DoSTOR技术大讲堂：RAID-6原理解析连载(一)

    有关各种RAID技术的讨论一直在各个厂商以及用户之间争执不休，好象做存储的，张口闭口都会说自家的RAID技术实现起来多么多么好，别家的技术有多大多大的缺陷，但有多少人真正了解RAID技术的实质呢？好在有DoSTOR这个大平台，可以帮助大家解惑，本次我们就请来DoSTOR特约技术专家董唯元先生，深入浅出的告诉各位，RAID-6是什么。

    既然是讲原理，那些“为什么需要RAID6”、“RAID6的优势”等内容就都省去了。直接进入枯燥无趣的理论。
  
    一、RAID5和XOR运算
  
    为了照顾初学者，还是先把相关基本概念介绍一下，老手可以跳过这部分直接看下面。（别低头！是看本帖下面，想些什么呐～）

    XOR运算是数理逻辑的基本运算之一，在课本上的符号是一个圆圈里面一个加号。实在懒得用插入符号功能，大家就凑合着看吧。

    两个数字之间的XOR运算定义是：

• 1 XOR 1 = 0


• 1 XOR 0 = 1


• 0 XOR 1 = 1


• 0 XOR 0 = 0

    （忽然想起试行新车牌的时候，有些深圳人用三位二进制数标记性别。010是男的，101是女的。Sorry，扯远了。）

    多个数字XOR的时候，有两个特点：

• A）结果与运算顺序无关。也就是 (a XOR b) XOR c = a XOR (b XOR c)。


• B）各个参与运算的数字与结果循环对称。如果 a XOR b XOR c = d，那么a = b XOR c XOR d；b = a XOR c XOR d；c = a XOR b XOR d。

    磁盘阵列中的RAID5之所以能够容错，就是利用了XOR运算的这些特点。上面例子中的a、b、c、d就可以看作是四颗磁盘上的数据，其中三个是应用数据，剩下一个是校验。碰到故障的时候，甭管哪个找不到了，都可以用剩下的三个数字XOR一下算出来。

    在实际应用中，阵列控制器一般要先把磁盘分成很多条带（英文叫Stripe，注意不是Stripper），然后再对每组条带做XOR。
  
    见下面第一个图：

• P1 = 数据a XOR 数据b XOR 数据c


• P2 = 数据d XOR 数据e XOR 数据f


• P3 = 数据g XOR 数据h XOR 数据i


• P4 = 数据j XOR 数据k XOR 数据l

    扫盲部分就讲这么多，再不懂就google吧，满山遍野都是RAID5算法的介绍。
  
    二、RAID6和Reed-Solomon编码

    本来想写成“李德-所罗门编码”，但那样就不方便大家一边看帖子一边google了。Reed-Solomon编码是通讯领域中经常碰到的一个算法，已经有15年以上的历史了。（靠！讲存储嘛，跟通讯有个鸟关系？）

    其实很多校验算法都是通讯领域最先研究出来，然后才应用到其他领域的。前面说到的XOR算法对一组数据只能产生一个校验，搞通讯的工程师们觉得不够可靠，于是就研究出很多能对一组数据产生多个校验的算法。Reed-Solomon编码是其中应用最广泛的一个，咱们以前经常用的ADSL、xDSL、高速Modem都有采用。后来手机、卫星电视、数字电视、CD唱片、DVD、条码系统、还有……（有完没完！说存储呢！）连高级点儿的服务器内存也用这个算法做校验和纠错。（总算跟存储沾上点儿边～）

    现在存储的工程师也觉得RAID5中只能容忍一颗磁盘离线不够理想，需要一种容忍多颗磁盘离线的技术，自然就会想到Reed-Solomon编码啦。把这种算法应用到存储中，就可以让N颗磁盘的空间装应用数据，M颗磁盘的空间装校验码（对一组N个数据生成M个校验，但实际上校验码是分散在所有磁盘上的），这样只要离线的磁盘不大于M颗，数据就不会丢失。

