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独立磁盘冗余阵列（RAID）技术概述 RAID是独立磁盘冗余阵列的缩写。这一术语是加州大学伯克利分校研究员Patterson、Gibson和Katz在1988年撰写的一篇说明阵列配置和应用的论文中最先使用的。独立磁盘冗余阵列（RAID）是在服务器等级用于高容量数据存储的公用系统。RAID系统使用许多小容量磁盘驱动器来存储大量数据，并且使可靠性和冗余度得到增强。对计算机来说，这样一种阵列就如同由多个磁盘驱动器构成的一个逻辑单元。RAID并非保护大量数据的唯一途径，但是，常规的备份和镜像软件速度较慢，而且，如果一个驱动器出现故障，则往往需要中断系统。即使磁盘不导致服务器中断，IT工作人员仍需要断掉服务器来更换驱动器。相反，RAID利用镜像或奇偶信息来从剩余的驱动器重建数据，不必中断系统。过去，计算机系统往往只限于向单个磁盘写入信息。这种磁盘通常价格昂贵而又极易故障。硬盘一直是计算机系统中最脆弱的环节，因为这些设备是在其它部件完全电子化的系统中唯一的机械部件。磁盘驱动器含有许多以高速运行的活动机械零件。问题不是硬盘驱动器是否会发生故障，而是何时发生故障。RAID旨在通过提供一个廉价和冗余的磁盘系统来彻底改变计算机管理和存取大容量存储器中数据的方式。它曾被称为廉价磁盘冗余阵列（RAID）。RAID将数据写入多个廉价磁盘，而不是写入单个大容量昂贵（SIED）。最初RAID代表廉价磁盘冗余阵列，但现在已改为独立磁盘冗余阵列。RAID存储的方式多种多样。某些类型的RAID强调性能，某些则强调可靠性、容错或纠错能力。因此，可根据要完成的任务来选择类型。不过，所有的RAID系统共同的特点-也是其真正的优点则是热交换能力：用户可以取出一个存在缺陷的驱动器，并插入一个新的予以更换。对大多数类型的RAID来说，不必中断服务器或系统，就可以自动重建某个出现故障的磁盘上的数据。RAID基本原理RAID通过条带化存储和奇偶校验两个措施来实现其冗余和容错的目标。条带化存储意味着可以一次写入一个数据块的方式将文件写入多个磁盘。条带化存储技术将数据分开写入多个驱动器，从而提高数据传输速率并缩短磁盘处理总时间。这种系统非常适用于交易处理、但可靠性却很差，因为系统的可靠性等于最差的单个驱动器的可靠性。奇偶校验通过在传输后对所有数据进行冗余校验可以确保数据的有效性。利用奇偶校验，当RAID系统的一个磁盘发生故障时，其它磁盘能够重建该故障磁盘。在这两种情况中，这些功能对于操作系统都是透明的。由磁盘阵列控制器（DAC）进行条带化存储和奇偶校验控制。RAID组件RAID的主要组件是磁盘阵列控制器(DAC)和由5个磁盘组成的队列。数据被条带化存储在全部5个磁盘上，用奇偶校验来恢复故障磁盘。RAID有多个不同的等级。某些RAID等级用来提高速度，某些用来提供保护，而RAID-5则结合了两方面的优势。我们将对它们进行逐一论述。磁盘冗余阵列的主要部件包括阵列控制器、磁盘及磁盘扩展柜、 电源 系统等。根据不同的市场定位，不同型号的盘阵结构和各项技术指标会有或大或小的区别，如控制器数量、缓存容量、管理终端、接口类型等。 磁盘冗余阵列控制器（或者 存储 处理器）磁盘冗余阵列控制器采用专门处理数据存储和系统管理的单片机、 工控机 、服务器，前端提供对 服务器 的连接，后端连接磁盘及磁盘扩展柜，采用优化的通用或专用 操作系统 ，以及独有的控制软件实现数据的存储转发和整个磁盘冗余阵列的管理（有些磁盘阵列采用专门的管理终端）。控制器所带缓存可暂存外部服务器向盘阵读写的数据,或者暂存控制器向后端磁盘读写的数据，能大大提高访问的效率。 磁盘冗余阵列根据控制器数量可分为无控制器、单控制器、双控制器和多控制器几种，它们各自有不同的市场定位。 其中无控制器的盘阵 JBOD （Just Bundle of Disk的缩写，意即“只是一串磁盘的组合”），被称为“傻磁盘冗余阵列”。 JBOD内部既没有控制器，也没有缓存，磁盘之间更没有提高性能和 安全 性的任何手段。每个磁盘都独立地接收来自主机的数据访问，主机既要负担磁盘读写等操作，还要进行RAID算法的处理，对主机资源的占用率较大，因此JBOD适用于对性能要求不高的环境。 单控制器阵列能够满足那些对性能有较高要求、又能容忍因控制器故障导致盘阵停机一定时间的需求，在实际应用中，由于采用冗余链路、内部容错等技术，单控制器盘阵能够很好地满足一般的高可靠性要求，因此双控制器磁盘冗余阵列只采购一个控制器的案例也为数不少。 