獨立磁盤冗余陣列（RAID）技術(shù)概述

1、獨立磁盤冗余陣列（RAID）技術(shù)概述 RAID是獨立磁盤冗余陣列的縮寫。這一術(shù)語是加州大學(xué)伯克利分校研究員Patterson、Gibson和Katz在1988年撰寫的一篇說明陣列配置和應(yīng)用的論文中最先使用的。獨立磁盤冗余陣列（RAID）是在服務(wù)器等級用于高容量數(shù)據(jù)存儲的公用系統(tǒng)。RAID系統(tǒng)使用許多小容量磁盤驅(qū)動器來存儲大量數(shù)據(jù)，并且使可靠性和冗余度得到增強。對計算機來說，這樣一種陣列就如同由多個磁盤驅(qū)動器構(gòu)成的一個邏輯單元。RAID并非保護大量數(shù)據(jù)的唯一途徑，但是，常規(guī)的備份和鏡像軟件速度較慢，而且，如果一個驅(qū)動器出現(xiàn)故障，則往往需要中斷系統(tǒng)。即使磁盤不導(dǎo)致服務(wù)器中斷，IT工作人員仍需要斷掉

2、服務(wù)器來更換驅(qū)動器。相反，RAID利用鏡像或奇偶信息來從剩余的驅(qū)動器重建數(shù)據(jù)，不必中斷系統(tǒng)。過去，計算機系統(tǒng)往往只限于向單個磁盤寫入信息。這種磁盤通常價格昂貴而又極易故障。硬盤一直是計算機系統(tǒng)中最脆弱的環(huán)節(jié)，因為這些設(shè)備是在其它部件完全電子化的系統(tǒng)中唯一的機械部件。磁盤驅(qū)動器含有許多以高速運行的活動機械零件。問題不是硬盤驅(qū)動器是否會發(fā)生故障，而是何時發(fā)生故障。RAID旨在通過提供一個廉價和冗余的磁盤系統(tǒng)來徹底改變計算機管理和存取大容量存儲器中數(shù)據(jù)的方式。它曾被稱為廉價磁盤冗余陣列（RAID）。RAID將數(shù)據(jù)寫入多個廉價磁盤，而不是寫入單個大容量昂貴（SIED）。最初RAID代表廉價磁盤冗余陣列

3、，但現(xiàn)在已改為獨立磁盤冗余陣列。RAID存儲的方式多種多樣。某些類型的RAID強調(diào)性能，某些則強調(diào)可靠性、容錯或糾錯能力。因此，可根據(jù)要完成的任務(wù)來選擇類型。不過，所有的RAID系統(tǒng)共同的特點-也是其真正的優(yōu)點則是"熱交換"能力：用戶可以取出一個存在缺陷的驅(qū)動器，并插入一個新的予以更換。對大多數(shù)類型的RAID來說，不必中斷服務(wù)器或系統(tǒng)，就可以自動重建某個出現(xiàn)故障的磁盤上的數(shù)據(jù)。RAID基本原理RAID通過條帶化存儲和奇偶校驗兩個措施來實現(xiàn)其冗余和容錯的目標(biāo)。條帶化存儲意味著可以一次寫入一個數(shù)據(jù)塊的方式將文件寫入多個磁盤。條帶化存儲技術(shù)將數(shù)據(jù)分開寫入多個驅(qū)動器，從而提高數(shù)據(jù)傳

4、輸速率并縮短磁盤處理總時間。這種系統(tǒng)非常適用于交易處理、但可靠性卻很差，因為系統(tǒng)的可靠性等于最差的單個驅(qū)動器的可靠性。奇偶校驗通過在傳輸后對所有數(shù)據(jù)進行冗余校驗可以確保數(shù)據(jù)的有效性。利用奇偶校驗，當(dāng)RAID系統(tǒng)的一個磁盤發(fā)生故障時，其它磁盤能夠重建該故障磁盤。在這兩種情況中，這些功能對于操作系統(tǒng)都是透明的。由磁盤陣列控制器（DAC）進行條帶化存儲和奇偶校驗控制。RAID組件RAID的主要組件是磁盤陣列控制器(DAC)和由5個磁盤組成的隊列。數(shù)據(jù)被條帶化存儲在全部5個磁盤上，用奇偶校驗來恢復(fù)故障磁盤。RAID有多個不同的等級。某些RAID等級用來提高速度，某些用來提供保護，而RAID-5則結(jié)合了

