解析RAID技術(shù)基礎(chǔ)知識及應(yīng)用

RAID已經(jīng)是一種在服務(wù)器上廣泛應(yīng)用的磁盤技術(shù)，磁盤陣列(Redundant Arrays of Inexpensive Disks，RAID)有“價(jià)格便宜且多余的磁盤陣列”之意，原理是利用數(shù)組方式來作磁盤組，配合數(shù)據(jù)分散排列的設(shè)計(jì)，提升數(shù)據(jù)的安全性。

　　磁盤陣列是由很多便宜、容量較小、穩(wěn)定性較高、速度較慢磁盤，組合成一個(gè)大型的磁盤組，利用個(gè)別磁盤提供數(shù)據(jù)所產(chǎn)生加成效果提升整個(gè)磁盤系統(tǒng)效能。同時(shí)利用這項(xiàng)技術(shù)，將數(shù)據(jù)切割成許多區(qū)段，分別存放在各個(gè)硬盤上。磁盤陣列還能利用同位檢查(Parity Check)的觀念，在數(shù)組中任一顆硬盤故障時(shí)，仍可讀出數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)重構(gòu)時(shí)，將數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后重新置入新硬盤中。RAID技術(shù)具體有怎樣的特點(diǎn)？有哪些級別？又常應(yīng)用于哪些設(shè)備？CUer好好先生在ChinaUnix社區(qū)中發(fā)布了一篇“RAID技術(shù)基礎(chǔ)知識”帖子，以下引用了該帖子內(nèi)容：

　　RAID技術(shù)基礎(chǔ)知識

　　RAID為Redundant Arrays of Independent Disks的簡稱，中文為廉價(jià)冗余磁盤陣列。在1987年由美國柏克萊大學(xué)提出RAID(Redundant Arrayof Inexpensive Disks)理論，作為高性能的存儲系統(tǒng)，巳經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。RAID的級別從RAID概念的提出到現(xiàn)在，巳經(jīng)發(fā)展了多個(gè)級別，有明確標(biāo)準(zhǔn)級別分別是0、1、2、3、4、5等。但是最常用的是0、1、3、5四個(gè)級別。其他還有6、7、10、30、50等。RAID為使用者降低了成本、增加了執(zhí)行效率，并提供了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

　　標(biāo)準(zhǔn)的RAID寫操作，包括如：RAID4或RAID5中所必需的校驗(yàn)計(jì)算，需包括以下幾個(gè)步驟：

　　(1)以校驗(yàn)盤中讀取數(shù)據(jù)

　　(2)以目標(biāo)數(shù)據(jù)盤中讀取數(shù)據(jù)

　　(3)以舊校驗(yàn)數(shù)據(jù)，新數(shù)據(jù)及已存在數(shù)據(jù)，生成新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　(4)將新校驗(yàn)數(shù)據(jù)寫入校驗(yàn)盤

　　(5)將新數(shù)據(jù)寫入目標(biāo)數(shù)據(jù)盤

　　當(dāng)主機(jī)將一個(gè)待寫入陣列RAID組中的數(shù)據(jù)發(fā)送到陣列時(shí)，陣列控制器將該數(shù)據(jù)保存在緩存中并立即報(bào)告主機(jī)該數(shù)據(jù)的寫入工作已完成。該數(shù)據(jù)寫入到陣列硬盤的工作由陣列控制器完成，該數(shù)據(jù)可繼續(xù)存放在Cache中直到Cache滿，而且要為新數(shù)據(jù)騰出空間而必須刷新時(shí)或陣列需停機(jī)時(shí)，控制器會及時(shí)將該數(shù)據(jù)從Cache寫入陣列硬盤中。

　　這種緩存回寫技術(shù)使得主機(jī)不必等待RAID校驗(yàn)計(jì)算過程的完成，即可處理下一個(gè)讀寫任務(wù)，這樣，主機(jī)的讀寫效率大為增加。當(dāng)主機(jī)命令將一個(gè)數(shù)據(jù)寫入硬盤，則陣列控制器將該數(shù)據(jù)寫入緩存最上面的位置，只有新數(shù)據(jù)才會被控制器按Write-Back Cache的方式最后寫入硬盤。

