在閱讀本文前，首先閱讀本文上篇“RAID5和RAID10，哪種RAID適合你”，因為性能瓶頸的出現，本身與RAID方式還是有很大關系，同時本文性能討論的基礎，本身建立在上文的一些結論之上。
陣列的瓶頸主要體現在2個方面，帶寬與IOPS（單位時間傳輸的數據量，和單位時間完成的I/O數）。
影響帶寬的主要因素
存儲系統的帶寬主要取決於陣列的構架，光纖通道的大小（我們今天討論的陣列一般都是光纖陣列， SCSI這樣的SSA陣列，暫時不在討論范圍之列）以及硬盤的個數。
所謂陣列構架影響存儲系統帶寬，指的是存儲系統內部架構會存在一些內部帶寬，類似於PC的系統總線，盡管陣列的構架因不同廠商不同型號的產品而各有不同，不過一般情況下，內部帶寬都設計的很充足，不會是瓶頸的所在。
光纖通道對帶寬的影響還是比較大的，例如數據倉庫環境中，對數據的流量要求很大，而一塊2Gb的光纖卡，所能支撐的最大流量應當是2GB/8=250Mb/s的實際流量，必須配備4塊光纖卡才能達到1Gb/s的實際流量，所以對於數據倉庫的環境來說，升級到光纖4Gb並非是廠商過於超前的產品更新，在大流量的數據環境下絕對有必要考慮更換4GB的光纖卡。
但是對於存儲系統的帶寬來說，硬盤接口的帶寬限制是最重要的。當前面的瓶頸不再存在的時候，帶寬就完全取決於硬盤的個數了，我下面列一下不同規格的硬盤所能支撐的流量大小，數據取自硬盤廠商的標准參數：
如果我們假定一個陣列有120塊15K rpm轉速的光纖硬盤，那么硬盤上最大的可以支撐的數據流量為120*13=1560Mb/s，當前端接口不成為瓶頸的時候，1560Mb/s就是理論上的最大數據流量。
而如果要實現上述的最大帶寬，如果前端采用2GB的光纖卡，可能需要配置6塊才能夠，而4GB的光纖卡，配置3-4塊就夠了。因此我們可以知道，前端的光纖接口必須與后端磁盤個數相匹配。
但是否考慮到這些因素就足夠了呢，存儲系統的整體性能還受到多方面因素的影響，下面我們將分析存儲系統的另外一個重要的性能指標：IOPS。
影響IOPS的主要因素
我們前面已經說過了，廠商所提供的IOPS值是在理想狀態下測試出來的，對實際的運行性能的參考並不大，所以我們有必要通過以下幾個方面來衡量該系統的實際IOPS的可能表現。
決定IOPS的主要因素取決於陣列的算法，cache命中率，以及磁盤個數。
陣列的算法也因為不同廠商不同型號的產品而不同，如我們最近遇到在HDS USP上面，可能因為ldev(lun)存在隊列或者資源限制，而單個ldev的IOPS就上不去。所以，決定采購某型號的存儲之前，有必要了解這個存儲的一些算法規則與限制。
cache命中率對實際IOPS有決定性的影響，Cache命中率取決於數據的分布，cache size的大小，數據訪問的規則，以及cache的算法，如果完整的討論下來，這里將變得很復雜，可以有一天來慢慢討論。
我們這里把這些內部原理都省略掉，只強調：對於一個存儲陣列來說，讀cache的命中率越高，一般就表示它可以支持更多的IOPS，為什么這么說呢？這個就與我們下面要討論的硬盤IOPS有關系了。
每個物理硬盤能處理的IOPS是有限制的，如
同樣，如果一個陣列有120塊15K rpm轉速的光纖硬盤，那么，它能支撐的最大IOPS為120*150=18000，這個為硬件限制的理論值，如果超過這個值，硬盤的響應可能會變的非常緩慢而不能正常提供業務。較高的讀cache命中率，能降低硬盤的IOPS負荷，讓硬盤在較小的壓力下良好工作。
不同RAID對IOPS性能的影響
在我們的上一篇文章“RAID5和RAID10，哪種RAID適合你(上)”中曾經討論過，在RAID5與RAID10的不同機制上，讀數據時，IOPS性能其實沒有差別。但是，相同的業務，在寫入數據時，采用不同的RAID機制最終落在磁盤上的IOPS是有差別的，我們評估的正是磁盤的整體IOPS，如果達到了磁盤的限制，性能肯定是上不去了。
那我們假定一個case，業務應用的IOPS是10000，讀cache命中率是30%，讀IOPS為60%，寫IOPS為40%，磁盤個數為120，那么分別計算在RAID5與RAID10的情況下，每個磁盤的IOPS為多少。
RAID5:
1. 單塊盤的IOPS = (10000*(1-0.3)*0.6 + 4 * (10000*0.4))/120
2. = (4200 + 16000)/120
3. = 168
這里的10000*(1-0.3)*0.6表示是讀的IOPS，比例是0.6，除掉cache命中，實際只有4200個讀IOPS。
而4 * (10000*0.4) 表示寫的IOPS，因為每一個寫，在RAID5中，實際發生了4個io，所以寫的IOPS為16000個。
為了考慮RAID5在寫操作的時候，那2個讀操作也可能發生命中，所以更精確的計算應該為：
1. 單塊盤的IOPS = (10000*(1-0.3)*0.6 + 2 * (10000*0.4)*(1-0.3) + 2 * (10000*0.4))/120
2. = (4200 + 5600 + 8000)/120
3. = 148
這樣我們計算出來單個盤的IOPS為148個，基本達到磁盤IOPS極限，在這種情況下，磁盤的工作狀態是非常不理想的。
RAID10對IOPS性能的影響
1. 單塊盤的IOPS = (10000*(1-0.3)*0.6 + 2 * (10000*0.4))/120
2. = (4200 + 8000)/120
3. = 102
可以看到，因為RAID10對於一個寫操作，只發生2次io，所以，同樣的壓力，同樣的磁盤，每個盤的IOPS只有102個，還遠遠低於磁盤的極限IOPS。
這里回到我們先前討論的case上來，在我們先前采用RAID5的時候，通過分析，每個磁盤的IOPS在高峰時期，快達到200了，導致響應速度巨慢無比。改造成RAID10，每個磁盤的IOPS降到100左右，很好的避免了這個性能問題。
因此，綜合本文的上篇“RAID5和RAID10，哪種RAID適合你”，我們可以得出結論：
影響讀數據的關鍵因素是cache命中率，在讀數據的情況下，RAID5與RAID10性能本身沒有太大差別。但是對於寫數據的一些應用，尤其是小I/O頻繁寫入的一些應用，如企業ERP生產系統等等，RAID10相比RAID5可能產生較大的性能差異。而大型文件存儲，數據倉庫，如醫療PACS系統、視頻編輯系統則從空間利用的角度，建議采用RAID5。
轉自 http://storage.it168.com/h/2007-06-28/200706281204046_3.shtml