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標題: RAID 技術(shù)（轉載自眾里尋他千百度） [打印本頁(yè)]
作者: 龍軒兒    時(shí)間: 2011-8-8 10:31
標題: RAID 技術(shù)（轉載自眾里尋他千百度）
RAID是“Redundant Array of Independent Disk”的縮寫(xiě)，中文意思是獨立冗余磁盤(pán)陣列。冗余磁盤(pán)陣列技術(shù)誕生于1987年，由美國加州大學(xué)伯克利分校提出。簡(jiǎn)單地解釋?zhuān)褪菍臺硬盤(pán)通過(guò)RAID Controller（分Hardware，Software）結合成虛擬單臺大容量的硬盤(pán)使用。RAID的采用為存儲系統（或者服務(wù)器的內置存儲）帶來(lái)巨大利益，其中提高傳輸速率和提供容錯功能是最大的優(yōu)點(diǎn)。另外，raid還有殺蟲(chóng)劑品牌，法國特警隊伍名，游戲專(zhuān)有名詞等義項。
簡(jiǎn)介
　　RAID 1：鏡象結構
　　
   
raid1
對于使用這種RAID1結構的設備來(lái)說(shuō)，RAID控制器必須能夠同時(shí)對兩個(gè)盤(pán)進(jìn)行讀操作和對兩個(gè)鏡象盤(pán)進(jìn)行寫(xiě)操作。通過(guò)下面的結構圖您也可以看到必須有兩個(gè)驅動(dòng)器。因為是鏡象結構在一組盤(pán)出現問(wèn)題時(shí)，可以使用鏡象，提高系統的容錯能力。它比較容易設計和實(shí)現。每讀一次盤(pán)只能讀出一塊數據，也就是說(shuō)數據塊傳送速率與單獨的盤(pán)的讀取速率相同。因為RAID1的校驗十分完備，因此對系統的處理能力有很大的影響，通常的RAID功能由軟件實(shí)現，而這樣的實(shí)現方法在服務(wù)器負載比較重的時(shí)候會(huì )大大影響服務(wù)器效率。當您的系統需要極高的可靠性時(shí)，如進(jìn)行數據統計，那么使用RAID1比較合適。而且RAID1技術(shù)支持“熱替換”，即不斷電的情況下對故障磁盤(pán)進(jìn)行更換，更換完畢只要從鏡像盤(pán)上恢復數據即可。當主硬盤(pán)損壞時(shí)，鏡像硬盤(pán)就可以代替主硬盤(pán)工作。鏡像硬盤(pán)相當于一個(gè)備份盤(pán)，可想而知，這種硬盤(pán)模式的安全性是非常高的，RAID 1的數據安全性在所有的RAID級別上來(lái)說(shuō)是最好的。但是其磁盤(pán)的利用率卻只有50%，是所有RAID級別中最低的。
RAID2：帶海明碼校驗
　　從概念上講，RAID 2 同RAID 3類(lèi)似，兩者都是將數據條塊化分布于不同的硬盤(pán)上， 條塊單位為位或字
   
節。然而RAID 2 使用一定的編碼技術(shù)來(lái)提供錯誤檢查及恢復。這種編碼技術(shù)需要多個(gè)磁盤(pán)存放檢查及恢復信息，使得RAID 2技術(shù)實(shí)施更復雜。因此，在商業(yè)環(huán)境中很少使用。下圖右邊的各個(gè)磁盤(pán)上是數據的各個(gè)位，由一個(gè)數據不同的位運算得到的海明校驗碼可以保存另一組磁盤(pán)上，具體情況請見(jiàn)下圖。由于海明碼的特點(diǎn)，它可以在數據發(fā)生錯誤的情況下將錯誤校正，以保證輸出的正確。它的數據傳送速率相當高，如果希望達到比較理想的速度，那最好提高保存校驗碼ECC碼的硬盤(pán)，對于控制器的設計來(lái)說(shuō)，它又比RAID3，4或5要簡(jiǎn)單。沒(méi)有免費的午餐，這里也一樣，要利用海明碼，必須要付出數據冗余的代價(jià)。輸出數據的速率與驅動(dòng)器組中速度最慢的相等。
