持久数据的 “持久”

如果我们的数据 “就地消失”

• 即刻挂科/退学？
  

持久数据的 “持久” (cont'd)

如果我们的数据 “就地消失”

• 存款/贷款清零？

没有 “一个” 绝对可靠的存储设备

临时失效

• Kernel panic (bug); 断电

部分失效

• ECC 纠错失败; fail slow

永久失效

• 小概率事件：硬盘物理损坏 (大量重复 = 必然发生)
• 极小概率事件：战争爆发/三体人进攻地球/世界毁灭

RAID: 存储设备的虚拟化

性能和可靠性，我们能不能全都要呢？

• Redundant Array of Inexpensive (Independent) Disks (RAID)
• 把多个 (不可靠的) 磁盘虚拟成一块非常可靠且性能极高的虚拟磁盘
  • A case for redundant arrays of inexpensive disks (RAID) (SIGMOD'88)

一个 “反向” 的虚拟化

• 类比：进程/虚存/文件把 “一个设备” 虚拟成多份

计算机系统的黄金时代

凑几块盘，掀翻整个产业链！

• “Single Large Expensive Disks” (IBM 3380), v.s.
• “Redundant Array of Inexpensive Disks”

RAID: Design Space

RAID (虚拟化) = 虚拟块号到 (磁盘, 块号) 的 “映射”

• 虚拟磁盘块可以存储在任何物理磁盘上
  • 物理磁盘读写可以并行；存储 $>1$ 份即可实现容错

RAID-0：更大的容量、更快的速度

• 读速度 x 2；写速度 x 2
• Quiz: 交错排列还是一分为二?

RAID-1：镜像 (容错)

• 保持两块盘完全一样
• 读速度 x 2；写速度保持一致

容错的代价

浪费了一块盘的容量……

• 如果我们有 100 块盘
• 但假设不会有两块盘同时 fail-stop？

能不能只用 1-bit 的冗余，恢复出一个丢失的 bit？

• $x = a \oplus b \oplus c$
  • $a = x \oplus b \oplus c$
  • $b = a \oplus x \oplus c$
  • $c = a \oplus b \oplus x$
• 100 块盘里，99 块盘都是数据！
  • Caveat: random write 性能

RAID-5: Rotating Parity

使 Parity 均匀分布在各个磁盘

RAID: 讨论

更快、更可靠、近乎免费的大容量磁盘

• 从此再无 “高可靠性磁盘”

RAID: 自身的可靠性

磁盘 Fail-stop

• 软件可以感知
• 自动启用备盘并复制数据
  • 期间性能下降

RAID 物理磁盘不能完美同步

• 断电 → 数据不一致
• 如何解决？

计算机系统的又一个黄金时代

“三驾马车” 开启 “大数据” 时代

• GFS (Google file system) (SOSP'03), MapReduce (OSDI'04), BigTable (OSDI'06)

数据中心存储：一个 “分布式的 RAID”

Everything is Virtual

• 阿里云 Elastic Block Storage (EBS, FAST'24 )
  • 现在理解为什么云厂商能躺着挣 了
  • 算上 3X replica，amplification 还 $<1$

数据中心存储的挑战

Data corruption

• 磁盘看起来正常，但一部分数据坏了

Fail-slow

• Firmware bug; device error; wear-out; configuration; environment; ... 磁盘上的 “性能问题”
  • 我亲历过 fail-slow 的 HDD!

计算机系统的下一个黄金时代？