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  • 冗余磁盘阵列-RAID

    1.RAID概述
          RAID(Redundant Array of Independent Disk),冗余磁盘阵列。冗余磁盘阵列技术诞生于1987年,由美国加州大学伯克利分校提出。简单地解释,就是将多个磁盘通过RAID控制器(RAID Controller)结合成虚拟单台大容量的磁盘使用,利用重复的磁盘来处理数据,使数据的稳定性得到提高。
          磁盘阵列分为 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。由于软件程序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。
          冗余磁盘阵列技术最初的研制目的是为了组合小的廉价磁盘来代替大的昂贵磁盘,以降低大批量数据存储的费用,同时也希望采用冗余信息的方式,使得磁盘失效时不会使对数据的访问受损失,从而开发出一定水平的数据保护技术,并且能适当的提升数据传输速度。
          过去RAID一直是高档服务器才有缘享用,一直作为高档SCSI硬盘配套技术作应用。近来随着技术的发展和产品成本的不断下降,IDE硬盘性能有了很大提升,加之RAID芯片的普及,使得RAID也逐渐在个人电脑上得到应用。
    2.RAID的功能
          扩大了存储能力 可由多个硬盘组成容量巨大的存储空间。
          降低了单位容量的成本 市场上最大容量的硬盘每兆容量的价格要大大高于普及型硬盘,因此采用多个普及型硬盘组成的阵列其单位价格要低得多。
          提高了存储速度 单个硬盘速度的提高均受到各个时期的技术条件限制,要更进一步往往是很困难的,而使用RAID,则可以让多个硬盘同时分摊数据的读或写操作,因此整体速度有成倍地提高。
          可靠性 RAID系统可以使用两组硬盘同步完成镜像存储,这种安全措施对于网络服务器来说是最重要不过的了。
          容错性 RAID控制器的一个关键功能就是容错处理。容错阵列中如有单块硬盘出错,不会影响到整体的继续使用,高级RAID控制器还具有拯救功能。
    3.RAID的技术规范
          RAID主要包含RAID 0~RAID 7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:无差错控制的带区组
       要实现RAID 0必须要有两个以上硬盘驱动器,RAID 0实现了带区组,数据并不是保存在一个硬盘上,而是分成数据块保存在不同驱动器上。因为将数据分布在不同驱动器上,所以数据吞吐率大大提高,驱动器的负载也比较平衡。如果刚好所需要的数据在不同的驱动器上效率最好。它不需要计算校验码,实现容易。它的缺点是它没有数据差错控制,如果一个驱动器中的数据发生错误,即使其它盘上的数据正确也无济于事了。不应该将它用于对数据稳定性要求高的场合。如果用户进行图象(包括动画)编辑和其它要求传输比较大的场合使用RAID 0比较合适。同时,RAID可以提高数据传输速率,比如所需读取的文件分布在两个硬盘上,这两个硬盘可以同时读取。那么原来读取同样文件的时间被缩短为1/2。在所有的级别中,RAID  0的速度是最快的。但是RAID 0没有冗余功能的,如果一个磁盘(物理)损坏,则所有的数据都无法使用。
          RAID 1:镜象结构
          对于使用RAID 1结构的设备来说,RAID控制器必须能够同时对两个盘进行读操作和对两个镜象盘进行写操作。
    RAID1
          通过结构图也可以看到必须有两个驱动器。因为是镜象结构在一组盘出现问题时,可以使用镜象,提高系统的容错能力。它比较容易设计和实现。每读一次盘只能读出一块数据,也就是说数据块传送速率与单独的盘的读取速率相同。因为RAID 1的校验十分完备,因此对系统的处理能力有很大的影响,通常的RAID功能由软件实现,而这样的实现方法在服务器负载比较重的时候会大大影响服务器效率。当您的系统需要极高的可靠性时,如进行数据统计,那么使用RAID 1比较合适。而且 RAID 1技术支持“热替换”,即不断电的情况下对故障磁盘进行更换,更换完毕只要从镜像盘上恢复数据即可。当主硬盘损坏时,镜像硬盘就可以代替主硬盘工作。镜像硬盘相当于一个备份盘,可想而知,这种硬盘模式的安全性是非常高的, RAID 1的数据安全性在所有的RAID级别上来说是最好的。但是其磁盘的利用率却只有50%,是所有RAID级别中最低的。
          RAID2:带海明码校验
