-1- RAID概述
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RAID技術詳解RAID技術首次提出要追溯到上世紀80年代，原意為“廉價冗余磁盤陣列”（Redundant Arry of Inexpensive Disks），主要是應對大容量磁盤比較昂貴，而將多個容量較小、相對廉價的磁盤進行有機組合，從而以較低的成本獲得與昂貴大容量磁盤相當容量、性能、可靠性的一種解決方案。隨著磁盤成本和價格的不斷降低，“廉價”已經(jīng)毫無意義。因此，RAID 咨詢委員會（RAID Advisory Board, RAB）決定用“獨立”替代“廉價”，于是 RAID 變成了獨立磁盤冗余陣列（ Redundant Array of Independent Disks ）。但這僅僅是名稱的變化，實質內容沒有改變。 RAID技術作為高性能、高可靠的存儲技術，一經(jīng)提出，就得到了業(yè)界非常廣泛的認可和應用。 RAID主要利用數(shù)據(jù)條帶、鏡像和數(shù)據(jù)校驗技術來獲取高性能、可靠性、容錯能力和擴展性，根據(jù)運用或組合運用這三種技術的策略和架構，可以把RAID分為不同的等級，以滿足不同數(shù)據(jù)應用的需求。目前業(yè)界公認的標準是RAID0 ~ RAID5，除RAID2外的四個等級被定為工業(yè)標準，而在實際應用領域中使用最多的RAID等級是RAID0、RAID1、RAID3、RAID5、RAID6和RAID10。RAID每一個等級代表一種實現(xiàn)方法和技術，等級之間并無高低之分。在實際應用中，應當根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)應用特點，綜合考慮可用性、性能和成本來選擇合適的 RAID 等級，以及具體的實現(xiàn)方式。 從實現(xiàn)角度看，RAID主要分為軟RAID、硬RAID以及軟硬混合RAID三種。軟RAID所有功能均由操作系統(tǒng)和CPU來完成，沒有獨立的RAID控制/處理芯片和I/O處理芯片，效率自然最低。硬RAID配備了專門的RAID控制/處理芯片和I/O處理芯片以及陣列緩沖，不占用CPU資源，但成本很高。軟硬混合RAID具備RAID控制/處理芯片，但缺乏I/O處理芯片，需要CPU和驅動程序來完成，性能和成本在軟RAID和硬RAID之間。 -2- 基本原理 RAID是由多個獨立的高性能磁盤驅動器組成的磁盤子系統(tǒng)，從而提供比單個磁盤更高的存儲性能和數(shù)據(jù)冗余的技術。RAID的兩個關鍵目標是提高數(shù)據(jù)可靠性和I/O性能。磁盤陣列中，數(shù)據(jù)分散在多個磁盤中，然而對于計算機系統(tǒng)來說，就像一個單獨的磁盤。通過把相同數(shù)據(jù)同時寫入到多塊磁盤（典型的如鏡像），或者將計算的校驗數(shù)據(jù)寫入陣列中來獲得冗余能力，當單塊磁盤出現(xiàn)故障時可以保證不會導致數(shù)據(jù)丟失。有些RAID等級允許更多地磁盤同時發(fā)生故障，比如 RAID6，可以是兩塊磁盤同時損壞。在這樣的冗余機制下，可以用新磁盤替換故障磁盤，RAID會自動根據(jù)剩余磁盤中的數(shù)據(jù)和校驗數(shù)據(jù)重建丟失的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)一致性和完整性。數(shù)據(jù)分散保存在RAID中的多個不同磁盤上，并發(fā)數(shù)據(jù)讀寫要大大優(yōu)于單個磁盤，因此可以獲得更高的聚合I/O帶寬。當然，磁盤陣列會減少全體磁盤的總可用存儲空間，犧牲空間換取更高的可靠性和性能。比如， RAID1存儲空間利用率僅有50%，RAID5會損失其中一個磁盤的存儲容量，空間利用率為(n-1)/n 。 RAID技術的主要優(yōu)勢 >. 