5、兩方面的優(yōu)勢。我們將對它們進行逐一論述。磁盤冗余陣列的主要部件包括陣列控制器、磁盤及磁盤擴展柜、 電源 系統(tǒng)等。根據(jù)不同的市場定位，不同型號的盤陣結(jié)構(gòu)和各項技術(shù)指標(biāo)會有或大或小的區(qū)別，如控制器數(shù)量、緩存容量、管理終端、接口類型等。 磁盤冗余陣列控制器（或者 存儲 處理器）磁盤冗余陣列控制器采用專門處理數(shù)據(jù)存儲和系統(tǒng)管理的單片機、 工控機 、服務(wù)器，前端提供對 服務(wù)器 的連接，后端連接磁盤及磁盤擴展柜，采用優(yōu)化的通用或?qū)Ｓ?操作系統(tǒng) ，以及獨有的控制軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)和整個磁盤冗余陣列的管理（有些磁盤陣列采用專門的管理終端）?？刂破魉鶐Ь彺婵蓵捍嫱獠糠?wù)器向盤陣讀寫的數(shù)據(jù),或者暫存控制器向后

6、端磁盤讀寫的數(shù)據(jù)，能大大提高訪問的效率。 磁盤冗余陣列根據(jù)控制器數(shù)量可分為無控制器、單控制器、雙控制器和多控制器幾種，它們各自有不同的市場定位。 其中無控制器的盤陣 JBOD （Just Bundle of Disk的縮寫，意即“只是一串磁盤的組合”），被稱為“傻磁盤冗余陣列”。 JBOD內(nèi)部既沒有控制器，也沒有緩存，磁盤之間更沒有提高性能和 安全 性的任何手段。每個磁盤都獨立地接收來自主機的數(shù)據(jù)訪問，主機既要負(fù)擔(dān)磁盤讀寫等操作，還要進行RAID算法的處理，對主機資源的占用率較大，因此JBOD適用于對性能要求不高的環(huán)境。 單控制器陣列能夠滿足那些對性能有較高要求、又能容忍因控制器故障導(dǎo)致盤陣停

7、機一定時間的需求，在實際應(yīng)用中，由于采用冗余鏈路、內(nèi)部容錯等技術(shù)，單控制器盤陣能夠很好地滿足一般的高可靠性要求，因此雙控制器磁盤冗余陣列只采購一個控制器的案例也為數(shù)不少。 雙控制器陣列能夠?qū)崿F(xiàn)控制器級的冗余，進一步提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性、可靠性。多控制器磁盤冗余陣列采用4個或以上的控制器，采用多級冗余結(jié)構(gòu)，既能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性達到更高標(biāo)準(zhǔn)，又能使整體處理能力成倍提高，常用于大型關(guān)鍵業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)中心。 控制器的核心是運行其中的一系列軟件，如盤陣 管理軟件 、SAN管理軟件、快照軟件等。 磁盤及磁盤擴展柜 磁盤是磁盤冗余陣列存儲數(shù)據(jù)的物理介質(zhì)，它裝在磁盤柜或磁盤擴展柜中，目前用于盤陣的主要 硬

8、盤 類型如表1所示。作為磁盤冗余陣列中風(fēng)扇之外的第二個持續(xù)運轉(zhuǎn)的部件，硬盤是盤陣中的易損物，為了減少或防止磁盤故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，一般都會采用磁盤冗余陣列技術(shù)來容錯。磁盤擴展柜用于安裝磁盤，擴展存儲容量。磁盤擴展柜提高了系統(tǒng)擴容的靈活性和方便性，實現(xiàn)按需分步的擴展。 電源 電源為整個磁盤冗余陣列供電，包括控制器、磁盤及擴展柜、管理終端。根據(jù)對可靠性要求的不同來選擇單電源或者多電源。為防止冗余電源同時發(fā)生故障，中高端磁盤冗余陣列還需配備 電池 ，能夠確保外部電源出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)能繼續(xù)維持一段時間運轉(zhuǎn)，讓系統(tǒng)能將緩存中數(shù)據(jù)寫入磁盤中。條帶化存儲數(shù)據(jù)以前，計算機只將文件寫入一個磁盤。條帶化存儲使您能

9、夠拆分文件并將不同的片段同時寫入多個磁盤。如果您的文件有5個數(shù)據(jù)塊，并將它們條帶化存儲到5個磁盤中，每個數(shù)據(jù)塊將同時寫入各自的磁盤。如果您有5個OLTP交易，每個小于一個數(shù)據(jù)塊，您就可以同時處理5個不同的交易。大多數(shù)RAID等級在數(shù)據(jù)塊級進行條帶化存儲，但RAID也可以在位或字節(jié)級進行條帶化存儲。數(shù)據(jù)塊的大小由系統(tǒng)管理員決定，并被稱為基帶條深度。為了最大限度地提高磁盤陣列子系統(tǒng)的交易能力，數(shù)據(jù)必須同時寫入多個驅(qū)動器或同時從多個驅(qū)動器讀取。為實現(xiàn)這一點，用戶數(shù)據(jù)塊被條帶化存儲在整個驅(qū)動器陣列上。一個基帶條包括一列扇區(qū)（每扇區(qū)含512個字節(jié)），這些扇區(qū)位于陣列中每個磁盤上的相同位置。基帶條深度（即

