RAID 容量計算工具

計算把多台磁碟當作一台使用的 RAID 可用的容量,以及磁碟故障時的承受能力。切換 RAID 等級,即可比較容量效率與可靠度之間的取捨,也能以圖示確認資料與同位元放在哪台磁碟上。

磁碟組態

結果

有效容量
–
容量效率(有效容量 ÷ 總容量)
–
可承受的故障台數
–
一年內遺失資料的機率(參考)
–

D 為資料,M 為鏡像(相同資料的副本),P 與 Q 為同位元。RAID 5、6 會依條帶輪流改變放置同位元的磁碟(圖中顯示 4 個條帶,最多顯示 12 台)。

各等級的比較

遺失資料的機率,是假設各磁碟在一年內獨立故障、且故障磁碟不更換也不重建的悲觀簡易模型的參考值。實際上會立即更換故障磁碟並重建,因此機率小得多,但在重建期間仍有另一台故障或出現無法讀取磁區(URE)而失敗的風險。RAID 無法取代備份。

什麼是 RAID

RAID(Redundant Arrays of Inexpensive / Independent Disks)是組合多台磁碟,當作一台磁碟使用的技術。把資料分散寫到多台磁碟(條帶化)可以提高速度;把相同資料或可用於復原的資訊(同位元)放在其他磁碟(冗餘化),則能在磁碟故障時不遺失資料。不同等級在可用容量、速度與可靠度之間的平衡各不相同。

RAID 0、1、10

RAID 0 只是把資料分散寫到所有磁碟,容量可全部使用且速度快,但只要有一台故障就會遺失所有資料。RAID 1 把相同資料寫到多台磁碟(鏡像),只能使用一台的容量,但只要還剩一台,資料就安全。RAID 10 先兩台兩台組成鏡像,再在其上做條帶化,容量減半,但兼顧速度與可靠度。只要同一組鏡像的兩台沒有同時故障,即使多台故障也能承受。

RAID 5、6 與同位元

RAID 5 在寫入資料的同時寫入同位元(例如資料的 XOR),並以一台的容量存放同位元。無論哪一台故障,都能由其餘磁碟的資料與同位元計算出故障磁碟的內容。同位元的位置會在各磁碟間輪替,避免寫入集中在特定磁碟。RAID 6 有兩種同位元,雖然用掉兩台的容量,但能承受兩台同時故障。6 台(每台 4 TB)時,RAID 5 的有效容量為 20 TB,RAID 6 為 16 TB。

重建與備份

磁碟故障時,要更換新磁碟,再從其他磁碟重新建立內容(重建)。大容量磁碟的重建可能需要數小時到數天,在此期間若另一台故障或發現無法讀取的部分,RAID 5 就會遺失資料。因此大容量磁碟越來越常選用 RAID 6。此外,RAID 對誤刪資料或遭病毒竄改無能為力,因此要搭配異地備份使用。

練習相關題目

關於 RAID 1 的說明,下列何者適當?

  1. A將資料分散寫入多台磁碟(等量分割,striping),加快讀寫速度,但沒有冗餘
  2. B將相同的資料寫入2台磁碟(鏡像,mirroring),即使1台故障也不會失去資料
  3. C將資料與用於錯誤更正的同位元(parity)分散寫入多台磁碟,即使1台故障也能復原資料
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正確答案:B. 將相同的資料寫入2台磁碟(鏡像,mirroring),即使1台故障也不會失去資料

RAID 1 是將相同的資料寫入2台磁碟的鏡像,即使1台故障,也能以另1台的資料繼續處理。可記錄資料的容量為2台磁碟合計的一半。只有等量分割而沒有冗餘的是 RAID 0,分散寫入同位元的是 RAID 5。另外,RAID 是防備磁碟故障的機制,誤刪的資料或遭勒索軟體加密的資料會同時反映到兩台磁碟,因此無法取代備份。

以4台容量為4 TB的磁碟組成 RAID 5。可記錄資料的容量為下列何者?