    Reed-Solomon编码理论中有一个公式：

    N + M + 1 = 2的b次方（在电脑里写公式真是麻烦！）

    其中b是校验字的位数。（校验字是生成校验过程需要用的一个东东，不是最后的校验码。）举例来说，如果用8位的字节做校验字，那么M + N = 255，而RAID6是特指M = 2，这样N = 253。

    就是说，用8位字节做校验字的话，理论上一个RAID6的磁盘组可以容下253颗磁盘。

    当然啦，实际应用中，太多的磁盘一起做运算会严重影响性能，所以阵列控制器和芯片的设计者都会把磁盘组的容量限制在16颗左右。（做了这么多无聊算术题，还是没提RAID6到底是啥！）喂！喂！别走啊，很快就讲到RAID6的实现啦。

    卖了这么多关子，实在是因为RAID6这个概念所指的意义太混乱。从功能上讲，能实现两颗磁盘掉线容错的，都叫RAID6。（至少我认识的销售们都这么认为。）但是实行这一功能的方式却有很多很多。（沉默3分钟）

    真的很多！哎哟！别打啊～

    Intel的P+Q RAID6，NetApp的RAID-DP，HP的RAID5-DP，还要很多实验室中的原型机都能实行这个功能。但是由于机制不同，各种所谓的RAID6，其性能表现、磁盘负载分布、错误恢复方式都完全不同。

    你让我从哪说起好哩？
  
    三、基于P+Q的RAID6
  
    在Intel的80333IOP芯片中，有一个新的引擎叫P+Q单元，是专门用来处理RAID6加速的。详情请查阅Intel官方网站……（鸡蛋、西红柿、拖鞋。咦！这是谁的臭袜子？）

    对比RAID5的机制，Intel的P+Q RAID6是这样写磁盘的：
  
    见下面第二个图：

    这里每个条带中的P，跟RAID5里面的P意义完全一样，就是同一条带中除Q以外其它数据的XOR运算结果。而Q呢，就是理解这个技术的关键所在了。

    咳～咳～听好了。

    Q是同一条带中各数据的女朋友们进行XOR运算的结果。别翻白眼啊，书上就是这么写的啊！哦，还是英文的，我翻译给你听。

    “把条带中每个数据分别GF一下，然后这些结果再XOR，就得到Q。”（大哥，你到底懂不懂啊！GF是Galois Field的缩写，是法国著名数学奇才伽罗瓦发明的一种数学变换。）

    哦，想起来了。伽罗瓦嘛，发明群论的那个。生于法国大革命前，二十出头就英年早逝，还是为了个姑娘跟人决斗被打死的。最著名的成果就是给3次以上方程判了死刑。是我人生第二偶像啊……（唐僧！）

    这个GF变换呢，就是这个淘气的伽同学当年为了逃避老师点名，而发明的一种教室换座位方法。按照这种方法，每个人都不会坐在自己的座位上，而且每个人都肯定会有座位。而且任意个同学的座位号进行XOR运算之后，仍然跑不出这个教室里的座位号。（这个伽同学好像很无聊噢！没办法，人家聪明嘛！）

    扯太远啦！回到正题。

    在Intel 80333IOP中存着两个表格，分别对应GF正向变换和反向变换。任何一个8位二进制数，都可以直接在表格中查到对应的GF变换结果。（我还是想把这个结果说成是源数据的女朋友～）

    这两个表格分别在Intel 80333IOP研发手册的第445页和446页，不过我估计大部分人会懒得去看。也是，看了又能怎么样呢？反正Intel已经把那玩意固化到芯片里了。（哇！都半夜2点了，说完P+Q RAID6的恢复，我要先zZZ……了。）

    如果一颗磁盘掉线，根本不需要Q用P直接就搞定了，跟RAID5一样。

    如果两颗磁盘掉线，又分做两种情况：

• A）坏的地方有Q。这种情况跟RAID5坏一颗磁盘一样，用XOR就恢复了。


• B）坏的地方没有Q。用GF变换加XOR一起搞定。

    结合上面表格的例子，如果磁盘5和磁盘6掉线。那条带1和条带2就属于情况A；而条带3、4、5和6属于情况B。

待续

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