RAID5和RAID10，哪一種RAID更適合你

【IT168 專稿】2007-06-12

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。專家認爲，磁盤陣列的性能優點得益於磁盤運行的並行性，提升設備運行並行度能夠提升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 一、RAID 二、RAID 三、RAID四、RAID 5，以及各類組合如 RAID 0+1 等。其中最普遍的包括RAID5與RAID10。可是一直以來，關於RAID5與RAID10的性能優劣的爭端仍是很是多的，甚至不少人包括不少公司都那拿出了測試數據。而這些測試數據複雜難懂相互矛盾，更加讓用戶感到迷惑，不知道如何選擇。

   在這裏，我將就這兩種RAID的內部運行原理來分析一下，看看咱們在什麼狀況下應當適合選哪種RAID方式。根據個人經驗與分析：象小io的數據庫類型操做，如ERP等等應用，建議採用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，建議採用RAID5。下面請看詳細的性能對比：

   本文分爲上下兩篇，上文側重分析兩種RAID的內部運行原理，下文將根據不一樣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，哪一種RAID更適合你(下) 」

   爲了方便對比，我這裏拿一樣多驅動器的磁盤來作對比，RAID5選擇3D+1P的RAID方案，RAID10選擇2D+2D的Raid方案，分別如圖：

   那麼，咱們分析以下三個過程：讀，連續寫，隨機寫，可是，在介紹這三個過程以前，我須要介紹另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，發展的很是迅速，做爲高端存儲，cache已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，通常都包含有幾十，甚至幾百兆的RAID cache。

   cache的主要做用是什麼呢？做爲緩存，cache的做用具體體如今讀與寫兩個不一樣的方面：做爲寫，通常存儲陣列只要求數據寫到cache就算完成了寫操做，當寫cache的數據積累到必定程度，陣列才把數據刷到磁盤，能夠實現批量的寫入。因此，陣列的寫是很是快速的。至於cache數據的保護，通常都依賴於鏡相與電池（或者是UPS）。

   cache在讀數據方面的做用同樣不可忽視，由於若是所須要讀取的數據能在cache中命中的話，將大大減小磁盤尋道所須要的時間。由於磁盤從開始尋道到找到數據，通常都在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。可是，若是能在cache保存的數據中命中，通常響應時間則能夠縮短在1ms之內。

不要迷信存儲廠商的IOPS（每秒的io數）數據，他們可能所有在cache命中的基礎上作到的，可是實際上，你的cache命中率可能只有10%。

   介紹完cache，咱們就能夠解釋RAID5與RAID10在不一樣的模式下，工做效率問題了，那麼咱們來分別分析讀操做、連續寫和離散寫三方面的問題

讀操做方面的性能差別
   如我上文的介紹，磁盤陣列讀操做的關鍵更多的體如今cache的命中率上。因此，RAID5和RAID10在讀數據上面，他們基本是沒有差異的，除非是讀的數據能影響cache命中率，致使命中率不同。

連續寫方面的性能差別
   連續寫的過程，通常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。連續寫操做大多數產生於醫療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，在連續寫操做過程，若是有寫cache存在，而且算法沒有問題的話，RAID5比RAID10甚至會更好一些，雖然也許並無太大的差異。（這裏要假定存儲有必定大小足夠的寫cache，並且計算校驗的cpu不會出現瓶頸）。

   由於這個時候的RAID校驗是在cache中完成，如4塊盤的RAID5，能夠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能夠在同時間寫入一、二、3到cache，而且在cache計算好校驗以後，我這裏假定是6（實際的校驗計算並非這樣的，我這裏僅僅是假設），同時把三個數據寫到磁盤。而4塊盤的RAID10無論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是能夠緩存寫操做的，等到緩存寫數據積累到必定時期再寫到磁盤。可是，寫到磁盤陣列的過程是早晚也要發生的，因此RAID5與RAID10在連續寫的狀況下，從緩存到磁盤的寫操做速度會有較小的區別。不過，若是不是連續性的強連續寫，只要不達到磁盤的寫極限，差異並非太大。

離散寫方面的性能差別
   這裏可能會較難理解，可是，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；因爲每次寫入的量不是很大，並且寫入的次數很是頻繁，所以聯機日誌看起來會像是連續寫。可是由於不保證可以添滿RAID5的一個條帶（保證每張盤都能寫入），因此不少時候更加偏向於離散寫入。

   咱們從上圖看一下離散寫的時候，RAID5與RAID10工做方式有什麼不一樣。如上圖：咱們假定要把一個數字2變成數字4，那麼對於RAID5，實際發生了4次io：
   先讀出2與校驗6，可能發生讀命中
   而後在cache中計算新的校驗
   寫入新的數字4與新的校驗8

   如上圖咱們能夠看到：對於RAID10，一樣的單個操做，最終RAID10只須要2個io，而RAID5須要4個io。

   這裏我忽略了RAID5在那兩個讀操做的時候，可能會發生讀命中操做的狀況。也就是說，若是須要讀取的數據已經在cache中，多是不須要4個io的。這也證實了cache對RAID5 的重要性，不只僅是計算校驗須要，並且對性能的提高尤其重要。我本人曾經測試過，在RAID5的陣列中，若是關閉寫cache，RAID5的性能將差不少倍。

   固然，我並非說cache對RAID10就不重要了，由於寫緩衝，讀命中等，都是提升速度的關鍵所在，不過的是，RAID10對cache的依賴性沒有RAID5那麼明顯而已。