双控制器阵列能够实现控制器级的冗余，进一步提高系统的性能和稳定性、可靠性。多控制器磁盘冗余阵列采用4个或以上的控制器，采用多级冗余结构，既能使系统的稳定性和可靠性达到更高标准，又能使整体处理能力成倍提高，常用于大型关键业务及数据中心。 控制器的核心是运行其中的一系列软件，如盘阵 管理软件 、SAN管理软件、快照软件等。 磁盘及磁盘扩展柜 磁盘是磁盘冗余阵列存储数据的物理介质，它装在磁盘柜或磁盘扩展柜中，目前用于盘阵的主要 硬盘 类型如表1所示。作为磁盘冗余阵列中风扇之外的第二个持续运转的部件，硬盘是盘阵中的易损物，为了减少或防止磁盘故障导致的数据丢失，一般都会采用磁盘冗余阵列技术来容错。磁盘扩展柜用于安装磁盘，扩展存储容量。磁盘扩展柜提高了系统扩容的灵活性和方便性，实现按需分步的扩展。 电源 电源为整个磁盘冗余阵列供电，包括控制器、磁盘及扩展柜、管理终端。根据对可靠性要求的不同来选择单电源或者多电源。为防止冗余电源同时发生故障，中高端磁盘冗余阵列还需配备 电池 ，能够确保外部电源出现故障后，系统能继续维持一段时间运转，让系统能将缓存中数据写入磁盘中。条带化存储数据以前，计算机只将文件写入一个磁盘。条带化存储使您能够拆分文件并将不同的片段同时写入多个磁盘。如果您的文件有5个数据块，并将它们条带化存储到5个磁盘中，每个数据块将同时写入各自的磁盘。如果您有5个OLTP交易，每个小于一个数据块，您就可以同时处理5个不同的交易。大多数RAID等级在数据块级进行条带化存储，但RAID也可以在位或字节级进行条带化存储。数据块的大小由系统管理员决定，并被称为基带条深度。为了最大限度地提高磁盘阵列子系统的交易能力，数据必须同时写入多个驱动器或同时从多个驱动器读取。为实现这一点，用户数据块被条带化存储在整个驱动器阵列上。一个基带条包括一列扇区（每扇区含512个字节），这些扇区位于阵列中每个磁盘上的相同位置。基带条深度（即每一数据块中的扇区数）由子系统软件定义。基带条深度对性能有直接影响，因为深度太浅就需要系统执行比实际需要更多的I/O命令。如果规定深度太大，处理器的多任务能力以及多驱动器所带来的诸多益处可能会被抵销。在一个理想的交易环境中，来自主机的每个请求都只涉及一个驱动器，这可以实现多个驱动器的多个并发交易。将数据条带化存储到阵列驱动器解决了前面所述的一个系统驱动器超负荷运行而另一个空闲的问题。数据条带化存储避免了使用专用驱动器，并确保数据处理负载在可用的驱动器间平均分配，同时通过同时写入多个数据块而提高了性能。奇偶校验人们经常混淆奇偶校验和镜像（或映像）。镜像涉及制作磁盘的拷贝。镜像是将数据同时写入两个驱动器的技术。因为两个驱动器中的任何一个都可以完成同一任务，所以这些系统具有优异的可靠性，并可获得出色的交易处理结果。但代价是必须购买两个驱动器而只得到一个驱动器的容量。镜像的开销为100，或是双倍磁盘空间。如果一个磁盘发生故障，镜像磁盘将接替它进行运行。奇偶校验提供与镜像相同的一般保护，但开销较少。如果一个用户具有由5个磁盘组成的阵列，其中4个用于存储数据而1个用于奇偶校验。它的开销仅为20，当需要考虑成本时，这是一个很大的优势。计算机只用0和1来表示数据。异或（XOR）是进行奇偶校验的一种方法。从每个磁盘中取出一位（0和1）并相加。如果和为偶数，则奇偶为被置为0；如果和为奇数，则奇偶位被置为1。根据RAID等级，奇偶校验即可保存到一个磁盘上，也可分配到所有磁盘上。当您使用5个磁盘时，每种方式的奇偶校验占磁盘空间的1/5或20。当使用3个磁盘时，占1/3或33。RAID配置等级目前业界公认有6个RAID配置等级，并将它们规定为RAID0到RAID5。每个RAID等级分别针对速度、保护或两者的结合而设计。RAID等级包括：RAID 0 数据条带化存储阵列RAID 1 镜像磁盘阵列RAID 2 并行阵列，汉明码RAID 3 带奇偶校验的并行阵列RAID 4 带专用奇偶校验驱动器的磁盘阵列RAID 5 磁盘阵列，所有驱动器均包括奇偶校验最常用的RAID等级为RAID-0、RAID-2和RAID-5。下面对其进行详细说明：RAID-0数据条带化存储阵列RAID-0将数据条带化存储到所有驱动器上，但没有采用奇偶校验。如果其中一个磁盘发生故障，数据必须从备份重新存储到全部5个磁盘上。这种RAID旨在提高速度，在所有RAID中速度最快，但是提供的保护最少。