解析RAID技術基礎知識及應用

RAID已經是一種在服務器上廣泛應用的磁盤技術，磁盤陣列(Redundant Arrays of Inexpensive Disks，RAID)有“價格便宜且多余的磁盤陣列”之意，原理是利用數組方式來作磁盤組，配合數據分散排列的設計，提升數據的安全性。

　　磁盤陣列是由很多便宜、容量較小、穩定性較高、速度較慢磁盤，組合成一個大型的磁盤組，利用個別磁盤提供數據所產生加成效果提升整個磁盤系統效能。同時利用這項技術，將數據切割成許多區段，分別存放在各個硬盤上。磁盤陣列還能利用同位檢查(Parity Check)的觀念，在數組中任一顆硬盤故障時，仍可讀出數據，在數據重構時，將數據經計算后重新置入新硬盤中。RAID技術具體有怎樣的特點？有哪些級別？又常應用于哪些設備？CUer好好先生在ChinaUnix社區中發布了一篇“RAID技術基礎知識”帖子，以下引用了該帖子內容：

　　RAID技術基礎知識

　　RAID為Redundant Arrays of Independent Disks的簡稱，中文為廉價冗余磁盤陣列。在1987年由美國柏克萊大學提出RAID(Redundant Arrayof Inexpensive Disks)理論，作為高性能的存儲系統，巳經得到了越來越廣泛的應用。RAID的級別從RAID概念的提出到現在，巳經發展了多個級別，有明確標準級別分別是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、增加了執行效率，并提供了系統運行的穩定性。

　　標準的RAID寫操作，包括如：RAID4或RAID5中所必需的校驗計算，需包括以下幾個步驟：

　　(1)以校驗盤中讀取數據

　　(2)以目標數據盤中讀取數據

　　(3)以舊校驗數據，新數據及已存在數據，生成新的校驗數據

　　(4)將新校驗數據寫入校驗盤

　　(5)將新數據寫入目標數據盤

　　當主機將一個待寫入陣列RAID組中的數據發送到陣列時，陣列控制器將該數據保存在緩存中并立即報告主機該數據的寫入工作已完成。該數據寫入到陣列硬盤的工作由陣列控制器完成，該數據可繼續存放在Cache中直到Cache滿，而且要為新數據騰出空間而必須刷新時或陣列需停機時，控制器會及時將該數據從Cache寫入陣列硬盤中。

　　這種緩存回寫技術使得主機不必等待RAID校驗計算過程的完成，即可處理下一個讀寫任務，這樣，主機的讀寫效率大為增加。當主機命令將一個數據寫入硬盤，則陣列控制器將該數據寫入緩存最上面的位置，只有新數據才會被控制器按Write-Back Cache的方式最后寫入硬盤。

　　RAID級別

　　NRAID：

　　硬盤連續使用。NRAID意思是不使用RAID功能。它使用硬盤的總容量組成邏輯碟(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器上每顆硬盤都當作單獨的硬盤處理，因此每顆硬盤都被當作單顆獨立的邏輯碟使用。此外，JBOD并不提供資料備余的功能。

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

　　又稱數據分塊，即把數據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，這種技術又稱“Stripping”(即將數據條帶化)，這種把數據分布在多個盤上，在讀寫時是以并行的方式對各硬盤同時進行操作。從理論上講，其容量和數據傳輸率是單個硬盤的N倍。N為構成RAID0的硬盤總數。當然，若陣列控制器有多個硬盤通道時，對多個通道上的硬盤進行RAID0操作，I/O性能會更高。因此常用于圖象，視頻等領域，RAID0 I/O傳輸率較高，但平均故障時間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。即每個工作盤都有一個鏡像盤，每次寫數據時必須同時寫入鏡像盤，讀數據時只從工作盤讀出，一旦工作盤發生故障立即轉入鏡像盤，從鏡像盤中讀出數據。當更換故障盤后，數據可以重構，恢復工作盤正確數據，這種陣列可靠性很高，但其有效容量減小到總容量一半以下，因此RAID1常用于對容錯要求極嚴的應用場合，如財政、金融等領域。

　　RAID (0+1)：

　　結合了RAID 0 和 RAID 1—條塊化讀寫的同時使用鏡像操作。RAID(0+1)允許多個硬盤損壞，因為它完全使用硬盤來實現資料備余。如果有超過兩個硬盤做RAID 1，系統會自動實現RAID (0+1)。

　　RAID2：

　　又稱位交叉，它采用漢明碼作盤錯校驗，采用按位交叉存取，運用于大數據的讀寫，但冗余信息開銷太大(校驗盤為多個)，已被淘汰。

　　RAID3：RAID 3 - Parallel Disk Array

　　為單盤容錯并行傳輸。即采用Stripping技術將數據分塊，對這些塊進行異或校驗，校驗數據寫到最后一個硬盤上。它的特點是有一個盤為校驗盤，數據以位或字節的方式存于各盤(分散記錄在組內相同扇區的各個硬盤上)。當一個硬盤發生故障，除故障盤外，寫操作將繼續對數據盤和校驗盤進行操作。而讀操作是通過對剩余數據盤和校驗盤的異或計算重構故障盤上應有的數據來進行的。RAID3的優點是并行I/O傳輸和單盤容錯，具有很高可靠性。缺點：每次讀寫要牽動整個組，每次只能完成一次I/O。

　　RAID4：

　　與RAID3相似，區別是：RAID3是按位或字節交叉存取，而RAID4是按塊(扇區)存取，可以單獨地對某個盤進行操作，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(一塊數據盤，一塊校驗盤)即可，從而提高了小量數據I/O速度。缺點：對于隨機分散的小數據量I/O，固定的校驗盤又成為I/O瓶頸，例如：事務處理。作兩個很小的寫操作，一個寫在drive2的stripe1 上，一個寫在drive3的stripe2上，它們都要往校驗盤上寫，所以發生爭用校驗盤的問題。

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

　　是一種旋轉奇偶校驗獨立存取的陣列方式，它與RAID3，RAID4不同的是沒有固定的校驗盤，而是按某種規則把奇偶校驗信息均勻地分布在陣列所屬的硬盤上，所以在每塊硬盤上，既有數據信息也有校驗信息。這一改變解決了爭用校驗盤的問題，使得在同一組內并發進行多個寫操作。所以RAID5即適用于大數據量的操作，也適用于各種事務處理，它是一種快速、大容量和容錯分布合理的磁盤陣列。當有N塊陣列盤時，用戶空間為N-1塊盤容量。

　　RAID3、RAID5中，在一塊硬盤發生故障后，RAID組從ONLINE變為DEGRADED方式，但I/O讀寫不受影響，直到故障盤恢復。但如果DEGRADED狀態下，又有第二塊盤故障，整個RAID組的數據將丟失。

　　RAID技術的應用

　　DAS--direct access storage device直接訪問存儲設備

　　DAS是磁盤存儲設備的術語，以前被用在大、中型機上。使用在PC機上還包括硬盤設備DAS的最新形式是RAID。“直接訪問”指訪問所有數據的時間是相同的。

　　NAS--Network Attached Storage網絡附加存儲設備

　　一種特殊目的的服務器,它具有嵌入式的軟件系統,可以通過網絡對個種的系統平臺提供文件共享服務。

　　SAN--Storage Area Networks存儲區域網

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

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