分布式存储的技术趋势（二）：双重RAID机制

在前文中我们探讨了分布式存储的基本原理，分析了三副本分布式存储的潜在隐患：

• 性能问题：三副本分布式存储受到IO分布不均匀和木桶效应的影响，导致大延迟和响应迟钝的现象；
• 稳定性问题：频繁的数据重建会导致用户业务受到影响、甚至业务中断；
• 数据丢失风险：尤其是，当硬件老化，或出现大规模掉电或节点意外宕机时，可能会导致多个机械硬盘同时出现损坏，危及三副本分布式存储的数据安全。

为了解决三副本分布式存储面临的性能问题、稳定性及可靠性等缺陷，道熵的铁力士分布式存储采用双重RAID保护机制，除了继承网络RAID（节点间副本、跨节点纠删码）和一致性哈希随机分布数据的特点，铁力士将磁盘阵列特有的节点内RAID技术和存储虚拟化（池化）管理技术, 即Storage Virtualization Manager (SVM)，与分布式技术相结合，如图2所示。

图 2  OneStack分布式存储双重Raid机制

网络Raid技术

在铁力士分布式存储中，每个数据块按照一致性哈希算法，随机选择两个不同存储节点来保存数据的两个副本，保证当任何一个节点宕机时，仍有一个数据副本保证读写操作，确保业务高可用和数据安全。

节点内Raid技术

在铁力士分布式存储的每个节点内，通过SVM存储虚拟化技术实现节点内的RAID数据保护，RAID级别选择可以是镜像，也可以是存储效率更高的RAID5或6。节点内RAID保护可抵御单个或多个硬盘损坏，故障修复限制在节点内部，无需触发网络数据重建，有效地避免了网络重建风暴。

节点内RAID结合网络Raid（跨节点的副本/EC码）技术，铁力士实现了双重RAID数据保护。在三副本架构中，一旦同时出现三块磁盘故障或受损，数据就可能丢失；而在双重RAID架构中，即使每个节点同时出现一块磁盘故障，数据仍然无忧，业务仍然持续。考虑到分布式存储可能包含数十个甚至上百个存储节点，双重RAID的数据可靠性明显超过三副本架构。

存储虚拟化技术

铁力士在每个存储节点运行在存储虚拟化管理软件（SVM）上，把该节点的存储资源整合为一个统一管理的存储池，为分布式系统提供vOSD资源。SVM采用宽条带机制（见图3），将每个vOSD的工作负载均匀分布在节点的每个磁盘上，大幅提高了单个vOSD的IOPS能力，可有效抵御三副本分布式存储中的IO分布不均匀现象。

图 3  节点内Raid条带机制

SVM存储池由节点内多个RAID小组构成，通过虚拟卷为上层分布式系统提供vOSD存储服务。每个vOSD对应于三副本中由物理HDD承载的OSD。由分布式一致性哈希算法分配来的数据块，将写入SVM存储池中、由虚拟卷支撑的vOSD，而非直接写入物理硬盘。SVM 利用宽条带技术，将vOSD的工作负载均匀分布在各个物理磁盘上：每个大小为4MB的vOSD 对象数据块，被分割为32KB的数据块，依次被安排在RAID组的逻辑地址空间中；SVM 对各个RAID小组的逻辑地址空间采取顺序写优化策略：首次写按各个小组的逻辑地址分配地址空间，按顺序写入数据；后续重写，则优先填满空闲地址空间，尽可能实现硬盘顺序寻址，最大限度降低机械硬盘较慢的寻址操作次数，利用机械硬盘顺序写较快的特点来提升IO性能。

二级DRAM+Flash 缓存加速

  磁盘阵列中常见的性能加速手段是共享缓存加速，中高端磁盘阵列与低端磁盘阵列的在性能方面的一个重大区别，除了控制器个数，就是缓存加速的能力。典型的中高端磁盘阵列能支持的共享缓存加速在512GB到1TB上下。铁力士借鉴了磁盘阵列的设计，通过SVM虚拟化实现DRAM与Flash相结合的二级缓存加速：通过自适应算法，自动识别动态或静态热数据（高频率读写或最近读写数据），将最热的数据保存在延迟最小的DRAM中，而将次热的数据保存在更大容量、基于Flash的固态硬盘上；并由于分布式技术的加持，形成一个容量巨大的分布式二级缓存系统。与中高端磁盘阵列相比较，铁力士分布式存储系统支持数10TB、甚至100TB以上的分布式缓存，相当于其10倍、甚至100倍的缓存容量。

数据完整性校验与数据自修复

SVM存储虚拟化管理借鉴了WAFL（NetApp） 、Btrfs（SuSE）、ZFS（Oracle）、Storage Spaces（微软）等文件系统的先进经验，对底层存储的每个数据块增加一个256比特的校验码，并单独保存在一对固态硬盘镜像中，用于快速实现在线数据完整性校验。一旦校验码检查到数据受损，通过节点内RAID功能实现数据自修复。该功能可快速定位硬件故障，并实现硬件故障自动隔离。

关于双重RAID更多信息，请关注分布式存储的技术趋势（三）：双重Raid与三副本对比。