RAID3：帶奇偶校驗碼的并行傳送
　　
   
raid3
這種校驗碼與RAID2不同，只能查錯不能糾錯。它訪(fǎng)問(wèn)數據時(shí)一次處理一個(gè)帶區，這樣可以提高讀取和寫(xiě)入速度,它像RAID 0一樣以并行的方式來(lái)存放數據，但速度沒(méi)有RAID 0快。校驗碼在寫(xiě)入數據時(shí)產(chǎn)生并保存在另一個(gè)磁盤(pán)上。需要實(shí)現時(shí)用戶(hù)必須要有三個(gè)以上的驅動(dòng)器，寫(xiě)入速率與讀出速率都很高，因為校驗位比較少，因此計算時(shí)間相對而言比較少。用軟件實(shí)現RAID控制將是十分困難的，控制器的實(shí)現也不是很容易。它主要用于圖形（包括動(dòng)畫(huà)）等要求吞吐率比較高的場(chǎng)合。不同于RAID 2，RAID 3使用單塊磁盤(pán)存放奇偶校驗信息。如果一塊磁盤(pán)失效，奇偶盤(pán)及其他數據盤(pán)可以重新產(chǎn)生數據。如果奇偶盤(pán)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(pán)會(huì )成為寫(xiě)操作的瓶頸。利用單獨的校驗盤(pán)來(lái)保護數據雖然沒(méi)有鏡像的安全性高，但是硬盤(pán)利用率得到了很大的提高，為（n-1）/n。
RAID4：帶奇偶校驗碼的獨立磁盤(pán)結構
　　
   
raid4
RAID4和RAID3很象，不同的是，它對數據的訪(fǎng)問(wèn)是按數據塊進(jìn)行的，也就是按磁盤(pán)進(jìn)行的，每次是一個(gè)盤(pán)。在圖上可以這么看，RAID3是一次一橫條，而RAID4一次一豎條。它的特點(diǎn)的RAID3也挺象，不過(guò)在失敗恢復時(shí)，它的難度可要比RAID3大得多了，控制器的設計難度也要大許多，而且訪(fǎng)問(wèn)數據的效率不怎么好。
RAID5：分布式奇偶校驗的獨立磁盤(pán)結構
　　
   
RAID5清晰圖片
從它的示意圖上可以看到，它的奇偶校驗碼存在于所有磁盤(pán)上，其中的p0代表第0帶區的奇偶校驗值，其它的意思也相同。RAID5的讀出效率很高，寫(xiě)入效率一般，塊式的集體訪(fǎng)問(wèn)效率不錯。因為奇偶校驗碼在不同的磁盤(pán)上，所以提高了可靠性，允許單個(gè)磁盤(pán)出錯。RAID 5也是以數據的校驗位來(lái)保證數據的安全，但它不是以單獨硬盤(pán)來(lái)存放數據的校驗位，而是將數據段的校驗位交互存放于各個(gè)硬盤(pán)上。這樣，任何一個(gè)硬盤(pán)損壞，都可以根據其它硬盤(pán)上的校驗位來(lái)重建損壞的數據。硬盤(pán)的利用率為n-1。但是它對數據傳輸的并行性解決不好，而且控制器的設計也相當困難。RAID 3 與RAID 5相比，重要的區別在于RAID 3每進(jìn)行一次數據傳輸，需涉及到所有的陣列盤(pán)。而對于RAID 5來(lái)說(shuō)，大部分數據傳輸只對一塊磁盤(pán)操作，可進(jìn)行并行操作。在RAID 5中有“寫(xiě)損失”，即每一次寫(xiě)操作，將產(chǎn)生四個(gè)實(shí)際的讀/寫(xiě)操作，其中兩次讀舊的數據及奇偶信息，兩次寫(xiě)新的數據及奇偶信息。RAID-5的話(huà)，優(yōu)點(diǎn)是提供了冗余性（支持一塊盤(pán)掉線(xiàn)后仍然正常運行），磁盤(pán)空間利用率較高（N-1/N），讀寫(xiě)速度較快（N-1倍）。RAID5最大的好處是在一塊盤(pán)掉線(xiàn)的情況下，RAID照常工作，相對于RAID0必須每一塊盤(pán)都正常才可以正常工作的狀況容錯性能好多了。因此RAID5是RAID級別中最常見(jiàn)的一個(gè)類(lèi)型。RAID5校驗位即P位是通過(guò)其它條帶數據做異或(xor)求得的。計算公式為P=D0xorD1xorD2…xorDn，其中p代表校驗塊，Dn代表相應的數據塊，xor是數學(xué)運算符號異或。