　　RAID級別

　　NRAID：

　　硬盤連續(xù)使用。NRAID意思是不使用RAID功能。它使用硬盤的總?cè)萘拷M成邏輯碟(不使用條塊讀寫)。換句話說，它生成的邏輯碟容量就是物理碟容量的總和。此外，NRAID不提供資料的備余。

　　JBOD：

　　JBOD的含意是控制器將機(jī)器上每顆硬盤都當(dāng)作單獨(dú)的硬盤處理，因此每顆硬盤都被當(dāng)作單顆獨(dú)立的邏輯碟使用。此外，JBOD并不提供資料備余的功能。

　　RAID0：RAID 0 - Disk Stripping without parity (常用)

　　又稱數(shù)據(jù)分塊，即把數(shù)據(jù)分成若干相等大小的小塊，并把它們寫到陣列上不同的硬盤上，這種技術(shù)又稱“Stripping”(即將數(shù)據(jù)條帶化)，這種把數(shù)據(jù)分布在多個(gè)盤上，在讀寫時(shí)是以并行的方式對各硬盤同時(shí)進(jìn)行操作。從理論上講，其容量和數(shù)據(jù)傳輸率是單個(gè)硬盤的N倍。N為構(gòu)成RAID0的硬盤總數(shù)。當(dāng)然，若陣列控制器有多個(gè)硬盤通道時(shí)，對多個(gè)通道上的硬盤進(jìn)行RAID0操作，I/O性能會更高。因此常用于圖象，視頻等領(lǐng)域，RAID0 I/O傳輸率較高，但平均故障時(shí)間MTTF只有單盤的N分之一，因此RAID0可靠性最差。

　　RAID1：RAID 1 - Disk Mirroring(較常用)

　　又稱鏡像。即每個(gè)工作盤都有一個(gè)鏡像盤，每次寫數(shù)據(jù)時(shí)必須同時(shí)寫入鏡像盤，讀數(shù)據(jù)時(shí)只從工作盤讀出，一旦工作盤發(fā)生故障立即轉(zhuǎn)入鏡像盤，從鏡像盤中讀出數(shù)據(jù)。當(dāng)更換故障盤后，數(shù)據(jù)可以重構(gòu)，恢復(fù)工作盤正確數(shù)據(jù)，這種陣列可靠性很高，但其有效容量減小到總?cè)萘恳话胍韵�，因此RAID1常用于對容錯(cuò)要求極嚴(yán)的應(yīng)用場合，如財(cái)政、金融等領(lǐng)域。

　　RAID (0+1)：

　　結(jié)合了RAID 0 和 RAID 1—條塊化讀寫的同時(shí)使用鏡像操作。RAID(0+1)允許多個(gè)硬盤損壞，因?yàn)樗�完全使用硬盤來實(shí)現(xiàn)資料備余。如果有超過兩個(gè)硬盤做RAID 1，系統(tǒng)會自動實(shí)現(xiàn)RAID (0+1)。

　　RAID2：

　　又稱位交叉，它采用漢明碼作盤錯(cuò)校驗(yàn)，采用按位交叉存取，運(yùn)用于大數(shù)據(jù)的讀寫，但冗余信息開銷太大(校驗(yàn)盤為多個(gè))，已被淘汰。

　　RAID3：RAID 3 - Parallel Disk Array

　　為單盤容錯(cuò)并行傳輸。即采用Stripping技術(shù)將數(shù)據(jù)分塊，對這些塊進(jìn)行異或校驗(yàn)，校驗(yàn)數(shù)據(jù)寫到最后一個(gè)硬盤上。它的特點(diǎn)是有一個(gè)盤為校驗(yàn)盤，數(shù)據(jù)以位或字節(jié)的方式存于各盤(分散記錄在組內(nèi)相同扇區(qū)的各個(gè)硬盤上)。當(dāng)一個(gè)硬盤發(fā)生故障，除故障盤外，寫操作將繼續(xù)對數(shù)據(jù)盤和校驗(yàn)盤進(jìn)行操作。而讀操作是通過對剩余數(shù)據(jù)盤和校驗(yàn)盤的異或計(jì)算重構(gòu)故障盤上應(yīng)有的數(shù)據(jù)來進(jìn)行的。RAID3的優(yōu)點(diǎn)是并行I/O傳輸和單盤容錯(cuò)，具有很高可靠性。缺點(diǎn)：每次讀寫要牽動整個(gè)組，每次只能完成一次I/O。