大容量 擴大了磁盤的容量，由多個磁盤組成的 RAID 系統(tǒng)具有海量的存儲空間。 >. 高性能 通過數(shù)據(jù)條帶化， RAID 將數(shù)據(jù) I/O 分散到各個成員磁盤上，從而獲得比單個磁盤成倍增長的聚合 I/O 性能。 >. 可靠性 RAID采用鏡像和數(shù)據(jù)校驗等數(shù)據(jù)冗余技術，大幅提升數(shù)據(jù)可用性和可靠性，保證了若干磁盤出錯時，不會導致數(shù)據(jù)的丟失，不影響系統(tǒng)的連續(xù)運行。 >. 可管理性 對于外部主機系統(tǒng)來說，RAID是一個單一的、快速可靠的大容量磁盤驅動器。由于RAID內部完成了大量的存儲管理工作，管理員只需要管理單個虛擬驅動器，可以節(jié)省大量的管理工作。RAID可以動態(tài)增減磁盤驅動器，可自動進行數(shù)據(jù)校驗和數(shù)據(jù)重建，這些都可以大大簡化管理工作。 -3- RAID主要使用的技術 RAID中主要有三個關鍵概念和技術：鏡像（Mirroring）、數(shù)據(jù)條帶（Data Stripping）和數(shù)據(jù)校驗（Data parity）。 鏡像 鏡像是一種冗余技術，為磁盤提供保護功能，防止磁盤發(fā)生故障而造成數(shù)據(jù)丟失。采用鏡像技術將會同時在陣列中產(chǎn)生兩個完全相同的數(shù)據(jù)副本，分布在兩個不同的磁盤驅動器組上。鏡像提供了完全的數(shù)據(jù)冗余能力，當一個數(shù)據(jù)副本失效不可用時，外部系統(tǒng)仍可正常訪問另一副本，不會對應用系統(tǒng)運行和性能產(chǎn)生影響。而且，鏡像不需要額外的計算和校驗，故障修復非常快，直接復制即可。鏡像技術可以從多個副本進行并發(fā)讀取數(shù)據(jù)，提供更高的讀I/O性能，但不能并行寫數(shù)據(jù)，寫多個副本會會導致一定的I/O性能降低。 鏡像技術提供了非常高的數(shù)據(jù)安全性，其代價也是非常昂貴的，需要至少雙倍的存儲空間。高成本限制了鏡像的廣泛應用，主要應用于至關重要的數(shù)據(jù)保護，這種場合下數(shù)據(jù)丟失會造成巨大的損失。 數(shù)據(jù)條帶 磁盤存儲的性能瓶頸在于磁頭尋道定位，它是一種慢速機械運動，無法與高速的 CPU 匹配。RAID由多塊磁盤組成，數(shù)據(jù)條帶技術將數(shù)據(jù)以塊的方式分布存儲在多個磁盤中，從而可以對數(shù)據(jù)進行并發(fā)處理。這樣寫入和讀取數(shù)據(jù)就可以在多個磁盤上同時進行，并發(fā)產(chǎn)生非常高的聚合I/O，有效提高了整體I/O性能，而且具有良好的線性擴展性。這對大容量數(shù)據(jù)尤其顯著，如果不分塊，數(shù)據(jù)只能按順序存儲在磁盤陣列的磁盤上，需要時再按順序讀取。而通過條帶技術，可獲得數(shù)倍與順序訪問的性能提升。 數(shù)據(jù)條帶是基于提高I/O性能而提出的，也就是說它只關注性能，而對數(shù)據(jù)可靠性、可用性沒有任何改善。實際上，其中任何一個數(shù)據(jù)條帶損壞都會導致整個數(shù)據(jù)不可用，采用數(shù)據(jù)條帶技術反而增加了數(shù)據(jù)發(fā)生丟失的概念率。 數(shù)據(jù)校驗 鏡像具有高安全性、高讀性能，但冗余開銷太昂貴。數(shù)據(jù)條帶通過并發(fā)性來大幅提高性能，然而對數(shù)據(jù)安全性、可靠性未作考慮。數(shù)據(jù)校驗是一種冗余技術，它用校驗數(shù)據(jù)來提供數(shù)據(jù)的安全，可以檢測數(shù)據(jù)錯誤，并在能力允許的前提下進行數(shù)據(jù)重構。相對鏡像，數(shù)據(jù)校驗大幅縮減了冗余開銷，用較小的代價換取了極佳的數(shù)據(jù)完整性和可靠性。