10、每一數(shù)據(jù)塊中的扇區(qū)數(shù)）由子系統(tǒng)軟件定義?；鶐l深度對性能有直接影響，因為深度太淺就需要系統(tǒng)執(zhí)行比實際需要更多的I/O命令。如果規(guī)定深度太大，處理器的多任務(wù)能力以及多驅(qū)動器所帶來的諸多益處可能會被抵銷。在一個理想的交易環(huán)境中，來自主機的每個請求都只涉及一個驅(qū)動器，這可以實現(xiàn)多個驅(qū)動器的多個并發(fā)交易。將數(shù)據(jù)條帶化存儲到陣列驅(qū)動器解決了前面所述的一個系統(tǒng)驅(qū)動器超負(fù)荷運行而另一個空閑的問題。數(shù)據(jù)條帶化存儲避免了使用專用驅(qū)動器，并確保數(shù)據(jù)處理負(fù)載在可用的驅(qū)動器間平均分配，同時通過同時寫入多個數(shù)據(jù)塊而提高了性能。奇偶校驗人們經(jīng)?；煜媾夹ｒ灪顽R像（或映像）。鏡像涉及制作磁盤的拷貝。鏡像是將數(shù)據(jù)同時寫入兩個

11、驅(qū)動器的技術(shù)。因為兩個驅(qū)動器中的任何一個都可以完成同一任務(wù)，所以這些系統(tǒng)具有優(yōu)異的可靠性，并可獲得出色的交易處理結(jié)果。但代價是必須購買兩個驅(qū)動器而只得到一個驅(qū)動器的容量。鏡像的開銷為100，或是雙倍磁盤空間。如果一個磁盤發(fā)生故障，鏡像磁盤將接替它進行運行。奇偶校驗提供與鏡像相同的一般保護，但開銷較少。如果一個用戶具有由5個磁盤組成的陣列，其中4個用于存儲數(shù)據(jù)而1個用于奇偶校驗。它的開銷僅為20，當(dāng)需要考慮成本時，這是一個很大的優(yōu)勢。計算機只用0和1來表示數(shù)據(jù)。異或（XOR）是進行奇偶校驗的一種方法。從每個磁盤中取出一位（0和1）并相加。如果和為偶數(shù)，則奇偶為被置為0；如果和為奇數(shù)，則奇偶位被置

12、為1。根據(jù)RAID等級，奇偶校驗即可保存到一個磁盤上，也可分配到所有磁盤上。當(dāng)您使用5個磁盤時，每種方式的奇偶校驗占磁盤空間的1/5或20。當(dāng)使用3個磁盤時，占1/3或33。RAID配置等級目前業(yè)界公認(rèn)有6個RAID配置等級，并將它們規(guī)定為RAID0到RAID5。每個RAID等級分別針對速度、保護或兩者的結(jié)合而設(shè)計。RAID等級包括：RAID 0 數(shù)據(jù)條帶化存儲陣列RAID 1 鏡像磁盤陣列RAID 2 并行陣列，漢明碼RAID 3 帶奇偶校驗的并行陣列RAID 4 帶專用奇偶校驗驅(qū)動器的磁盤陣列RAID 5 磁盤陣列，所有驅(qū)動器均包括奇偶校驗最常用的RAID等級為RAID-0、RAID-2和

13、RAID-5。下面對其進行詳細(xì)說明：RAID-0數(shù)據(jù)條帶化存儲陣列RAID-0將數(shù)據(jù)條帶化存儲到所有驅(qū)動器上，但沒有采用奇偶校驗。如果其中一個磁盤發(fā)生故障，數(shù)據(jù)必須從備份重新存儲到全部5個磁盤上。這種RAID旨在提高速度，在所有RAID中速度最快，但是提供的保護最少。RAID-1透明或條帶化存儲鏡像RAID-1技術(shù)要求每個原始數(shù)據(jù)磁盤都有一個鏡像磁盤。原始磁盤和鏡像的內(nèi)容完全一樣。RAID-1能夠提供最好的數(shù)據(jù)保護，但是速度不如RAID0和5。在數(shù)據(jù)寫到原始磁盤上的同時也會寫到鏡像磁盤上。這一鏡像過程對于用戶是不可見的。因此RAID-1又稱為透明鏡像。用戶可以設(shè)置RAID-1以將數(shù)據(jù)寫人一個磁