  1. A8 TB
  2. B12 TB
  3. C16 TB
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正確答案:B. 12 TB

RAID 5 將資料與同位元分散寫入所有磁碟,並以1台磁碟份的容量作為同位元使用。因此可記錄資料的容量為 (4 − 1) × 4 TB = 12 TB,即使1台故障,也能從其餘磁碟的資料與同位元復原遺失的資料。8 TB 是容量減半的 RAID 1 或 RAID 10 的容量,16 TB 則是沒有冗餘的 RAID 0 的容量。

以6台容量為8 TB的磁碟組成 RAID 6。可記錄資料的容量,與不失去資料而能承受同時故障的磁碟台數之組合,下列何者正確?

  1. A32 TB,最多2台
  2. B40 TB,最多1台
  3. C48 TB,最多2台
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正確答案:A. 32 TB,最多2台

RAID 6 是分散寫入2種同位元的方式,以2台磁碟份的容量作為同位元使用。可記錄資料的容量為 (6 − 2) × 8 TB = 32 TB,即使同時有最多2台故障也不會失去資料。磁碟容量越大,從1台故障復原(重建,rebuild)所需的時間越長,期間另1台故障的風險也越高,因此常選擇 RAID 6 而非 RAID 5。

在以4台磁碟組成的 RAID 10(每2台組成1組鏡像,共2組,再對這2組做等量分割)中,4台裡有2台同時故障。若哪2台故障的機率都相等,資料遺失的機率為下列何者?

  1. A1/6
  2. B1/3
  3. C2/3
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正確答案:B. 1/3

從4台中選出故障的2台,共有 C(4, 2) = 6 種組合。資料遺失發生在同一組鏡像的2台同時故障時,鏡像共有2組,因此有2種。所以資料遺失的機率為 2 ÷ 6 = 1/3。其餘4種組合中,每組鏡像各留下1台,因此資料不會遺失;RAID 10 視組合可承受2台故障,但與任何2台故障都能承受的 RAID 6 不同。

以4台每台每秒可進行200次隨機輸入輸出(IOPS)的磁碟組成 RAID 5。每進行1次小資料的隨機寫入,需要讀取舊資料與舊同位元、寫入新資料與新同位元,合計4次輸入輸出,且不考慮快取的效果。只進行寫入時,整個 RAID 5 能處理的寫入次數為下列何者?

  1. A每秒200次
  2. B每秒400次
  3. C每秒800次
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正確答案:A. 每秒200次

4台磁碟整體能處理的輸入輸出為 4 × 200 = 每秒800次。RAID 5 每次寫入需要4次輸入輸出,因此寫入次數為 800 ÷ 4 = 每秒200次。這種每次寫入所需輸入輸出次數的增加稱為「寫入懲罰」(write penalty),鏡像的 RAID 10 為2次,因此是每秒400次。在寫入較多的用途中,選擇 RAID 等級時不僅要考慮容量效率,也要考慮這種效能差異。

常見問題

用 4 台 4 TB 的磁碟組成 RAID 5,容量是多少?

一台的容量用於同位元,因此為(4 − 1)× 4 TB = 12 TB,容量效率為 75%。

RAID 10 和 RAID 5 哪個比較好?

RAID 10 寫入快、重建時間短,但容量減半。RAID 5 容量效率高,但每次寫入都要計算同位元,寫入往往較慢,重建期間的風險也較大。資料庫等寫入頻繁的用途常使用 RAID 10。

有了 RAID 就不需要備份嗎?

仍然需要。RAID 能提高對磁碟故障的承受力,但對誤刪、軟體錯誤、勒索軟體加密或火災等無能為力,需要備份到其他裝置或地點。

考試會怎麼出題?

在日本的基本資訊技術人員考試等資訊類證照考試中,常出現各 RAID 等級的特徵(條帶化、鏡像、同位元)、由磁碟數量與容量求有效容量,以及可承受幾台故障的題目。

相關用語

磁碟陣列(RAID)

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