數(shù)據(jù)條帶技術提供高性能，數(shù)據(jù)校驗提供數(shù)據(jù)安全性， RAID不同等級往往同時結合使用這兩種技術。 采用數(shù)據(jù)校驗時，RAID要在寫入數(shù)據(jù)同時進行校驗計算，并將得到的校驗數(shù)據(jù)存儲在RAID成員磁盤中。校驗數(shù)據(jù)可以集中保存在某個磁盤或分散存儲在多個不同磁盤中，甚至校驗數(shù)據(jù)也可以分塊，不同 RAID 等級實現(xiàn)各不相同。當其中一部分數(shù)據(jù)出錯時，就可以對剩余數(shù)據(jù)和校驗數(shù)據(jù)進行反校驗計算重建丟失的數(shù)據(jù)。校驗技術相對于鏡像技術的優(yōu)勢在于節(jié)省大量開銷，但由于每次數(shù)據(jù)讀寫都要進行大量的校驗運算，對計算機的運算速度要求很高，在數(shù)據(jù)重建恢復方面，檢驗技術比鏡像技術復雜得多且慢得多。 -4- RAID等級 4.1 JBOD JBOD（Just a Bunch Of Disks）不是標準的 RAID 等級，它通常用來表示一個沒有控制軟件提供協(xié)調控制的磁盤集合。JBOD將多個物理磁盤串聯(lián)起來，提供一個巨大的邏輯磁盤。數(shù)據(jù)存放機制是由第一塊磁盤開始按順序往后存儲，當前磁盤存儲空間用完后，再依次往后面的磁盤存儲數(shù)據(jù)。JBOD存儲性能完全等同于單塊磁盤，而且也不提供數(shù)據(jù)安全保護。它只是簡單提供一種擴展存儲空間的機制，JBOD可用存儲容量等于所有成員磁盤的存儲空間之和。目前JBOD常指磁盤柜，而不論其是否提供RAID功能。 4.2 RAID0 RAID0是一種簡單的、無數(shù)據(jù)校驗的數(shù)據(jù)條帶化技術。實際上不是一種真正的RAID，因為它并不提供任何形式的冗余策略。 RAID0將所在磁盤條帶化后組成大容量的存儲空間，將數(shù)據(jù)分散存儲在所有磁盤中，以獨立訪問方式實現(xiàn)多塊磁盤的并讀訪問。由于可以并發(fā)執(zhí)行I/O操作，總線帶寬得到充分利用。再加上不需要進行數(shù)據(jù)校驗，RAID0的性能在所有RAID等級中是最高的。理論上講，一個由n塊磁盤組成的RAID0，它的讀寫性能是單個磁盤性能的n倍，但由于總線帶寬等多種因素的限制，實際的性能提升低于理論值。 RAID0具有低成本、高讀寫性能、100%的高存儲空間利用率等優(yōu)點，但是它不提供數(shù)據(jù)冗余保護，一旦數(shù)據(jù)損壞，將無法恢復。 因此，RAID0一般適用于對性能要求嚴格但對數(shù)據(jù)安全性和可靠性不高的應用，如視頻、音頻存儲、臨時數(shù)據(jù)緩存空間等。 4.3 RAID1 RAID1稱為鏡像，它將數(shù)據(jù)完全一致地分別寫到工作磁盤和鏡像磁盤，它的磁盤空間利用率為50%。RAID1在數(shù)據(jù)寫入時，響應時間會有所影響，但是讀數(shù)據(jù)的時候沒有影響。RAID1提供了最佳的數(shù)據(jù)保護，一旦工作磁盤發(fā)生故障，系統(tǒng)自動從鏡像磁盤讀取數(shù)據(jù)，不會影響用戶工作。 RAID1與RAID0剛好相反，是為了增強數(shù)據(jù)安全性使兩塊 磁盤數(shù)據(jù)呈現(xiàn)完全鏡像，從而達到安全性好、技術簡單、管理方便。RAID1擁有完全容錯的能力，但實現(xiàn)成本高。RAID1 應用于對順序讀寫性能要求高以及對數(shù)據(jù)保護極為重視的應用，如對郵件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護。 4.4 RAID2 RAID2稱為糾錯海明碼磁盤陣列，其設計思想是利用海明碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)校驗冗余。