RAID磁盘阵列技术

[ 作者:笑傲江湖 发布于:2006年-12月-3日 0:24 星期日  分类:百 宝 箱 ]

  RAID是英文Redundant Array of Independent Disks的缩写,翻译成中文意思是“独立磁盘冗余阵列”,有时也简称磁盘阵列(Disk Array)。
  简单的说,RAID是一种把多块独立的硬盘(物理硬盘)按不同的方式组合起来形成一个硬盘组(逻辑硬盘),从而提供比单个硬盘更高的存储性能和提供数据备份技术。组成磁盘阵列的不同方式成为RAID级别(RAID Levels)。数据备份的功能是在用户数据一旦发生损坏后,利用备份信息可以使损坏数据得以恢复,从而保障了用户数据的安全性。在用户看起来,组成的磁盘组就像是一个硬盘,用户可以对它进行分区,格式化等等。总之,对磁盘阵列的操作与单个硬盘一模一样。不同的是,磁盘阵列的存储速度要比单个硬盘高很多,而且可以提供自动数据备份。
  RAID技术的两大特点:一是速度、二是安全,由于这两项优点,RAID技术早期被应用于高级服务器中的SCSI接口的硬盘系统中,随着近年计算机技术的发展,PC机的CPU的速度已进入GHz 时代。IDE接口的硬盘也不甘落后,相继推出了ATA66和ATA100硬盘。这就使得RAID技术被应用于中低档甚至个人PC机上成为可能。RAID通常是由在硬盘阵列塔中的RAID控制器或电脑中的RAID卡来实现的。RAID技术经过不断的发展,现在已拥有了从RAID0到7等多种基本的RAID 级别。另外,还有一些基本RAID级别的组合形式,如RAID 10(RAID0与RAID1的组合),RAID50(RAID0与RAID5的组合)等。RAID级别的选择有三个主要因素:可用性(数据冗余)、性能和成本。如果不要求可用性,选择RAID0以获得最佳性能。如果可用性和性能是重要的而成本不是一个主要因素,则根据硬盘数量选择RAID 1。如果可用性、成本和性能都同样重要,则根据一般的数据传输和硬盘的数量选择RAID3、RAID5。它们的侧重点各不相同,常见的规范有如下几种:

  RAID 0又称为Stripe或Striping,它代表了所有RAID级别中最高的存储性能。RAID 0提高存储性能的原理是把连续的数据分散到多个磁盘上存取,这样,系统有数据请求就可以被多个磁盘并行的执行,每个磁盘执行属于它自己的那部分数据请求。这种数据上的并行操作可以充分利用总线的带宽,显著提高磁盘整体存取性能。系统向三个磁盘组成的逻辑硬盘(RADI 0 磁盘组)发出的I/O数据请求被转化为3项操作,其中的每一项操作都对应于一块物理硬盘,原先顺序的数据请求被分散到所有的三块硬盘中同时执行。从理论上讲,三块硬盘的并行操作使同一时间内磁盘读写速度提升了3倍。 但由于总线带宽等多种因素的影响,实际的提升速率肯定会低于理论值,但是,大量数据并行传输与串行传输比较,提速效果显著显然毋庸置疑。缺点是不提供数据冗余,因此一旦用户数据损坏,损坏的数据将无法得到恢复。具有的特点使其特别适用于对性能要求较高,而对数据安全不太在乎的领域,如图形工作站等。对于个人用户,RAID 0也是提高硬盘存储性能的绝佳选择。
  RAID 1又称为Mirror或Mirroring,它的宗旨是最大限度的保证用户数据的可用性和可修复性。 RAID 1的操作方式是把用户写入硬盘的数据百分之百地自动复制到另外一个硬盘上。当读取数据时,系统先从RAID 0的源盘读取数据,如果读取数据成功,则系统不去管备份盘上的数据;如果读取源盘数据失败,则系统自动转而读取备份盘上的数据,不会造成用户工作任务的中断。当然,我们应当及时地更换损坏的硬盘并利用备份数据重新建立Mirror,避免备份盘在发生损坏时,造成不可挽回的数据损失。由于对存储的数据进行百分之百的备份,在所有RAID级别中,RAID 1提供最高的数据安全保障。同样,由于数据的百分之百备份,备份数据占了总存储空间的一半,因而,Mirror的磁盘空间利用率低,存储成本高。Mirror虽不能提高存储性能,但由于其具有的高数据安全性,使其尤其适用于存放重要数据,如服务器和数据库存储等领域。
  RAID 0+1:正如其名字一样RAID 0+1是RAID 0和RAID 1的组合形式,也称为RAID 10。以四个磁盘组成的RAID 0+1为例,其数据存储方式如图所示:RAID 0+1是存储性能和数据安全兼顾的方案。它在提供与RAID 1一样的数据安全保障的同时,也提供了与RAID 0近似的存储性能。由于RAID 0+1也通过数据的100%备份提供数据安全保障,因此RAID 0+1的磁盘空间利用率与RAID 1相同,存储成本高。RAID 0+1的特点使其特别适用于既有大量数据需要存取,同时又对数据安全性要求严格的领域,如银行、金融、商业超市、仓储库房、各种档案管理等。
  RAID 2:将数据条块化地分布于不同的硬盘上,条块单位为位或字节,并使用称为“加重平均纠错码(海明码)”的编码技术来提供错误检查及恢复。这种编码技术需要多个磁盘存放检查及恢复信息,使得RAID 2技术实施更复杂,因此在商业环境中很少使用。 
  RAID 3:它同RAID 2非常类似,都是将数据条块化分布于不同的硬盘上,区别在于RAID 3使用简单的奇偶校验,并用单块磁盘存放奇偶校验信息。如果一块磁盘失效,奇偶盘及其他数据盘可以重新产生数据;如果奇偶盘失效则不影响数据使用。RAID 3对于大量的连续数据可提供很好的传输率,但对于随机数据来说,奇偶盘会成为写操作的瓶颈。 
  RAID 4:RAID 4同样也将数据条块化并分布于不同的磁盘上,但条块单位为块或记录。RAID 4使用一块磁盘作为奇偶校验盘,每次写操作都需要访问奇偶盘,这时奇偶校验盘会成为写操作的瓶颈,因此RAID 4在商业环境中也很少使用。
  RAID 5 是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案。 以四个硬盘组成的RAID 5为例,RAID 5不对存储的数据进行备份,而是把数据和相对应的奇偶校验信息存储到组成RAID5的各个磁盘上,并且奇偶校验信息和相对应的数据分别存储于不同的磁盘上。当RAID5的一个磁盘数据发生损坏后,利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息去恢复被损坏的数据。可以理解为是RAID 0和RAID 1的折衷方案。RAID 5可以为系统提供数据安全保障,但保障程度要比Mirror低而磁盘空间利用率要比Mirror高。RAID 5具有和RAID 0相近似的数据读取速度,只是多了一个奇偶校验信息,写入数据的速度比对单个磁盘进行写入操作稍慢。同时由于多个数据对应一个奇偶校验信息,RAID 5的磁盘空间利用率要比RAID 1高,存储成本相对较低。RAID 5更适合于小数据块和随机读写的数据。RAID 3与RAID 5相比,最主要的区别在于RAID 3每进行一次数据传输就需涉及到所有的阵列盘;而对于RAID 5来说,大部分数据传输只对一块磁盘操作,并可进行并行操作。在RAID 5中有“写损失”,即每一次写操作将产生四个实际的读/写操作,其中两次读旧的数据及奇偶信息,两次写新的数据及奇偶信息。
  AID 6:与RAID 5相比,RAID 6增加了第二个独立的奇偶校验信息块。两个独立的奇偶系统使用不同的算法,数据的可靠性非常高,即使两块磁盘同时失效也不会影响数据的使用。但RAID 6需要分配给奇偶校验信息更大的磁盘空间,相对于RAID 5有更大的“写损失”,因此“写性能”非常差。较差的性能和复杂的实施方式使得RAID 6很少得到实际应用。 
  RAID 7:这是一种新的RAID标准,其自身带有智能化实时操作系统和用于存储管理的软件工具,可完全独立于主机运行,不占用主机CPU资源。RAID 7可以看作是一种存储计算机(Storage Computer),它与其他RAID标准有明显区别。除了以上的各种标准(如表1),我们可以如RAID 0+1那样结合多种RAID规范来构筑所需的RAID阵列,例如RAID 5+3(RAID 53)就是一种应用较为广泛的阵列形式。用户一般可以通过灵活配置磁盘阵列来获得更加符合其要求的磁盘存储系统。
  还有其他一些专有格式的RAID方式,应用很少,这里就不一一介绍了。
[Edit on 2006-12-02 16:24:58 By 笑傲江湖]

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