I/O性能与可靠性

I/O调优

磁盘I/O优化

• 性能检测：
  • 压力测试应用程序，观察系统I/O wait指标是否正常，例如有n个CPU，利息情况下I/O wait参数不超过25%，如果超过，就是这个程序的瓶颈就是在IO操作上了可以用iostat命令查看
  • 另外一个指标：IOPS（input/output Per Second）即每秒的输入输出量，是衡量磁盘性能主要指标
  • 每个磁盘的IOPS通常在一个范围内，这和存储的磁盘数据块大小和磁盘范围方式有关系，主要由磁盘的转速决定的，转速越高，IOPS越高。
• 性能提升：现阶段一般采用RAID技术，将不同磁盘组合来提高I/O性能

RAID

• 名词解释：RAID（独立磁盘冗余阵列）技术是将多块普通磁盘组成一个大的磁盘阵列，共同对外提供服务。
• 目的：主要为改善磁盘存储容量，读写速度（IOPS）增强磁盘可用性和容错能力。
  • 解决数据存储容量问题
  • 数据读写速度问题
  • 数据可靠性问题

RAID 0

• RAID 0 模式写：假设服务器有N快磁盘，当前模式是数据从内存缓冲区写入磁盘时，根据磁盘数量将数据等分成N份，这些数据同时并发写入N块磁盘，使数据写入速度是一块磁盘的N倍。
• RAID 0 模式读：读取的时候也一样，可以多块磁盘并发的读，因此RAID 0 有很快的数据读取能力。
• RAID 0 缺点：数据没有做备份，N块磁盘存储一块内存缓冲区的数据，一块磁盘损坏，所有数据都无法使用

RAID 1

• RAID 1 写：将一份数据同时写入两份磁盘，这样任何一块磁盘损坏都不会导致数据丢失，插入一块磁盘可以通过复制数据的方式修复，具有极高的可靠性

RAID 1 0

• 结合RAID 0 和RAID 1 ，将所有磁盘N平均分2份，数据同时写入2份磁盘,，相当于RAID1；然后在平均分成2份，在每一份磁盘（也就是其中的N/2快磁盘）里面，利用RAID 0 技术并发读写
• 优点：既可以提供高性能的读写能力，也同时具备高可靠性
• 缺点：磁盘利用率直接降低到50%，一半用来做数据备份了

RAID 3

• RAID 3 的思路是提高磁盘利用率，将数据分成N-1份，并发写入N-1个磁盘中，并且在第N块磁盘记录校验数据，这样任何一块磁盘损坏（包括校验数据磁盘），都可以利用其它N - 1 块磁盘的数据进行修复
• 缺点：物理你修改那一块磁盘的数据，第N快校验的数据都需要修改，那边第N快磁盘的读写评率是其他N-1块之和，那么这块磁盘更容易损坏，因此实际很少用这种情况

RAID 5

• 与RAID 3 类似，但是校验数据不写入第N快磁盘，而是通过一定的方式将校验数据写入到所有磁盘中，这样校验数据的修改也被平均到所有磁盘，避免RAID 3 这种一块磁盘损坏的情况。

RAID 6

• 当数据可靠性要求很高，再出现同时损坏2块磁盘的时候（概率很低）任然会出现无法通过校验信息修复的情况，只能通过运维数据恢复，这样我们可以使用RAID 6
• RAID 6 与RAID 5类似，但是数据值写入了N - 2块磁盘，并且螺旋式地在两块磁盘中写入校验信息（分别用不同算法），这样校验信息也有备份了，有更高的可靠性
• 

校验数据设计

• 一下冗余磁盘阵列RAID，使用奇偶校验的方式实现冗余，如果一个阵列中一块磁盘出现故障，工作磁盘中的数据块与奇偶校验块一起来重建丢失的数据，如下案例，A1，A2， A3是数据块 Ap表示校验数据块（An与Ap可能在同一个磁盘）
  • 例 A1 = 0000 0111 ，A2 = 0000 0101 ， A3 = 0000 0000，
  • A1 , A2, A3 做异或操作，得到Ap = 0000 0010
  • 此时 A2 出现问题，我们可以通过A1， A3 与Ap 的异或进行重建： A1 XOR A3 XOR Ap = 0000 0101

RAID总结

• 解决问题：

• 数据存储容量问题：RAID用多块磁盘组成存储阵列，例如RAID 5 可以扩大N-1倍

• 数据读写速度：将数据并发写入 N份磁盘，写入速度明显提升，同时读取也是一样，但是并不能提升N倍，因为机械硬盘延迟主要是用来寻址的时间，数据真正读写时间只占一小部分。

• 数据可靠性使用RAID 10，RAID 5， RAID 6，由于数据冗余存储，或者存储校验信息，某一块磁盘损坏，可以通过其他磁盘数据，或者校验数据，将丢失数据还原。

• RAID可以看成是垂直伸缩，一台计算机集成更多磁盘，实现数据更大规模，更安全可靠存储以及更快的范问速度。

• 将RAID思想原理应用到分布式服务器上，吧每一台服务器看成是磁盘中的一个，那么就形成了分布式存储，Hadoop分布式文件系统和HDFS的架构思想。