14、盤，并將該磁盤鏡像化；或者也可以將它條帶化存儲到多個磁盤上，每個條帶化存儲的磁盤都有一個鏡像拷貝。這稱為條帶化存儲鏡像、RAID1+0、RAID10,在有些情況下也稱為RAID6。RAID-5磁盤陣列，奇偶校驗散布RAID-5將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)塊形式進行條帶化存儲，同時還采用了奇偶校驗。利用RAID-5技術(shù)，用戶信息和奇偶校驗可以合并到陣列中的每個磁盤上?？梢赃M行獨立和/或并行的數(shù)據(jù)讀寫操作。該RAID是所有RAID中使用最廣泛。RAID-5沒有RAID-0那么快，也沒有提供象RAID-1鏡像那樣多的保護。但是RAID-5同時提供良好的速度和保護。這就是為什么它往往成為人們所選擇的RAID等級。RA

15、ID磁盤陣列組件RAID磁盤陣列的主要組件是磁盤陣列控制器、5個SCSI通道、以及一個或多個磁盤陣列列隊。通常有兩個磁盤陣列控制器（DAC）作為一組進行工作。這種實施過去常常由一個主動DAC和一個被動DAC可能發(fā)生故障時，另一個就會控制所有磁盤列隊。下圖中有兩個DAC，它們共同控制4個磁盤列隊。您可以將磁盤配置成任何所支持的RAID等級。您甚至可以打亂磁盤而在一個列隊中配置多個RAID。內(nèi)置/外置磁盤陣列以前磁盤陣列是通過一跟電纜專門連接到主機，并且始終置于一個外部機箱中。外置磁盤陣列的SCSI長度限度在大約80英寸或25米左右?？梢岳靡粋€中繼器將長度延長25米，但是這樣做將損失5的性能。目

16、前許多計算機采用內(nèi)置RAID。CPU與磁盤在內(nèi)部進行通信，但基本原理仍然是一樣的。無論是內(nèi)置或是外置，磁盤陣列都有一個或兩個磁盤陣列控制器控制的磁盤隊列。 牢記要點：RAID用于提高數(shù)據(jù)性能、可靠性和可用性。條帶化存儲、奇偶校驗和鏡像是RAID系統(tǒng)的三個主要功能。RAID執(zhí)行的功能對于操作系統(tǒng)是透明的。系統(tǒng)通常由磁盤列隊定義，每個磁盤列隊包括5個磁盤并與一個或兩個磁盤陣列控制器連接。不同等級的RAID提供不同的速度和不同程度的數(shù)據(jù)保護。常見的RAID實施方式   RAIDLevel0即數(shù)據(jù)分割，是最基本的方式。在一個普通硬盤驅(qū)動器上，數(shù)據(jù)被存儲在同一張盤的連續(xù)扇區(qū)

17、上。RAID0至少使用兩個磁盤驅(qū)動器，并將數(shù)據(jù)分成從512字節(jié)到數(shù)兆字節(jié)的若干塊，這些數(shù)據(jù)塊被交替寫到磁盤中。第1段被寫到磁盤1中，第2段被寫到磁盤2中，如此等等。當(dāng)系統(tǒng)到達陣列中的最后一個磁盤時，就寫到磁盤1的下一分段，以下如此。分割數(shù)據(jù)將IO負(fù)載平均分配到所有的驅(qū)動器。由于驅(qū)動器可以同時寫或讀，性能得以顯著提高。但是，它卻沒有數(shù)據(jù)保護能力。如果一個磁盤出故障，數(shù)據(jù)就會丟失。RAID0不適用于關(guān)鍵任務(wù)環(huán)境，但是，它卻非常適合于視頻生產(chǎn)和編輯或圖像編輯。   RAIDLevel3包括數(shù)據(jù)分割，另外，它還指定一個驅(qū)動器來存儲奇偶信息。這就提供了某種容錯功能，在數(shù)據(jù)密集型環(huán)境或

18、單一用戶環(huán)境中尤其有益于訪問較長的連續(xù)記錄。RAID3需要同步主軸驅(qū)動器來預(yù)防較短記錄的性能下降。   RAIDLevel5類似于Level0，但是它不是將數(shù)據(jù)分成塊，而是將每個字節(jié)的位拆分到多個磁盤。這樣會增加管理費用，但是，如果一個磁盤出現(xiàn)故障，則它可以更換，數(shù)據(jù)可以從奇偶和糾錯碼中重建。RAID5包括所有的讀寫運行。它需要三到五個磁盤來組成陣列，最適合于不需要關(guān)鍵特性或幾乎不進行寫操作的多用戶系統(tǒng)。   其它不常見的RAID類型   RAIDLevel1是磁盤鏡像-寫到磁盤1中的一切也寫到磁盤2中，從任何一個磁盤都可以讀取。這樣就提供了即時備份，但需要的磁盤驅(qū)動器數(shù)量最多，不能提高性能。RAID1在多用戶系統(tǒng)中提