RAID技術(shù),RAID技術(shù)原理詳細(xì)解說

RAID入門基礎(chǔ)及RAID0技術(shù)詳解

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益普及，人們對(duì)計(jì)算速度和性能的要求也逐漸提高。在一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU和內(nèi)存的作用固然重要，但是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備性能的好壞和速度的快慢也直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)。本文所要講解的RAID技術(shù)起初主要應(yīng)用于服務(wù)器高端市場(chǎng)，但是隨著個(gè)人用戶市場(chǎng)的成熟和發(fā)展，正不斷向低端市場(chǎng)靠攏，從而為用戶提供了一種既可以提升硬盤速度，又能夠確保數(shù)據(jù)安全性的良好的解決方案。本文將對(duì)RAID技術(shù)進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹，希望能夠?qū)V大讀者有所幫助。

入門基礎(chǔ)
RAID是英文Redundant Array of Inexpensive Disks的縮寫，中文簡(jiǎn)稱為磁盤陣列。其實(shí)，從RAID的英文原意中，我們已經(jīng)能夠多少知道RAID就是一種由多塊廉價(jià)磁盤構(gòu)成的冗余陣列。雖然RAID包含多塊磁盤，但是在操作系統(tǒng)下是作為一個(gè)獨(dú)立的大型媧⑸璞賦現(xiàn)。RAID技術(shù)分為幾種不同的等級(jí)，分別可以提供不同的速度，安全性和性價(jià)比。

人們?cè)陂_發(fā)RAID時(shí)主要是基于以下設(shè)想，即幾塊小容量硬盤的價(jià)格總和要低于一塊大容量的硬盤。雖然目前這一設(shè)想還沒有成為現(xiàn)實(shí)，RAID在節(jié)省成本方面的作用還不是很明顯，但是RAID可以充分發(fā)揮出多塊硬盤的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何一塊單獨(dú)硬盤的速度和吞吐量。除了性能上的提高之外，RAID還可以提供良好的容錯(cuò)能力，在任何一塊硬盤出現(xiàn)問題的情況下都可以繼續(xù)工作，不會(huì)受到損壞硬盤的影響。

RAID 0

我們?cè)谇拔闹幸呀?jīng)提到RAID分為幾種不同的等級(jí)，其中，RAID 0是最簡(jiǎn)單的一種形式。RAID 0可以把多塊硬盤連接在一起形成一個(gè)容量更大的存儲(chǔ)設(shè)備。最簡(jiǎn)單的RAID 0技術(shù)只是提供更多的磁盤空間，不過我們也可以通過設(shè)置，使用RAID 0來提高磁盤的性能和吞吐量。RAID 0沒有冗余或錯(cuò)誤修復(fù)能力，但是實(shí)現(xiàn)成本是最低的。

RAID 0最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式就是把幾塊硬盤串聯(lián)在一起創(chuàng)建一個(gè)大的卷集。磁盤之間的連接既可以使用硬件的形式通過智能磁盤控制器實(shí)現(xiàn)，也可以使用操作系統(tǒng)中的磁盤驅(qū)動(dòng)程序以軟件的方式實(shí)現(xiàn)。圖示如下：

在上述配置中，我們把4塊磁盤組合在一起形成一個(gè)獨(dú)立的邏輯驅(qū)動(dòng)器，容量相當(dāng)于任何任何一塊單獨(dú)硬盤的4倍。如圖中彩色區(qū)域所示，數(shù)據(jù)被依次寫入到各磁盤中。當(dāng)一塊磁盤的空間用盡時(shí)，數(shù)據(jù)就會(huì)被自動(dòng)寫入到下一塊磁盤中。

這種設(shè)置方式只有一個(gè)好處，那就是可以增加磁盤的容量。至于速度，則與其中任何一塊磁盤的速度相同，這是因?yàn)橥粫r(shí)間內(nèi)只能對(duì)一塊磁盤進(jìn)行I/O操作。如果其中的任何一塊磁盤出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)受到破壞，無法繼續(xù)使用。從這種意義上說，使用純RAID 0方式的可靠性僅相當(dāng)于單獨(dú)使用一塊硬盤的1/4（因?yàn)楸纠蠷AID 0使用了4塊硬盤）。

雖然我們無法改變RAID 0的可靠性問題，但是我們可以通過改變配置方式，提供系統(tǒng)的性能。與前文所述的順序?qū)懭霐?shù)據(jù)不同，我們可以通過創(chuàng)建帶區(qū)集，在同一時(shí)間內(nèi)向多塊磁盤寫入數(shù)據(jù)。具體如圖所示：

上圖中，系統(tǒng)向邏輯設(shè)備發(fā)出的I/O指令被轉(zhuǎn)化為4項(xiàng)操作，其中的每一項(xiàng)操作都對(duì)應(yīng)于一塊硬盤。我們從圖中可以清楚的看到通過建立帶區(qū)集，原先順序?qū)懭氲臄?shù)據(jù)被分散到所有的四塊硬盤中同時(shí)進(jìn)行讀寫。四塊硬盤的并行操作使同一時(shí)間內(nèi)磁盤讀寫的速度提升了4倍。