　　RAID5校驗位算法詳解
　　P=D1 xor D2 xor D3 … xor Dn （D1,D2,D3 …Dn為數據塊，P為校驗，xor為異或運算）
　　XOR(Exclusive OR)的校驗原理如下表：
　　
A值        B值        Xor結果
0        0        0
1        0        1
0        1        1
1        1        0
　　這里的A與B值就代表了兩個(gè)位，從中可以發(fā)現，A與B一樣時(shí)，XOR(非或又稱(chēng)"非異或")結果為0，A與B不一樣時(shí)，XOR結果就是1，如果知道XOR結果，A和B中的任何兩個(gè)數值，就可以反推出剩下的一個(gè)數值。比如A為1，XOR結果為1，那么B肯定為0，如果XOR結果為0，那么B肯定為1。這就是XOR編碼與校驗的基本原理。
RAID6：兩種存儲的奇偶校驗碼的磁盤(pán)結構
　　
   
raid6
名字很長(cháng)，但是如果看到圖，大家立刻會(huì )明白是為什么，請注意p0代表第0帶區的奇偶校驗值，而pA代表數據塊A的奇偶校驗值。它是對RAID5的擴展，主要是用于要求數據絕對不能出錯的場(chǎng)合。當然了，由于引入了第二種奇偶校驗值，所以需要N+2個(gè)磁盤(pán)，同時(shí)對控制器的設計變得十分復雜，寫(xiě)入速度也不好，用于計算奇偶校驗值和驗證數據正確性所花費的時(shí)間比較多，造成了不必須的負載。我想除了軍隊沒(méi)有人用得起這種東西。
　　常見(jiàn)的RAID6組建類(lèi)型RAID 6(6D + 2P)
　　1 RAID 6(6D + 2P)原理
　　和RAID 5相似，RAID 6(6D + 2P)根據條帶化的數據生成校驗信息，條帶化數據和校驗數據一起分散存儲到RAID組的各個(gè)磁盤(pán)上。在圖1中，D0，D1，D2，D3，D4和D5是條帶化的數據，P代表校驗數據，Q是第二份校驗數據。
　　RAID 6(6D + 2P)根據條帶化的數據生成校驗信息，條帶化數據和校驗數據一起分散存儲到RAID組的各個(gè)磁盤(pán)上
　　RAID 6校驗數據生成公式(P和Q):
　　P的生成用了異或
　　P = D0 XOR D1 XOR D2 XOR D3 XOR D4 XOR D5
　　Q的生成用了系數和異或
　　Q = A0*D0 XOR A1*D1 XOR A2*D2 XOR A3*D3 XOR A4*D4 XOR A5*D5
　　D0～D5:條帶化數據
　　A0～A5:系數
　　XOR:異或
　　*:乘
　　在RAID 6中，當有1塊磁盤(pán)出故障的時(shí)候，利用公式1恢復數據，這個(gè)過(guò)程是和RAID 5一樣的。而當有2塊磁盤(pán)同時(shí)出故障的時(shí)候，就需要同時(shí)用公式1和公式2來(lái)恢復數據了。
　　各系數A0～A5是線(xiàn)性無(wú)關(guān)的系數，在D0，D1，D2，D3，D4，D5，P，Q中有兩個(gè)未知數的情況下，也可以聯(lián)列求解兩個(gè)方程得出兩個(gè)未知數的值。這樣在一個(gè)RAID組中有兩塊磁盤(pán)同時(shí)壞的情況下，也可以恢復數據。
　　上面描述的是校驗數據生成的算法。其實(shí)RAID 6的核心就是有兩份檢驗數據，以保證兩塊磁盤(pán)同時(shí)出故障的時(shí)候，也能保障數據的安全。
