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详解RAID磁盘阵列

磁盘阵列原理

        我们在一般服务器构建的时候经常会用到磁盘阵列(Redundant Arrays of Inexpensive Disks,RAID),磁盘阵列有“价格便宜且多余的磁盘阵列”之意。原理是利用数组方式来作磁盘组,配合数据分散排列的设计,提升数据的安全性。磁盘阵列是由很多便宜、容量较小、稳定性较高、速度较慢磁盘,组合成一个大型的磁盘组,利用个别磁盘提供数据所产生加成效果提升整个磁盘系统效能。同时利用这项技术,将数据切割成许多区段,分别存放在各个硬盘上。磁盘阵列还能利用同位检查(Parity Check)的观念,在数组中任一颗硬盘故障时,仍可读出数据,在数据重构时,将数据经计算后重新置入新硬盘中。

磁盘阵列样式

           磁盘阵列其样式有三种,一是外接式磁盘阵列柜、二是内接式磁盘阵列卡,三是利用软件来仿真。外接式磁盘阵列柜最常被使用大型服务器上,具可热抽换(Hot Swap)的特性,不过这类产品的价格都很贵。内接式磁盘阵列卡,因为价格便宜,但需要较高的安装技术,适合技术人员使用操作。利用软件仿真的方式,由于会拖累机器的速度,不适合大数据流量的服务器。

缓存作用

            磁盘阵列作为独立系统在主机外直连或通过网络与主机相连。磁盘阵列有多个端口可以被不同主机或不同端口连接。一个主机连接阵列的不同端口可提升传输速度。和目前PC用单磁盘内部集成缓存一样,在磁盘阵列内部为加快与主机交互速度,都带有一定量的缓冲存储器。主机与磁盘阵列的缓存交互,缓存与具体的磁盘交互数据。在应用中,有部分常用的数据是需要经常读取的,磁盘阵列根据内部的算法,查找出这些经常读取的数据,存储在缓存中,加快主机读取这些数据的速度,而对于其他缓存中没有的数据,主机要读取,则由阵列从磁盘上直接读取传输给主机。对于主机写入的数据,只写在缓存中,主机可以立即完成写操作。然后由缓存再慢慢写入磁盘。

阵列优点

            提高传输速率。RAID通过在多个磁盘上同时存储和读取数据来大幅提高存储系统的数据吞吐量(Throughput)。在RAID中,可以让很多磁盘驱动器同时传输数据,而这些磁盘驱动器在逻辑上又是一个磁盘驱动器,所以使用RAID可以达到单个磁盘驱动器几倍、几十倍甚至上百倍的速率。这也是RAID最初想要解决的问题。因为当时CPU的速度增长很快,而磁盘驱动器的数据传输速率无法大幅提高,所以需要有一种方案解决二者之间的矛盾。RAID最后成功了。

            通过数据校验提供容错功能。普通磁盘驱动器无法提供容错功能,如果不包括写在磁盘上的CRC(循环冗余校验)码的话。RAID容错是建立在每个磁盘驱动器的硬件容错功能之上的,所以它提供更高的安全性。在很多RAID模式中都有较为完备的相互校验/恢复的措施,甚至是直接相互的镜像备份,从而大大提高了RAID系统的容错度,提高了系统的稳定冗余性。
磁盘阵列规范

RAID技术主要包含RAID 0~RAID 50等数个规范,它们的侧重点各不相同,常见的规范有如下几种:

RAID 0:RAID 0连续以位或字节为单位分割数据,并行读/写于多个磁盘上,因此具有很高的数据传输率,但它没有数据冗余,因此并不能算是真正的RAID结构。RAID 0只是单纯地提高性能,并没有为数据的可靠性提供保证,而且其中的一个磁盘失效将影响到所有数据。因此,RAID 0不能应用于数据安全性要求高的场合。

RAID 1:它是通过磁盘数据镜像实现数据冗余,在成对的独立磁盘上产生互为备份的数据。当原始数据繁忙时,可直接从镜像拷贝中读取数据,因此RAID 1可以提高读取性能。RAID 1是磁盘阵列中单位成本最高的,但提供了很高的数据安全性和可用性。当一个磁盘失效时,系统可以自动切换到镜像磁盘上读写,而不需要重组失效的数据。

RAID 0+1: 也被称为RAID 10标准,实际是将RAID 0和RAID 1标准结合的产物,在连续地以位或字节为单位分割数据并且并行读/写多个磁盘的同时,为每一块磁盘作磁盘镜像进行冗余。它的优点是同时拥有RAID 0的超凡速度和RAID 1的数据高可靠性,但是CPU占用率同样也更高,而且磁盘的利用率比较低。