海明碼是一種在原始數(shù)據(jù)中加入若干校驗碼來進行錯誤檢測和糾正的編碼技術。在RAID2中，數(shù)據(jù)按位存儲，每塊磁盤存儲一位數(shù)據(jù)編碼，磁盤數(shù)量取決于所設定的數(shù)據(jù)存儲寬度，可由用戶設定。下圖為數(shù)據(jù)寬度為4的RAID2，它需要4塊數(shù)據(jù)磁盤和3塊校驗磁盤。如果是64位數(shù)據(jù)寬度，則需要64塊數(shù)據(jù)磁盤和7塊校驗磁盤。可見，RAID2的數(shù)據(jù)寬度越大，存儲空間利用率越高，但同時需要的磁盤數(shù)量也越多。 但是，海明碼的數(shù)據(jù)冗余開銷太大，而且RAID2的數(shù)據(jù)輸出性能受陣列中最慢磁盤驅動器的限制。再者，海明碼是按位運算，RAID2數(shù)據(jù)重建非常耗時。由于這些顯著的缺陷，再加上大部分磁盤驅動器本身都具備了糾錯功能，因此RAID2在實際中很少應用，沒有形成商業(yè)產(chǎn)品，目前主流存儲磁盤陣列均不提供RAID2支持。 4.5 RAID3 RAID3是使用專用校驗盤的并行訪問陣列，它采用一個專用的磁盤作為校驗盤，其余磁盤作為數(shù)據(jù)盤，數(shù)據(jù)按位或字節(jié)的方式交叉存儲到各個數(shù)據(jù)盤中RAID3至少需要三塊磁盤，不同磁盤上同一帶區(qū)的數(shù)據(jù)作XOR校驗，校驗值寫入校驗盤中。RAID3完好時讀性能與RAID0完全一致，并行從多個磁盤條帶讀取數(shù)據(jù)，性能非常高，同時還提供了數(shù)據(jù)容錯能力。向RAID3寫入數(shù)據(jù)時，必須計算與所有同條帶的校驗值，并將新校驗值寫入校驗盤中。一次寫操作包含了寫數(shù)據(jù)塊、讀取同條帶的數(shù)據(jù)塊、計算校驗值、寫入校驗值等多個操作，系統(tǒng)開銷非常大，性能較低。 如果RAID3中某一磁盤出現(xiàn)故障，不會影響數(shù)據(jù)讀取，可以借助校驗數(shù)據(jù)和其他完好數(shù)據(jù)來重建數(shù)據(jù)。假如所要讀取的數(shù)據(jù)塊正好位于失效磁盤，則系統(tǒng)需要讀取所有同一條帶的數(shù)據(jù)塊，并根據(jù)校驗值重建丟失的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)性能將受到影響。當故障磁盤被更換后，系統(tǒng)按相同的方式重建故障盤中的數(shù)據(jù)至新磁盤。 RAID3只需要一個校驗盤，陣列的存儲空間利用率高，再加上并行訪問的特征，能夠為高帶寬的大量讀寫提供高性能，適用大容量數(shù)據(jù)的順序訪問應用，如影像處理、流媒體服務等。 4.6 RAID4 RAID4與RAID3的原理大致相同，區(qū)別在于條帶化的方式不同。 RAID4按照塊的方式來組織數(shù)據(jù)，寫操作只涉及當前數(shù)據(jù)盤和校驗盤兩個盤，多個I/O請求可以同時得到處理，提高了系統(tǒng)性能。RAID4按塊存儲可以保證單塊的完整性，可以避免受到其他磁盤上同條帶產(chǎn)生的不利影響。 RAID4 在不同磁盤上的同級數(shù)據(jù)塊同樣使用 XOR 校驗，結果存儲在校驗盤中。寫入數(shù)據(jù)時，RAID4按這種方式把各磁盤上的同級數(shù)據(jù)的校驗值寫入校驗 盤，讀取時進行即時校驗。因此，當某塊磁盤的數(shù)據(jù)塊損壞，RAID4可以通過校驗值以及其他磁盤上的同級數(shù)據(jù)塊進行數(shù)據(jù)重建。 RAID4提供了非常好的讀性能，但單一的校驗盤往往成為系統(tǒng)性能的瓶頸。對于寫操作，RAID4只能一個磁盤一個磁盤地寫，并且還要寫入校驗數(shù)據(jù)，因此寫性能比較差。