MacroSAN CRAID3.0 技术白皮书
杭州宏杉科技股份有限公司
1.概述
RAID（Redundant Array of Independent Disks，独立磁盘冗余阵列）技术于1988年美国加州大学伯克利分校的D.A.Patterson 教授等首次在论文“A Case of Redundant Array of Inexpensive Disks”中提出，其基本原理是由多个独立的高性能硬盘驱动器组成的硬盘系统，从而提供比单个硬盘更高的存储性能和数据冗余的技术。

作为一种成熟、可靠的硬盘系统数据保护标准，RAID技术自诞生以来一直作为存储系统的基础技术而存在，但是近年整个社会信息化水平不断提高，数据呈现出爆炸式增长趋势，数据取代计算成为信息计算的中心。

这促使人们对数据愈加重视，不断追求海量存储容量、高性能、高安全性、高可用性、可扩展性、可管理性等等，因此传统RAID 逐渐暴露出越来越多的问题。

为了满足数据增长的需求，硬盘设备制造商不断地提升技术来增加硬盘单位存储密度，如今，高容量硬盘企业和消费市场已经非常普遍。

那么当这些高容量硬盘出现硬盘故障而需要进行数据重构时，传统RAID会有哪些缺点？
硬盘故障导致数据丢失时，RAID组通过异或算法，通过校验数据和其他数据盘数据得到丢失的数据的过程为数据重构。

在这里以7.2K RPM 4TB硬盘为例，在传统的RAID5（8D+1P）中，其重构时间在40个小时左右（无流量压力情况下）。

重构的进程会占用系统的资源，导致应用系统整体性能下降，而当用户为了保证应用的及时响应来降低重构的优先级时，重构的时间还将进一步延长。

此外，在漫长的数据重构过程中，繁重的读写操作可能引起RAID组中其他硬盘也出现故障或错误，导致故障概率大幅提升，极大地增加数据丢失的风险。

另一方面，传统RAID受限于硬盘数量，在数据容量剧增的年代无法满足企业对资源统一灵活调配的需求，同时数据重构时影响数据的读写性能，那么怎么来提供数据的读写性能呢？
针对传统RAID的以上问题，宏杉科技提出了全新的CRAID技术。

2.技术实现
CRAID技术是宏杉科技针对传统RAID的缺陷，在传统RAID技术之上的革新。

CRAID1.0技术提升了故障硬盘的重建效率，CRAID2.0技术允许RAID组中任意坏三块盘，数据不丢失，而CRAID3.0技术则提升了数据读写性能和缩短重建时间。

CRAID1.0技术，主要是将组建好的RAID组分割为数千甚至上万个小单元进行精细化管理（即Cell），提升了故障硬盘的重建效率，提高了系统可靠性。

在此基础上，宏杉科技又推出了CRAID2.0技术，采用全新的RAID算法和三重校验机制，可以在一个RAID组中任意坏三块盘的情况下保证数据的不丢失，业务不中断。

2015年，宏杉科技又独具匠心在CRAID1.0和CRAID2.0的基础上，推出了最新的RAID 概念——CRAID3.0技术。

将CRAID1.0和CRAID2.0一层虚拟化管理的模式变为两层虚拟化管理模式，在具备前二种CRAID技术优势的前提下，以数据块为单元管理数据，提升数据读写性能并缩短重建时间。

宏杉科技CRAID3.0技术采用底层硬盘管理和上层资源管理两层虚拟化进行管理的模式，每个硬盘空间被划分成一个个小粒度的数据块，在这些数据块的基础上来构建RAID组，使得数据均匀地分布到存储池的所有硬盘上，同时，以数据块为单元来进行资源管理，大大提高了资源管理的效率。

硬盘域：在硬盘域中硬盘可以选择SSD、SAS和SATA中的一种，在存储中可以创建多个硬盘域，每个硬盘域最多64块硬盘，不同的硬盘域之间实现数据的隔离，如果超过了64块磁盘，比如128块磁盘，就需要组建两个硬盘域。