   到這裏，你們應當也大體明白了RAID5與RAID10的原理與差異了，通常來講，象小io的數據庫類型操做，建議採用RAID10，而大型文件存儲，數據倉庫，則從空間利用的角度，能夠採用RAID5。

   在本文下篇，咱們將進一步分析影響磁盤性能的不一樣因素，並分析不一樣的RAID方案對磁盤系統的影響，清參考「RAID5和RAID10，哪一種RAID更適合你(下) 」

陣列的瓶頸主要體如今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（咱們今天討論的陣列通常都是光纖陣列， SCSI這樣的SSA陣列，暫時不在討論範圍之列）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，相似於PC的系統總線，儘管陣列的構架因不一樣廠商不一樣型號的產品而各有不一樣，不過通常狀況下，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仍是比較大的，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，因此對於數據倉庫的環境來講，升級到光纖4Gb並不是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。

   可是對於存儲系統的帶寬來講，硬盤接口的帶寬限制是最重要的。當前面的瓶頸再也不存在的時候，帶寬就徹底取決於硬盤的個數了，我下面列一下不一樣規格的硬盤所能支撐的流量大小，數據取自硬盤廠商的標準參數：

   若是咱們假定一個陣列有120塊15K rpm轉速的光纖硬盤，那麼硬盤上最大的能夠支撐的數據流量爲120*13=1560Mb/s，當前端接口不成爲瓶頸的時候，1560Mb/s就是理論上的最×××量。

   而若是要實現上述的最大帶寬，若是前端採用2GB的光纖卡，可能須要配置6塊纔可以，而4GB的光纖卡，配置3-4塊就夠了。所以咱們能夠知道，前端的光纖接口必須與後端磁盤個數相匹配。

   可是否考慮到這些因素就足夠了呢，存儲系統的總體性能還受到多方面因素的影響，下面咱們將分析存儲系統的另一個重要的性能指標：IOPS。

影響IOPS的主要因素

   咱們前面已經說過了，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，因此咱們有必要經過如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。

   陣列的算法也由於不一樣廠商不一樣型號的產品而不一樣，如咱們最近遇到在HDS USP上面，可能由於ldev(lun)存在隊列或者資源限制，而單個ldev的IOPS就上不去。因此，決定採購某型號的存儲以前，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佈，cache size的大小，數據訪問的規則，以及cache的算法，若是完整的討論下來，這裏將變得很複雜，能夠有一天來慢慢討論。

   咱們這裏把這些內部原理都省略掉，只強調：對於一個存儲陣列來講，讀cache的命中率越高，通常就表示它能夠支持更多的IOPS，爲何這麼說呢？這個就與咱們下面要討論的硬盤IOPS有關係了。

   每一個物理硬盤能處理的IOPS是有限制的，如

   一樣，若是一個陣列有120塊15K rpm轉速的光纖硬盤，那麼，它能支撐的最大IOPS爲120*150=18000，這個爲硬件限制的理論值，若是超過這個值，硬盤的響應可能會變的很是緩慢而不能正常提供業務。較高的讀cache命中率，能下降硬盤的IOPS負荷，讓硬盤在較小的壓力下良好工做。

在咱們的上一篇文章「RAID5和RAID10，哪一種RAID適合你(上)」中曾經討論過，在RAID5與RAID10的不一樣機制上，讀數據時，IOPS性能其實沒有差異。可是，相同的業務，在寫入數據時，採用不一樣的RAID機制最終落在磁盤上的IOPS是有差異的，咱們評估的正是磁盤的總體IOPS，若是達到了磁盤的限制，性能確定是上不去了。

   那咱們假定一個case，業務應用的IOPS是10000，讀cache命中率是30%，讀IOPS爲60%，寫IOPS爲40%，磁盤個數爲120，那麼分別計算在RAID5與RAID10的狀況下，每一個磁盤的IOPS爲多少。

   RAID5:
   1. 單塊盤的IOPS = (10000*(1-0.3)*0.6 + 4 * (10000*0.4))/120
   2.              = (4200 + 16000)/120
   3.              = 168

   這裏的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，由於每個寫，在RAID5中，實際發生了4個io，因此寫的IOPS爲16000個。

   爲了考慮RAID5在寫操做的時候，那2個讀操做也可能發生命中，因此更精確的計算應該爲：
   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

   這樣咱們計算出來單個盤的IOPS爲148個，基本達到磁盤IOPS極限，在這種狀況下，磁盤的工做狀態是很是不理想的。

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

   能夠看到，由於RAID10對於一個寫操做，只發生2次io，因此，一樣的壓力，一樣的磁盤，每一個盤的IOPS只有102個，還遠遠低於磁盤的極限IOPS。

   這裏回到咱們先前討論的case上來，在咱們先前採用RAID5的時候，經過分析，每一個磁盤的IOPS在高峯時期，快達到200了，致使響應速度巨慢無比。改形成RAID10，每一個磁盤的IOPS降到100左右，很好的避免了這個性能問題。

   所以，綜合本文的上篇「RAID5和RAID10，哪一種RAID適合你」，咱們能夠得出結論：

影響讀數據的關鍵因素是cache命中率，在讀數據的狀況下，RAID5與RAID10性能自己沒有太大差異。可是對於寫數據的一些應用，尤爲是小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別。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，建議採用RAID5。