　　RAID4：

　　與RAID3相似，區(qū)別是：RAID3是按位或字節(jié)交叉存取，而RAID4是按塊(扇區(qū))存取，可以單獨(dú)地對某個(gè)盤進(jìn)行操作，無須像RAID3那樣，哪怕每一次小I/O操作也要涉及全組，只需涉及組中兩塊硬盤(一塊數(shù)據(jù)盤，一塊校驗(yàn)盤)即可，從而提高了小量數(shù)據(jù)I/O速度。缺點(diǎn)：對于隨機(jī)分散的小數(shù)據(jù)量I/O，固定的校驗(yàn)盤又成為I/O瓶頸，例如：事務(wù)處理。作兩個(gè)很小的寫操作，一個(gè)寫在drive2的stripe1 上，一個(gè)寫在drive3的stripe2上，它們都要往校驗(yàn)盤上寫，所以發(fā)生爭用校驗(yàn)盤的問題。

　　RAID5：RAID 5 - Striping with floating parity drive(最常用)

　　是一種旋轉(zhuǎn)奇偶校驗(yàn)獨(dú)立存取的陣列方式，它與RAID3，RAID4不同的是沒有固定的校驗(yàn)盤，而是按某種規(guī)則把奇偶校驗(yàn)信息均勻地分布在陣列所屬的硬盤上，所以在每塊硬盤上，既有數(shù)據(jù)信息也有校驗(yàn)信息。這一改變解決了爭用校驗(yàn)盤的問題，使得在同一組內(nèi)并發(fā)進(jìn)行多個(gè)寫操作。所以RAID5即適用于大數(shù)據(jù)量的操作，也適用于各種事務(wù)處理，它是一種快速、大容量和容錯(cuò)分布合理的磁盤陣列。當(dāng)有N塊陣列盤時(shí)，用戶空間為N-1塊盤容量。

　　RAID3、RAID5中，在一塊硬盤發(fā)生故障后，RAID組從ONLINE變?yōu)镈EGRADED方式，但I(xiàn)/O讀寫不受影響，直到故障盤恢復(fù)。但如果DEGRADED狀態(tài)下，又有第二塊盤故障，整個(gè)RAID組的數(shù)據(jù)將丟失。

　　RAID技術(shù)的應(yīng)用

　　DAS--direct access storage device直接訪問存儲設(shè)備

　　DAS是磁盤存儲設(shè)備的術(shù)語，以前被用在大、中型機(jī)上。使用在PC機(jī)上還包括硬盤設(shè)備DAS的最新形式是RAID。“直接訪問”指訪問所有數(shù)據(jù)的時(shí)間是相同的。

　　NAS--Network Attached Storage網(wǎng)絡(luò)附加存儲設(shè)備

　　一種特殊目的的服務(wù)器,它具有嵌入式的軟件系統(tǒng),可以通過網(wǎng)絡(luò)對個(gè)種的系統(tǒng)平臺提供文件共享服務(wù)。

　　SAN--Storage Area Networks存儲區(qū)域網(wǎng)

　　一種高速的專用網(wǎng)絡(luò)，用于建立服務(wù)器、磁盤陣列和磁帶庫之間的一種直接聯(lián)接。它如同擴(kuò)展的存儲器總線，將專用的集線器、交換器以及網(wǎng)關(guān)或橋路互相連接在一起。SAN常使用光纖通道。一個(gè)SAN可以是本地的或者是遠(yuǎn)程的，也可以是共享的或者是專用的。SAN打破了存儲器與服務(wù)器之間的束縛，允許你獨(dú)立地選擇最佳的存儲器或者是最佳的服務(wù)器，從而提高可擴(kuò)性和靈活性。

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