RAID7：優(yōu)化的高速數據傳送磁盤(pán)結構
　　RAID7所有的I/O傳送均是同步進(jìn)行的，可以分別控制，這樣提高了系統的并行性，提高系統訪(fǎng)問(wèn)數據的速度；每個(gè)磁盤(pán)都帶有高速緩沖存儲器，實(shí)時(shí)操作系統可以使用任何實(shí)時(shí)操作芯片，達到不同實(shí)時(shí)系統的需要。允許使用SNMP協(xié)議進(jìn)行管理和監視，可以對校驗區指定獨立的傳送信道以提高效率�？梢赃B接多臺主機，因為加入高速緩沖存儲器，當多用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)系統時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間幾乎接近于0。由于采用并行結構，因此數據訪(fǎng)問(wèn)效率大大提高。需要注意的是它引入了一個(gè)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(huì )全部丟失，因此需要和UPS一起工作。當然了，這么快的東西，價(jià)格也非常昂貴。
RAID10/01：高可靠性與高效磁盤(pán)結構
　　這種結構無(wú)非是一個(gè)帶區結構加一個(gè)鏡象結構，因為兩種結構各有優(yōu)缺點(diǎn)，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(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)來(lái)理解這種新結構。這種新結構的價(jià)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。
　　其中可分為兩種組合：RAID10和RAID01
　　RAID 10是先鏡射再分區數據。是將所有硬盤(pán)分為兩組，視為是RAID 0的最低組合，然后將這兩組各自視為RAID 1運作。RAID 10有著(zhù)不錯的讀取速度，而且擁有比RAID 0更高的數據保護性。
　　RAID 01則是跟RAID 10的程序相反，是先分區再將數據鏡射到兩組硬盤(pán)。它將所有的硬盤(pán)分為兩組，變成RAID 1的最低組合，而將兩組硬盤(pán)各自視為RAID 0運作。RAID 01比起RAID 10有著(zhù)更快的讀寫(xiě)速度，不過(guò)也多了一些會(huì )讓整個(gè)硬盤(pán)組停止運轉的機率；因為只要同一組的硬盤(pán)全部損毀，RAID 01就會(huì )停止運作，而RAID 10則可以在犧牲RAID 0的優(yōu)勢下正常運作。
　　RAID 10巧妙的利用了RAID 0的速度以及RAID 1的保護兩種特性，不過(guò)它的缺點(diǎn)是需要的硬盤(pán)數較多，因為至少必須擁有四個(gè)以上的偶數硬盤(pán)才能使用。
RAID 50：被稱(chēng)為分布奇偶位陣列條帶
　　同RAID 10相仿的，它具有RAID 5和RAID 0的共同特性。它由兩組RAID 5磁盤(pán)組成（每組最少3個(gè)），每一組都使用了分布式奇偶位，而兩組硬盤(pán)再組建成RAID 0，實(shí)驗跨磁盤(pán)抽取數據。RAID 50提供可靠的數據存儲和優(yōu)秀的整體性能，并支持更大的卷尺寸。即使兩個(gè)物理磁盤(pán)發(fā)生故障（每個(gè)陣列中一個(gè)），數據也可以順利恢復過(guò)來(lái)。
　　RAID 50最少需要6個(gè)驅動(dòng)器，它最適合需要高可靠性存儲、高讀取速度、高數據傳輸性能的應用。這些應用包括事務(wù)處理和有許多用戶(hù)存取小文件的辦公應用程序。
RAID 53：稱(chēng)為高效數據傳送磁盤(pán)結構