而且隨著成員磁盤數(shù)量的增加，校驗盤的系統(tǒng)瓶頸將更加突出。正是如上這些限制和不足，RAID4在實際應用中很少見，主流存儲產(chǎn)品也很少使用RAID4保護。 4.7 RAID5 RAID5 應該是目前最常見的RAID等級，它的原理與RAID4相似，區(qū)別在于校驗數(shù)據(jù)分布在陣列中的所有磁盤上，而沒有采用專門的校驗磁盤。對于數(shù)據(jù)和校驗數(shù)據(jù)，它們的寫操作可以同時發(fā)生在完全不同的磁盤上。因此RAID5不存在RAID4中的并發(fā)寫操作時的校驗盤性能瓶頸問題。另外，RAID5還具備很好的擴展性。當陣列磁盤數(shù)量增加時，并行操作量的能力也隨之增長。 RAID5的磁盤上同時存儲數(shù)據(jù)和校驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)塊和對應的校驗信息存保存在不同的磁盤上，當一個數(shù)據(jù)盤損壞時，系統(tǒng)可以根據(jù)同一條帶的其他數(shù)據(jù)塊和對應的校驗數(shù)據(jù)來重建損壞的數(shù)據(jù)。與其他RAID等級一樣，重建數(shù)據(jù)時， RAID5 的性能會受到較大的影響。 RAID5兼顧存儲性能、數(shù)據(jù)安全和存儲成本等各方面因素，它可以理解為RAID0和RAID1的折中方案，是目前綜合性能最佳的數(shù)據(jù)保護解決方案。RAID5基本上可以滿足大部分的存儲應用需求，數(shù)據(jù)中心大多采用它作為應用數(shù)據(jù)的保護方案。 4.8 RAID6 前面所述的各個RAID等級都只能保護因單個磁盤失效而造成的數(shù)據(jù)丟失。如果兩個磁盤同時發(fā)生故障，數(shù)據(jù)將無法恢復。RAID6引入雙重校驗的概念，它可以保護陣列中同時出現(xiàn)兩個磁盤失效時，陣列仍能夠繼續(xù)工作，不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。RAID6等級是在RAID5的基礎上為了進一步增強數(shù)據(jù)保護而設計的一種RAID方式，它可以看作是一種擴展的RAID5等級。 RAID6不僅要支持數(shù)據(jù)的恢復，還要支持校驗數(shù)據(jù)的恢復，因此實現(xiàn)代價很高，控制器的設計也比其他等級更復雜、更昂貴。 RAID6 思想最常見的實現(xiàn)方式是采用兩個獨立的校驗算法，假設稱為P和Q，校驗數(shù)據(jù)可以分別存儲在兩個不同的校驗盤上，或者分散存儲在所有成員磁盤中。當兩個磁盤同時失效時，即可通過求解兩元方程來重建兩個磁盤上的數(shù)據(jù)。 RAID6具有快速的讀取性能、更高的容錯能力。但是，它的成本要高于RAID5許多，寫性能也較差，并且設計和實施非常復雜。因此，RAID6很少得到實際應用，主要用于對數(shù)據(jù)安全等級要求非常高的場合。它一般是替代 RAID10 方案的經(jīng)濟性選擇。 -5- RAID等級的選擇 RAID等級的選擇主要有三個因素，即數(shù)據(jù)可用性、I/O性能和成本。在實際應用中常見的主流RAID等級是RAID0，RAID1，RAID3，RAID5，RAID6等，它們之間的技術對比情況如下表所示。如果不要求可用性，選擇RAID0以獲得高性能。如果可用性和性能是重要的，而成本不是一個主要因素，則可以選擇RAID1。如果可用性，成本和性能都同樣重要，則根據(jù)一般的數(shù)據(jù)傳輸和磁盤數(shù)量選擇RAID3或RAID5。在實際應用中，應當根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)應用特點和具體情況，綜合考慮可用性、性能和成本來選擇合適的RAID等級。 下一篇服務器概念及分類 |
