RAID磁盤陣列

2024-06-28 13:26:01

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RAID磁盤陣列

RAID是Redundent Array of Inexpensive Disks的縮寫，直譯為“廉價冗余磁盤陣列”，也簡稱為“磁盤陣列”。后來RAID中的字母I被改作了Independent，RAID就成了“獨立冗余磁盤陣列“。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的加成效果來提升整個磁盤系統的效能。同時，在儲存數據時，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，將故障硬盤內的數據，經計算后重新置入新硬盤中。而磁盤陣列柜就是裝配了眾多硬盤的外置的RAID。

RAID優點：

（1）傳輸速率高。在部分RAID模式中，通過把數據分成多個數據塊（Block）并行寫入/讀出多個磁盤以提高訪問磁盤的速度，可以讓很多磁盤驅動器同時傳輸數據，而這些磁盤驅動器在邏輯上又是一個磁盤驅動器，所以使用RAID可以達到單個的磁盤驅動器幾倍的速率。因為CPU的速度增長很快，而磁盤驅動器的數據傳輸速率無法大幅提高，所以需要有一種方案解決二者之間的矛盾。（2）更高的安全性。相較于普通磁盤驅動器很多RAID模式都提供了多種數據修復功能，當RAID中的某一磁盤驅動器出現嚴重故障無法使用時，可以通過RAID中的其他磁盤驅動器來恢復此驅動器中的數據，而普通磁盤驅動器無法實現。

RAID分類：

RAID技術分為幾種不同的等級，分別可以提供不同的速度，安全性和性價比。根據實際情況選擇適當的RAID級別可以滿足用戶對存儲系統可用性、性能和容量的要求。常用的RAID級別有以下幾種：NRAID，JBOD，RAID0，RAID1，RAID0+1，RAID3，RAID5，RAID10等。目前經常使用的是RAID10，RAID5和RAID（0+1）。

RAID0技術

RAID0是最早出現的RAID模式，即Data Stripping數據分條技術。RAID 0是組建磁盤陣列中最簡單的一種形式，只需要2塊以上的硬盤即可，成本低，可以提高整個磁盤的性能和吞吐量。RAID0沒有提供冗余或錯誤修復能力，是實現成本是最低的。 RAID0最簡單的實現方式就是把N塊同樣的硬盤用硬件的形式通過智能磁盤控制器或用操作系統中的磁盤驅動程序以軟件的方式串聯在一起創建一個大的卷集。在使用中電腦數據依次寫入到各塊硬盤中，它的最大優點就是可以整倍的提高硬盤的容量。如使用了四塊80GB的硬盤組建成RAID0模式，那么磁盤容量就會是320GB。其速度方面，各單獨一塊硬盤的速度完全相同。最大的缺點在于任何一塊硬盤出現故障，整個系統將會受到破壞，可靠性僅為單獨一塊硬盤的1/N。

RAID1技術--鏡像（mirroring） RAID1稱為磁盤鏡像，原理是把一個磁盤的數據鏡像到另一個磁盤上，也就是說數據在寫入一塊磁盤的同時，會在另一塊閑置的磁盤上生成鏡像文件，在不影響性能情況下最大限度的保證系統的可靠性和可修復性上，只要系統中任何一對鏡像盤中至少有一塊磁盤可以使用，甚至可以在一半數量的硬盤出現問題時系統都可以正常運行,當一塊硬盤失效時，系統會忽略該硬盤，轉而使用剩余的鏡像盤讀寫數據，具備很好的磁盤冗余能力。雖然這樣對數據來講絕對安全，但是成本也會明顯增加，磁盤利用率為50%，以四塊80GB容量的硬盤來講，可利用的磁盤空間僅為160GB。另外，出現硬盤故障的RAID系統不再可靠，應當及時的更換損壞的硬盤，否則剩余的鏡像盤也出現問題，那么整個系統就會崩潰。更換新盤后原有數據會需要很長時間同步鏡像，外界對數據的訪問不會受到影響，只是這時整個系統的性能有所下降。因此，RAID1多用在保存關鍵性的重要數據的場合。

Matrix RAID技術

矩陣磁盤陣列。是Intel新近創立的一種針對SATA接口的專利RAID模式，特點是能在2個磁盤上同時實現RAID0與RAID1兩種模式，其工作原理是將2個磁盤中的每個磁盤的部分磁盤空間劃分出來組成RAID0或1，而將剩余空間組成RAID1或0。

MatrixRAID還有一個功能：支持RAID1陣列分區的“熱備份”硬盤。通常支持MatrixRAID功能的主板具有四個SATA接口，而建立一組MatrixRAID只需要兩塊硬盤，使用兩個SATA接口。另外兩個閑置的SATA接口就可以插上硬盤，啟動“熱備份”功能。當MatrixRAID系統中的一塊硬盤出現故障時，“熱備份”硬盤便會立刻接替它的工作，以保證RAID1陣列分區中數據的安全。由于RAID 0陣列分區中的數據在一塊硬盤崩潰的時候就已經損毀了，所以“熱備份”硬盤對RAID0陣列是無效的。

