最近有人在詢問 Synology 的 Data Scrubbing 相關的問題，剛好小弟算是小有研究，因此來介紹一下何謂 Data Scrubbing（資料洗滌），以及 Synology 的 Data Scrubbing 可以為我們做些什麼？
何謂 RAID？
講到 Data Scrubbing 勢必得提一下什麼是 RAID。RAID 在 wiki 上的中文翻譯是容錯式磁碟陣列，簡單來說，RAID 是將多顆硬碟組合起來形成一個較大的空間，從上層的檔案系統角度來看，他就像一顆硬碟一樣。而 RAID 根據硬碟資料組合的方法不同，還可以分為 RAID0、RAID1、RAID5 以及 RAID6 等模式，一般家用 NAS 最常用的就是 RAID1 和 RAID5 這兩種，以下簡單介紹這兩種類型的功能及特性。
RAID1
RAID1 是最容易理解的 RAID 模式，他需要至少 2 顆硬碟參與，所有參與的硬碟彼此互相做鏡像，因此陣列中如果有硬碟損壞，只要至少還保有一顆硬碟，資料就仍然可以保留，但相對的空間使用率會較低，因為無論參與的硬碟有幾顆，組合而成磁碟陣列大小就是一顆硬碟的大小。
RAID 1 在寫入時，資料同時會對所有硬碟進行寫入；讀取時，由於所有硬碟有著相同資料，所以可從任一顆硬碟內讀取，一般系統會進行一定程度的負載平衡 (Load Balance)，當其中一顆較忙碌時會切換到另外一顆進行讀取，以提高效能。RAID1 也是 2bay (2硬碟插槽) NAS 的常見選擇。
RAID5
RAID5 稍微複雜一些，需要至少 3 顆以上的硬碟參與，他允許陣列中的任意一顆硬碟或損毀，而故障硬碟的原始內容可以由另外兩顆硬碟計算恢復，恢復的原理是使用奇偶校驗資訊。
首先 RAID5 會對硬碟位置進行位址劃分，在我們要寫入一塊連續資料到陣列時，他會依照 A1, A2, A3, B1, B2, B3 … 的順序寫入到硬碟中；而讀取時，同樣依照 A1, A2, A3, B1, B2, B3 … 讀取，如下圖：
那圖中的 Ap, Bp, Cp 呢？這些就是所謂的奇偶校驗區塊 (Parity)。例如RAID5 在寫入 A1 ~ A3 的同時，他還會透過一種特殊的數學式 XOR (異或) 計算出 Ap 的內容並寫入到對應位置中，如下：
Ap = A1 (XOR) A2 (XOR) A3 (式一)
當 A1 ~ A3 的其中一顆硬碟故障時，RAID5 可以再利用同樣的數學式 XOR，結合 Ap 及另外的兩顆硬碟內容將遺失的還原出來。例如 A2 所屬硬碟故障了，A2 的內容可以透過以下算式計算而得：
A2 = A1 (XOR) A3 (XOR) Ap (式二)
我們把這種計算還原出來的內容稱為冗餘備份 (Redundant Copy)，RAID5 便是以此方法達到資料保護的目的，很神奇吧！RAID5 同時也是 4bay NAS 的常見選擇，相較於 RAID1 和完全沒有保護這兩種極端情況，RAID5 在空間利用率和安全性中有著不錯的平衡。
資料一致性 (Data Consistency) 與 RAID Scrubbing
我們知道 RAID5 的特性了，接下來我們就可以說明 RAID 的資料一致性。首先我們知道 RAID5 每顆硬碟的內容有著 式一 的數學關係式，如果關係式滿足的話，我們就說資料在 RAID 中是一致的，因為當有硬碟故障時，該內容才可以用 式二 計算出冗餘備份還原回來；如果沒有滿足的話，我們就稱之為不一致，此時透過 式二 求回來的內容就會是錯的而還原失敗。
資料還原失敗是很嚴重的一件事！因此保持 RAID 資料一致性就很重要，RAID Scrubbing 會掃描磁碟陣列中的所有內容，確保所有的奇偶校驗區塊都滿足 式一，如果不滿足的話就重新算一次把他修正到一致，讓我們保有一致又健康的磁碟陣列，所以定期排程做 Scrubbing 是很重要的。
檔案系統的 Data Scrubbing