　　結構的實(shí)施同Level 0數據條陣列，其中，每一段都是一個(gè)RAID 3陣列。它的冗余與容錯能力同RAID 3。這對需要具有高數據傳輸率的RAID 3配置的系統有益，但是它價(jià)格昂貴、效率偏低。
RAID 1.5：一個(gè)新生的磁盤(pán)陣列方式
　　它具有RAID 0+1的特性，而不同的是，它的實(shí)現只需要2個(gè)硬盤(pán)。
　　從表面上來(lái)看，組建RAID 1.5后的磁盤(pán)，兩個(gè)都具有相同的數據。當然，RAID 1.5也是一種不能完全利用磁盤(pán)空間的磁盤(pán)陣列模式，因此，兩個(gè)80GB的硬盤(pán)在組建RAID 1.5后，和RAID 1是一樣的，即只有80GB的實(shí)際使用空間，另外80GB是它的備份數據。如果把兩個(gè)硬盤(pán)分開(kāi)，分別把他們運行在原系統，也是暢通無(wú)阻的。但通過(guò)實(shí)際應用，我們發(fā)現如果兩個(gè)硬盤(pán)在分開(kāi)運行后，其數據的輕微改變都會(huì )引起再次重組后的磁盤(pán)陣列，沒(méi)法實(shí)現完全的數據恢復，而是以數據較少的磁盤(pán)為準。
編輯本段其他RAID級別
RAID1E
　　RAID 1E是RAID 1的增強版本，是由IBM公司提出的一種私有RAID級別，沒(méi)有成為國際標準。它并不是我們通常所說(shuō)的RAID 0+1的組合。RAID 1E的工作原理與RAID1基本上是一樣的，只是RAID 1E的數據恢復能力更強，但由于RAID 1E寫(xiě)一分數據至少要兩次，因此，RAID處理器的負載得到加強，從而造成磁盤(pán)讀寫(xiě)能力的下降。RAID 1E至少需要3塊硬盤(pán)才能實(shí)現。RAID 1E和RAID 1的工作原理如圖。
RAID5E
　　RAID5E是RAID磁盤(pán)存儲中的一個(gè)高的級別，RAID 5E(RAID 5 Enhencement)是在RAID 5級別基礎上的改進(jìn)，與RAID 5類(lèi)似，數據的校驗信息均勻分布在各硬盤(pán)上，但是在每個(gè)硬盤(pán)上都保留了一部分未使用的空間，這部分空間沒(méi)有進(jìn)行條帶化，最多允許兩塊物理硬盤(pán)出現故障�？雌饋�(lái)，RAID 5E和RAID 5加一塊熱備盤(pán)好象差不多，其實(shí)由于RAID 5E是把數據分布在所有的硬盤(pán)上，性能會(huì )與RAID5 加一塊熱備盤(pán)要好。當一塊硬盤(pán)出現故障時(shí)，有故障硬盤(pán)上的數據會(huì )被壓縮到其它硬盤(pán)上未使用的空間，邏輯盤(pán)保持RAID 5級別。
RAID5EE
　　RAID5EE是RAID磁盤(pán)存儲中的一個(gè)高的級別，RAID 5EE是一個(gè)比較實(shí)用的技術(shù)。RAID 5EE提供了一個(gè)完善的替代"RAID5+HotSpare"盤(pán)的解決辦法。原來(lái)的一塊單獨HotSpare熱備份盤(pán)也進(jìn)行Stripe條帶化，并且平均分配到了5塊磁盤(pán)中。這樣，在RAID 5EE讀寫(xiě)的時(shí)候，5塊磁盤(pán)同時(shí)參與I/O，相比于4塊磁盤(pán)+HotSpare盤(pán)的情況，多了一個(gè)磁盤(pán)的讀寫(xiě)帶寬，提高了性能。特別是在整體磁盤(pán)數量比較少，如4/5/6等的情況下，性能的提高尤為明顯。