RAID-1透明或条带化存储镜像RAID-1技术要求每个原始数据磁盘都有一个镜像磁盘。原始磁盘和镜像的内容完全一样。RAID-1能够提供最好的数据保护，但是速度不如RAID0和5。在数据写到原始磁盘上的同时也会写到镜像磁盘上。这一镜像过程对于用户是不可见的。因此RAID-1又称为透明镜像。用户可以设置RAID-1以将数据写人一个磁盘，并将该磁盘镜像化；或者也可以将它条带化存储到多个磁盘上，每个条带化存储的磁盘都有一个镜像拷贝。这称为条带化存储镜像、RAID1+0、RAID10,在有些情况下也称为RAID6。RAID-5磁盘阵列，奇偶校验散布RAID-5将数据以数据块形式进行条带化存储，同时还采用了奇偶校验。利用RAID-5技术，用户信息和奇偶校验可以合并到阵列中的每个磁盘上。可以进行独立和/或并行的数据读写操作。该RAID是所有RAID中使用最广泛。RAID-5没有RAID-0那么快，也没有提供象RAID-1镜像那样多的保护。但是RAID-5同时提供良好的速度和保护。这就是为什么它往往成为人们所选择的RAID等级。RAID磁盘阵列组件RAID磁盘阵列的主要组件是磁盘阵列控制器、5个SCSI通道、以及一个或多个磁盘阵列列队。通常有两个磁盘阵列控制器（DAC）作为一组进行工作。这种实施过去常常由一个主动DAC和一个被动DAC可能发生故障时，另一个就会控制所有磁盘列队。下图中有两个DAC，它们共同控制4个磁盘列队。您可以将磁盘配置成任何所支持的RAID等级。您甚至可以打乱磁盘而在一个列队中配置多个RAID。内置/外置磁盘阵列以前磁盘阵列是通过一跟电缆专门连接到主机，并且始终置于一个外部机箱中。外置磁盘阵列的SCSI长度限度在大约80英寸或25米左右。可以利用一个中继器将长度延长25米，但是这样做将损失5的性能。目前许多计算机采用内置RAID。CPU与磁盘在内部进行通信，但基本原理仍然是一样的。无论是内置或是外置，磁盘阵列都有一个或两个磁盘阵列控制器控制的磁盘队列。 牢记要点：RAID用于提高数据性能、可靠性和可用性。条带化存储、奇偶校验和镜像是RAID系统的三个主要功能。RAID执行的功能对于操作系统是透明的。系统通常由磁盘列队定义，每个磁盘列队包括5个磁盘并与一个或两个磁盘阵列控制器连接。不同等级的RAID提供不同的速度和不同程度的数据保护。常见的RAID实施方式RAIDLevel0即数据分割，是最基本的方式。在一个普通硬盘驱动器上，数据被存储在同一张盘的连续扇区上。RAID0至少使用两个磁盘驱动器，并将数据分成从512字节到数兆字节的若干块，这些数据块被交替写到磁盘中。第1段被写到磁盘1中，第2段被写到磁盘2中，如此等等。当系统到达阵列中的最后一个磁盘时，就写到磁盘1的下一分段，以下如此。分割数据将IO负载平均分配到所有的驱动器。由于驱动器可以同时写或读，性能得以显著提高。但是，它却没有数据保护能力。如果一个磁盘出故障，数据就会丢失。RAID0不适用于关键任务环境，但是，它却非常适合于视频生产和编辑或图像编辑。 RAIDLevel3包括数据分割，另外，它还指定一个驱动器来存储奇偶信息。这就提供了某种容错功能，在数据密集型环境或单一用户环境中尤其有益于访问较长的连续记录。RAID3需要同步主轴驱动器来预防较短记录的性能下降。 RAIDLevel5类似于Level0，但是它不是将数据分成块，而是将每个字节的位拆分到多个磁盘。这样会增加管理费用，但是，如果一个磁盘出现故障，则它可以更换，数据可以从奇偶和纠错码中重建。RAID5包括所有的读写运行。它需要三到五个磁盘来组成阵列，最适合于不需要关键特性或几乎不进行写操作的多用户系统。 其它不常见的RAID类型RAIDLevel1是磁盘镜像-写到磁盘1中的一切也写到磁盘2中，从任何一个磁盘都可以读取。这样就提供了即时备份，但需要的磁盘驱动器数量最多，不能提高性能。RAID1在多用户系统中提供最佳性能和容错能力，是最容易实施的配置，这最适用于财务处理、工资单、金融和高可用数据环境。 RAIDLevel2是为大型机和超级计算机开发的。它可在工作不中断的情况下纠正数据，但是，RAID2倾向于较高的数据校验和纠错率。 RAIDLevel4包括较大的数据条，这样，就可以从任何驱动器读取记录。由于这种类型缺乏对多种同时写操作的支持，因而，几乎不使用。 RAIDLevel6几乎没有进行商用。它使用一种分配在不同的驱动器上的第二种奇偶方案，扩展了RAID5。它能承受多个驱动