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:RAID 5不单独指定的奇偶盘,而是在所有磁盘上交叉地存取数据及奇偶校验信息。在RAID 5上,读/写指针可同时对阵列设备进行操作,提供了更高的数据流量。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。

 

RAID 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。

 

RAID 5E(RAID 5 Enhencement): RAID 5E是在RAID 5级别基础上的改进,与RAID 5类似,数据的校验信息均匀分布在各硬盘上,但是,在每个硬盘上都保留了一部分未使用的空间,这部分空间没有进行条带化,最多允许两块物理硬盘出现故障。看起来,RAID 5E和RAID 5加一块热备盘好象差不多,其实由于RAID 5E是把数据分布在所有的硬盘上,性能会比RAID5 加一块热备盘要好。当一块硬盘出现故障时,有故障硬盘上的数据会被压缩到其它硬盘上未使用的空间,逻辑盘保持RAID 5级别。

 

RAID 5EE: 与RAID 5E相比,RAID 5EE的数据分布更有效率,每个硬盘的一部分空间被用作分布的热备盘,它们是阵列的一部分,当阵列中一个物理硬盘出现故障时,数据重建的速度会更快。

 
RAID 50:RAID50是RAID5与RAID0的结合。此配置在RAID5的子磁盘组的每个磁盘上进行包括奇偶信息在内的数据的剥离。每个RAID5子磁盘组要求三个硬盘。RAID50具备更高的容错能力,因为它允许某个组内有一个磁盘出现故障,而不会造成数据丢失。而且因为奇偶位分部于RAID5子磁盘组上,故重建速度有很大提高。优势:更高的容错能力,具备更快数据读取速率的潜力。需要注意的是:磁盘故障会影响吞吐量。故障后重建信息的时间比镜像配置情况下要长。
最终实现

          磁盘阵列有两种方式可以实现,那就是“软件阵列”与“硬件阵列”。

          软件阵列是指通过网络操作系统自身提供的磁盘管理功能将连接的普通SCSI卡上的多块硬盘配置成逻辑盘,组成阵列。软件阵列可以提供数据冗余功能,但是磁盘子系统的性能会有所降低,有的降低幅度还比较大,达30%左右。
 
      硬件阵列是使用专门的磁盘阵列卡来实现的。硬件阵列能够提供在线扩容、动态修改阵列级别、自动数据恢复、驱动器漫游、超高速缓冲等功能。它能提供性能、数据保护、可靠性、可用性和可管理性的解决方案。阵列卡专用的处理单元来进行操作,它的性能要远远高于常规非阵列硬盘,并且更安全更稳定。
 

  磁盘阵列其实也分为软阵列 (Software Raid)和硬阵列 (Hardware Raid) 两种. 软阵列即通过软件程序并由计算机的 CPU提供运行能力所成. 由于软件程式不是一个完整系统故只能提供最基本的 RAID容错功能. 其他如热备用硬盘的设置, 远程管理等功能均一一欠奉. 硬阵列是由独立操作的硬件提供整个磁盘阵列的控制和计算功能. 不依靠系统的CPU资源.

  由于硬阵列是一个完整的系统, 所有需要的功能均可以做进去. 所以硬阵列所提供的功能和性能均比软阵列好. 而且, 如果你想把系统也做到磁盘阵列中, 硬阵列是唯一的选择. 故我们可以看市场上 RAID 5 级的磁盘阵列均为硬阵列. 软 阵列只适用于 Raid 0 和 Raid 1. 对于我们做镜像用的镜像塔, 肯定不会用 Raid 0或 Raid 1。作为高性能的存储系统,已经得到了越来越广泛的应用。RAID的级别从RAID概念的提出到现在,已经发展了六个级别, 其级别分别是0、1、2、3、4、5等。但是最常用的是0、1、3、5四个级别

网友评论4

  1. 板凳
    番茄:

    不太懂,学习一下!

    2013-07-29 下午 9:16 [回复]
    • 心生丶:

      等你什么时候接触硬件了就懂了。

      2013-07-29 下午 9:25 [回复]
  2. 沙发
    tiandi:

    R5之后的都没怎么接触过。

    2013-07-31 下午 3:22 [回复]
    • Leaves:

      常见的就是0、1、3、5其他的基本上很少。

      2013-07-31 下午 4:11 [回复]

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