定期排程做 RAID Scrubbing 保持資料一致性就可以高枕無憂了嗎？很可惜這個答案是否定的，因為資料並不是寫入硬碟之後就永遠會保持正確，硬碟有時候會遭遇一些沒有預兆的資料錯誤 (Silent Data Error)，有可能是物理或電磁特性等種種原因，導致原本儲存的檔案內容突然就變了，這種情況就算做過 RAID Scrubbing 也沒用，因為 RAID 無法辨別哪個區塊的資料是錯的，他只能讓資料保持一致，資料一致不等於資料正確，如果其中有人錯了，大家也會錯得一致。
那該怎麼辦呢？此時就要用到 btrfs 檔案系統的 Data Scrubbing 功能，眼尖的使用者可能會注意到，儲存空間管理員的 Data Scrubbing 頁面內，除了先前說明有關 RAID 一致性的 RAID Scrubbing 以外，底下的儲存空間資訊內還有檔案系統 Scrubbing 的訊息。
btrfs 檔案系統的 Data Scrubbing 是利用檔案的總和檢查碼 (checksum) 做檔案檢查。如果在建立共用資料夾的時候有勾選"資料總和檢查碼以進行進階資料保護"功能的話，檔案系統會為所有寫入的檔案都計算總和檢查碼，並存在檔案系統的中繼資料 (metadata) 中，且中繼資料存有兩份。不過多開啟這個功能是有輕微效能代價的，如果是存放 VM 或是資料庫的共享資料夾，建議是不要開啟這個功能，但存放的是一般文件或是照片的話，對效能影響非常小，所以家用的使用者都可以放心，也務必要打開他！
在進行 Data Scrubbing 時，檔案系統會為重新計算檔案的檢查碼，如果發現檢查碼跟原本計算的不同，那有兩種可能 1. 檔案內容錯了 2. 中繼資料存的原始總和檢查碼錯了。由於中繼資料有兩份，因此檔案系統會再比對第二份的檢查碼，如果兩份檢查碼結果一樣，就可以推斷應該是檔案錯了，如果檢查碼不同，則可以推斷應該是其中一份中繼資料出錯了。
接下來 btrfs 會開始嘗試修復出錯的檔案，而修復的方式就是從底下的 RAID 取得備份，像 RAID5 就是用 Parity 計算冗餘備份，RAID1 則是直接取得鏡像資料，並計算備份的總和檢查碼。如果總和檢查碼正確的話，就可以用備份的資料來修復原始資料。下圖為修復的流程範例：
Synology 的 Data Scrubbing 實際上便是整合了這兩種 Scrubbing，他會依序執行檔案系統 Scrubbing 及 RAID Scrubbing，檔案系統的 Scrubbing 先確保資料的正確性，而後續的 RAID Scrubbing 則會確保資料的一致性，就可以同時有既正確又一致的健康系統！還沒設定 Data Scrubbing 的讀者，趕快去設定排程吧！
常見 Q/A
Q: 我的 RAID 類型是 RAID1，為什麼顯示不支援 RAID Scrubbing 呢？
A: 因為 RAID1 不能做 RAID Scrubbing 哦！RAID1 平常在讀取的時候是隨機從兩顆的其中一顆讀取，當 RAID1 Scrubbing 發現不一致時，也無法決定要如何讓他變一致。而 RAID5 在讀取時都是讀資料區塊 (A1, A2, B1…)，而非校驗區塊 (Ap, Bp, Cp…)，原則上 RAID5 在 Scrubbing 時是選擇 相信資料區塊，因此在做 RAID5 Scrubbing 時，實際上是在檢查並更新校驗區塊。且之前做的檔案系統 Scrubbing 已經可以確保資料區塊是正確的，因此 RAID5 也可以相信資料區塊是正確的。
Q: 我的檔案系統是 ext4，有支援檔案系統層級的 Data Scrubbing 嗎？
A: 沒有哦！ext4 的檔案系統沒有儲存檔案總和校驗碼的功能，也不支援 Data Scrubbing，趕快找個機會換到 btrfs 吧！
Q: 我是他牌的使用者，請問有支援 Data Scrubbing 嗎？
A: 我沒用過其他廠牌哦！歡迎貢獻一台給我，我不一定會想研究看看！
本文感謝 BingJing Chang 的技術協助！