          从概念上讲,RAID 2 同RAID 3类似,两者都是将数据条块化分布于不同的硬盘上, 条块单位为位或字节。然而RAID 2 使用一定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。各个磁盘上的数据的各个位,由一个数据不同的位运算得到的海明校验码可以保存另一组磁盘上。由于海明码的特点,它可以在数据发生错误的情况下将 错误校正,以保证输出的正确。它的数据传送速率相当高,如果希望达到比较理想的速度,那最好提高保存校验码ECC码的硬盘,对于控制器的设计来说,它又比RAID 3、4或5要简单。要利用海明码,必须要付出数据冗余的代价。输出数据的速率与驱动器组中速度最慢的相等。
          RAID3:带奇偶校验码的并行传送RAID
          RAID 3这种校验码与RAID 2不同, 只能查错不能纠错。它访问数据时一次处理一个带区,这样可以提高读取和写入速度,它像RAID 0一样以并行的方式来存放数据,但速度没有RAID 0快。校验码在写入数据时产生并保存在另一个磁盘上。需要实现时用户 必须要有三个以上的驱动器,写入速率与读出速率都很高,因为校验位比较少,因此计算时间相对而言比较少。用软件实现RAID控制将是十分困难的,控制器的实现也不是很容易。它主要用于图形(包括动画)等要求吞吐率比较高的场合。不同于RAID 2,RAID 3使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,奇偶盘会成为写操作的瓶颈。利用单独的校验盘来保护数据虽然没有镜像的安全性高,但是硬盘利用率得到了很大的提高,为(N-1)/N。
          RAID 4:带奇偶校验码的独立磁盘结构
          RAID 4和RAID 3很像,不同的是,它 对数据的访问是按数据块进行的,也就是按磁盘进行的,每次是一个盘。在图上可以这么看,RAID 3是一次一横条,而RAID 4一次一竖条。它的特点的RAID 3也类似,不过在失败恢复时,它的难度可要比RAID 3大得多了,控制器的设计难度也要大许多,而且访问数据的效率不怎么好。
          RAID 5:分布式奇偶校验的独立磁盘结构
          从下面示意图上可以看到,它的 奇偶校验码存在于所有磁盘上。RAID5的读出效率很高,写入效率一般,块式的集体访问效率不错。因为奇偶校验码在不同的磁盘上,所以提高了可靠性,允许单个磁盘出错。RAID 5也是以数据的校验位来保证数据的安全,但它不是以单独硬盘来存放数据的校验位,而是将数据段的校验位交互存放于各个硬盘上。 RAID这样,任何一个硬盘损坏,都可以根据其它硬盘上的校验位来重建损坏的数据。但是它对数据传输的并行性解决不好,而且控制器的设计也相当困难。RAID 3 与RAID 5相比,重要的区别在于RAID 3每进行一次数据传输,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,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 5的话,优点是提供了冗余性(支持一块盘掉线后仍然正常运行),磁盘空间利用率较高,为(N-1)/N,读写速度较快(N-1倍)。但当掉盘之后,运行效率大幅下降。 
          RAID 5最大的好处是在一块盘掉线的情况下,RAID照常工作,相对于RAID 0必须每一块盘都正常才可以正常工作的状况容错性能好多了。因此RAID 5是RAID级别中最常见的一个类型。RAID 5校验位即P位是通过其它条带数据做异或求得的。计算公式为P=D0 xor D1 xor D2…xor Dn,其中P代表校验块,Dn代表相应的数据块,xor是数学运算符号异或。 RAID
          RAID 6:带有两种分布存储的奇偶校验码的独立磁盘结构
          RAID 6是对RAID 5的扩展,主要是 用于要求数据绝对不能出错的场合。由于引入了第二种奇偶校验值,所以需要N+2个磁盘,同时对控制器的设计变得十分复杂,写入速度也不好,用于计算奇偶校验值和验证数据正确性所花费的时间比较多,造成了不必须的负载。造价也十分昂贵。
         RAID 7:优化的高速数据传送磁盘结构
          RAID 7所有的I/O传送均是同步进行的,可以分别控制,这样提高了系统的并行性,提高系统访问数据的速度;每个磁盘都带有高速缓冲存储器,实时操作系统可以使用任何实时操作芯片,达到不同实时系统的需要。允许使用SNMP协议进行管理和监视,可以对校验区指定独立的传送信道以提高效率。可以连接多台主机,因为加入高速缓冲存储器,当多用户访问系统时,访问时间几乎接近于0。由于采用并行结构,因此数据访问效率大大提高。需要注意的是它引入了一个高速缓冲存储器,这有利有弊,因为一旦系统断电,在高速缓冲存储器内的数据就会全部丢失,因此需要和UPS一起工作。价格也非常昂贵。
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