　　RAID 5EE相比于RAID5性能提高，那對于可靠性和容量利用率有什么影響呢？對于RAID 5EE來(lái)講，一塊硬盤(pán)損壞，就會(huì )自動(dòng)重構成一個(gè)RAID5，另外一個(gè)硬盤(pán)再損壞，就會(huì )變成Degraded狀態(tài)的RAID5，這和RAID 5+HotSpare的容錯能力是一樣的，也就是可靠性一樣；對于RAID 5EE來(lái)講，損失的容量為2塊物理磁盤(pán)，而對于RAID5+HotSpare來(lái)講，損失的容量也為2塊物理磁盤(pán)，所以容量利用率也一致。值得注意的一點(diǎn)，RAID 5EE中包括的HotSpare盤(pán)是分布在每個(gè)磁盤(pán)中的，只能供RAID 5EE本身來(lái)使用，不能做另外RAID5的熱備。
RAID ADG
　　RAID ADG類(lèi)似于RAID 6，ADG技術(shù)是基于RAID5之上的，采用了冗余的校驗盤(pán)；也可以理解成是給RAID5再做了一個(gè)RAID5的校驗。實(shí)現兩塊硬盤(pán)的容錯，至少需要4塊硬盤(pán)。這個(gè)技術(shù)是康柏最先提出來(lái)的，現在HP就已經(jīng)移植了該技術(shù)。
RAID3DP
　　RAID3DP是NEC公司的NEC Storage D存儲系列產(chǎn)品使用的一種私有RAID級別，它由6或10個(gè)磁盤(pán)驅動(dòng)所構成。此RAID推薦使用用同樣容量/同樣轉數的磁盤(pán)驅動(dòng)去定義，因為如果在RAID 內定義復數的容量的磁盤(pán)驅動(dòng)，則會(huì )以最小容量的磁盤(pán)驅動(dòng)為準構筑RAID ，在此情況下，容量大的磁盤(pán)驅動(dòng)作為最小容量的磁盤(pán)驅動(dòng)處理，殘余的領(lǐng)域不能使用。此外，該RAID不可使用SATA
編輯本段應用
　　開(kāi)始時(shí)RAID 方案主要針對SCSI硬盤(pán)系統，系統成本比較昂貴。1993年，HighPoint公司推出了第一款I(lǐng)DE-RAID控制芯片，能夠利用相對廉價(jià)的IDE 硬盤(pán)來(lái)組建RAID系統，從而大大降低了RAID的“門(mén)檻”。從此，個(gè)人用戶(hù)也開(kāi)始關(guān)注這項技術(shù)，因為硬盤(pán)是現代個(gè)人計算機中發(fā)展最為“緩慢”和最缺少安全性的設備，而用戶(hù)存儲在其中的數據卻常常遠超計算機的本身價(jià)格。在花費相對較少的情況下，RAID技術(shù)可以使個(gè)人用戶(hù)也享受到成倍的磁盤(pán)速度提升和更高的數據安全性，現在個(gè)人電腦市場(chǎng)上的IDE-RAID控制芯片主要出自HighPoint和Promise公司，此外還有一部分來(lái)自AMI公司（如表2）。
　　面向個(gè)人用戶(hù)的IDE-RAID芯片一般只提供了RAID 0、RAID 1和RAID 0+1（RAID 10）等RAID規范的支持，雖然它們在技術(shù)上無(wú)法與商用系統相提并論，但是對普通用戶(hù)來(lái)說(shuō)其提供的速度提升和安全保證已經(jīng)足夠了。隨著(zhù)硬盤(pán)接口傳輸率的不斷提高，IDE-RAID芯片也不斷地更新?lián)Q代，芯片市場(chǎng)上的主流芯片已經(jīng)全部支持ATA 100標準，而HighPoint公司新推出的HPT 372芯片和Promise最新的PDC20276芯片，甚至已經(jīng)可以支持ATA 133標準的IDE硬盤(pán)。在主板廠(chǎng)商競爭加劇、個(gè)人電腦用戶(hù)要求逐漸提高的今天，在主板上板載RAID芯片的廠(chǎng)商已經(jīng)不在少數，用戶(hù)完全可以不用購置RAID卡，直接組建自己的磁盤(pán)陣列，感受磁盤(pán)狂飆的速度。
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