硬盘域中的硬盘空间会被划分成若干大小的数据块（Chunk，也叫DC），从而实现底层块级虚拟化，每个DC大小为64MB或者更小，DC是硬盘损坏时重建和替换单元。

存储池：在硬盘域中可以创建多个存储池，存储池由硬盘域中的多个DC组成，DC 来自不同的硬盘。

各个存储池由来自相同类型硬盘的DC组成。

DCG：在存储池中，相同类型的DC按照RAID策略组合成DCG，根据需求DCG支持RAID 0、
1、3、5、6等RAID级别，但是必须是相同的RAID建立一个存储池。

DC和DCG均属系
统内部概念，对外不可见。

Cell：DCG按固定大小划分或者由多个 DCG组合成存储单元Cell，每个Cell的大小为：1GB或者更小，Cell是构成LUN的基本单位。

热备空间：不同于传统RAID以空闲的硬盘作为热备，CRAID3.0是预留一定的DC进行热备，预留的DC叫做热备空间。

预留空间系统会有一默认值，可根据实际情况进行相应的调整。

当磁盘出现故障重构启动后，系统会在存储池内有效硬盘中均匀选取热备空间，在存储池内有效硬盘间达到对重构的负载均衡。

CRAID 3.0的实现框架如下图所示：
存储系统层由同一类型硬盘组成，不同层级支持不同类型的硬盘：构成高性能层的SSD硬盘，构成性能层的SAS硬盘和构成容量层的SATA硬盘。

各存储层的硬盘被划分为如64MB等大小的DC。

每一个硬盘域的DC按照用户设置的“RAID策略”，可以是RAID0、1、10、5、6等形式来组成DCG，用户可以为存储池（Storage Pool）中的每一个存储层分别设置“RAID 策略”。

存储系统会将DCG组合或划分成Cell。

Cell作为数据迁移的最小粒度和构成LUN的基本单位，大小如1GB等。

若干Cell组成对外体现为主机访问的LUN。

在处理用户的读写请求以及进行数据迁移时，LUN向存储系统申请空间、释放空间、迁移数据都是以Cell为单位进行的。

3.用户价值
相比传统RAID技术，CRAID技术在数据安全、系统性能和空间利用率方面都有了明显提高，主要体现如下几方面：
允许任意三块盘故障：CRAID技术不拘泥于传统，采用全新的算法和三重数据校验机制，提供更高的数据安全机制，允许在同一个硬盘组中任意三块硬盘同时发生完全物理故障，数据不丢失，业务不中断。

在更换三块新硬盘后，支持并行重建。

性能负载分摊：CRAID技术采用独创的盘间耦合算法将数据块进行分散布局，前端主机上的逻辑卷来自于硬盘组中所有硬盘，数据的IO读写压力在硬盘组中实现了所有硬盘均衡分摊，不存在硬盘热点，大幅提升IO读写性能。

空间利用率高：传统的RAID5/6技术仅含1/2块校验盘。

RAID1/10技术通过镜像原理，可允许RAID组中一半硬盘发生故障，数据不丢失，但硬盘空间利用率只有50%。

CRAID 技术采用N+1/2/3模式，用户可自由指定校验盘的数量，在提升了数据安全的同时，也提高了硬盘空间利用率。

快速重建：针对小块数据的损坏，直接利用资源池中预留的空白DC进行快速重建，瞬间完成DC的替换，保障数据不丢失。

同时，基于分散数据块技术，当硬盘组中一块硬盘发生故障，硬盘组中所有硬盘参与并发重建，重建数据流的写带宽不再是性能瓶颈，重建速度进一步提升。

局部重建：不采用热备盘顶替，只对原盘发生变化的部分进行重建。

这适用于硬盘未损坏，但发生过闪断或人为误操作造成的短暂硬盘失效。

比如硬盘在短时间内被拔出又插回，可只重建硬盘不在位时所变化的数据，重建时间短。

这种方式，相比于传统RAID 机制，极大降低RAID组性能受影响程度。

优化重建：仅重建被LUN使用的Cell，未使用的Cell不重建。

重建调度时，优先重建存在介质错误的Cell，然后再使用拷贝的方式重建其他Cell，以尽可能的避免该Cell所处的其它硬盘发生故障导致的Cell损坏。

支持多重重建，可同时重建多个故障硬盘，提高重建总体效率。

自愈性：由于热备容量存在，当磁盘出现部分损害，不需要立即换盘，系统可以快速重建，实现自愈。