RAID3技術

RAID3是把數據分成多個“塊”，按照一定的容錯算法，存放在N+1個硬盤上，實際數據占用的有效空間為N個硬盤的空間總和，而第N+1個硬盤上存儲的數據是校驗容錯信息，當這N+1個硬盤中的其中一個硬盤出現故障時，從其它N個硬盤中的數據也可以恢復原始數據。也就是說：RAID3使用單塊磁盤存放奇偶校驗信息。如果一塊磁盤失效，奇偶盤及其他數據盤可以重新產生數據。如果奇偶盤失效，則不影響數據使用。RAID 3對于大量的連續數據可提供很好的傳輸率，但對于隨機數據，奇偶盤會成為寫操作的瓶頸。利用單獨的校驗盤來保護數據雖然沒有鏡像的安全性高，但是硬盤利用率得到了很大的提高，為(n-1)/n。

一般情況下，使用RAID3，安全性是可以得到保障的。與RAID0相比，RAID3在讀寫速度方面相對較慢。使用的容錯算法和分塊大小決定RAID使用的應用場合，在通常情況下，RAID3比較適合大文件類型且安全性要求較高的應用，如視頻編輯、硬盤播出機、大型數據庫等。

RAID5技術

RAID5 是一種存儲性能、數據安全和存儲成本兼顧的存儲解決方案。 RAID5可以理解為是RAID0和RAID1的折中方案。RAID5可以為系統提供數據安全保障，但保障程度要比Mirror低而磁盤空間利用率要比Mirror高。RAID5具有和RAID0相近似的數據讀取速度，只是多了一個奇偶校驗信息，寫入數據的速度比對單個磁盤進行寫入操作稍慢。同時由于多個數據對應一個奇偶校驗信息，RAID5的磁盤空間利用率要比RAID1高，存儲成本相對較低，是目前運用較多的一種解決方案。

RAID5把數據和相對應的奇偶校驗信息存儲到組成RAID5的各個磁盤上，并且奇偶校驗信息和相對應的數據分別存儲于不同的磁盤上，其中任意N-1塊磁盤上都存儲完整的數據，也就是說有相當于一塊磁盤容量的空間用于存儲奇偶校驗信息。因此當RAID5的一個磁盤發生損壞后，不會影響數據的完整性，從而保證了數據安全。當損壞的磁盤被替換后，RAID還會自動利用剩下奇偶校驗信息去重建此磁盤上的數據，來保持RAID5的高可靠性。

RAID7技術

RAID7這是一種新的RAID標準，其自身帶有智能化實時操作系統和用于存儲管理的軟件工具，可完全獨立于主機運行，不占用主機CPU資源。RAID7可以看作是一種存儲計算機(Storage Computer)，是一套實時事件驅動操作系統，主要用來進行系統初始化和安排RAID 7 磁盤陣列的所有數據傳輸，并把它們轉換到相應的物理存儲驅動器上。通過自身系統中的陣列電腦板來設定和控制讀寫速度，存儲計算機操作系統可使主機I/O 傳遞性能達到最佳。如果一個磁盤出現故障，還可自動執行恢復操作，并可管理備份磁盤的重建過程。RAID7 突破了以往RAID標準的技術架構，采用了非同步訪問，極大地減輕了數據寫瓶頸，提高了I/O 速度。

所謂非同步訪問，即RAID7 的每個I/O接口都有一條專用的高速通道，作為數據或控制信息的流通路徑，因此可獨立地控制自身系統中每個磁盤的數據存取。如果RAID7 有N個磁盤，那么除去一個校驗盤（用作冗余計算）外，可同時處理N－1個主機系統隨機發出的讀/寫指令，從而顯著地改善了I/O應用。RAID7系統內置實時操作系統還可自動對主機發送過來的讀/寫指令進行優化處理，以智能化方式將可能被讀取的數據預先讀入快速緩存中，從而大大減少了磁頭的轉動次數，提高了I/O速度。RAID7 可幫助用戶有效地管理日益龐大的數據存儲系統，并使系統的運行效率提高至少一倍以上,滿足了各類用戶的不同需求。

RAID7所有的I/O傳送均是同步進行的，可以分別控制，這樣提高了系統的并行性，提高系統訪問數據的速度；每個磁盤都帶有高速緩沖存儲器，實時操作系統可以使用任何實時操作芯片，達到不同實時系統的需要。需要注意的是它引入了一個高速緩沖存儲器，這有利有弊，因為一旦系統斷電，在高速緩沖存儲器內的數據就會全部丟失，因此需要和UPS一起工作。當然了，這么快的東西，價格也非常昂貴。

RAID10技術--高可靠性與高效磁盤結構

這種結構無非是一個帶區結構加一個鏡象結構，因為兩種結構各有優缺點，因此可以相互補充，達到既高效又高速還可以互為鏡像的目的。大家可以結合兩種結構的優點和缺點來理解這種新結構。這種新結構的價格高，可擴充性不好。主要用于容量不大，但要求速度和差錯控制的數據庫中。RAID10是先鏡射再分區數據。是將所有硬盤分為兩組，視為是RAID0的最低組合，然后將這兩組各自視為RAID1運作。RAID10有著不錯的讀取速度，而且擁有比RAID0更高的數據保護性。概述為“RAID0的高速和RAID1的安全”。