在創(chuàng)建帶區(qū)集時(shí)，合理的選擇帶區(qū)的大小非常重要。如果帶區(qū)過大，可能一塊磁盤上的帶區(qū)空間就可以滿足大部分的I/O操作，使數(shù)據(jù)的讀寫仍然只局限在少數(shù)的一、兩塊硬盤上，不能充分的發(fā)揮出并行操作的優(yōu)勢(shì)。另一方面，如果帶區(qū)過小，任何I/O指令都可能引發(fā)大量的讀寫操作，占用過多的控制器總線帶寬。因此，在創(chuàng)建帶區(qū)集時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，慎重的選擇帶區(qū)的大小。

我們已經(jīng)知道，帶區(qū)集可以把數(shù)據(jù)均勻的分配到所有的磁盤上進(jìn)行讀寫。如果我們把所有的硬盤都連接到一個(gè)控制器上的話，可能會(huì)帶來潛在的危害。這是因?yàn)楫?dāng)我們頻繁進(jìn)行讀寫操作時(shí)，很容易使控制器或總線的負(fù)荷超載。為了避免出現(xiàn)上述問題，建議用戶可以使用多個(gè)磁盤控制器。示意圖如下：

這樣，我們就可以把原先控制器總線上的數(shù)據(jù)流量降低一半。當(dāng)然，最好解決方法還是為每一塊硬盤都配備一個(gè)專門的磁盤控制器。

RAID 1技術(shù)詳解

雖然RAID 0可以提供更多的空間和更好的性能，但是整個(gè)系統(tǒng)是非常不可靠的，如果出現(xiàn)故障，無法進(jìn)行任何補(bǔ)救。所以，RAID 0一般只是在那些對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求不高的情況下才被人們使用。

RAID 1和RAID 0截然不同，其技術(shù)重點(diǎn)全部放在如何能夠在不影響性能的情況下最大限度的保證系統(tǒng)的可靠性和可修復(fù)性上。RAID 1是所有RAID等級(jí)中實(shí)現(xiàn)成本最高的一種，盡管如此，人們還是選擇RAID 1來保存那些關(guān)鍵性的重要數(shù)據(jù)。

RAID 1又被稱為磁盤鏡像，每一個(gè)磁盤都具有一個(gè)對(duì)應(yīng)的鏡像盤。對(duì)任何一個(gè)磁盤的數(shù)據(jù)寫入都會(huì)被復(fù)制鏡像盤中；系統(tǒng)可以從一組鏡像盤中的任何一個(gè)磁盤讀取數(shù)據(jù)。顯然，磁盤鏡像肯定會(huì)提高系統(tǒng)成本。因?yàn)槲覀兯苁褂玫目臻g只是所有磁盤容量總和的一半。下圖顯示的是由4塊硬盤組成的磁盤鏡像，其中可以作為存儲(chǔ)空間使用的僅為兩塊硬盤（畫斜線的為鏡像部分）。

RAID 1下，任何一塊硬盤的故障都不會(huì)影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而且只要能夠保證任何一對(duì)鏡像盤中至少有一塊磁盤可以使用，RAID 1甚至可以在一半數(shù)量的硬盤出現(xiàn)問題時(shí)不間斷的工作。當(dāng)一塊硬盤失效時(shí)，系統(tǒng)會(huì)忽略該硬盤，轉(zhuǎn)而使用剩余的鏡像盤讀寫數(shù)據(jù)。

通常，我們把出現(xiàn)硬盤故障的RAID系統(tǒng)稱為在降級(jí)模式下運(yùn)行。雖然這時(shí)保存的數(shù)據(jù)仍然可以繼續(xù)使用，但是RAID系統(tǒng)將不再可靠。如果剩余的鏡像盤也出現(xiàn)問題，那么整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)崩潰。因此，我們應(yīng)當(dāng)及時(shí)的更換損壞的硬盤，避免出現(xiàn)新的問題。 　　更換新盤之后，原有好盤中的數(shù)據(jù)必須被復(fù)制到新盤中。這一操作被稱為同步鏡像。同步鏡像一般都需要很長(zhǎng)時(shí)間，尤其是當(dāng)損害的硬盤的容量很大時(shí)更是如此。在同步鏡像的進(jìn)行過程中，外界對(duì)數(shù)據(jù)的訪問不會(huì)受到影響，但是由于復(fù)制數(shù)據(jù)需要占用一部分的帶寬，所以可能會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的性能有所下降。

因?yàn)镽AID 1主要是通過二次讀寫實(shí)現(xiàn)磁盤鏡像，所以磁盤控制器的負(fù)載也相當(dāng)大，尤其是在需要頻繁寫入數(shù)據(jù)的環(huán)境中。為了避免出現(xiàn)性能瓶頸，使用多個(gè)磁盤控制器就顯得很有必要。下圖示意了使用兩個(gè)控制器的磁盤鏡像。

使用兩個(gè)磁盤控制器不僅可以改善性能，還可以進(jìn)一步的提高數(shù)據(jù)的安全性和可用性。我們已經(jīng)知道，RAID 1最多允許一半數(shù)量的硬盤出現(xiàn)故障，所以按照我們上圖中的設(shè)置方式（原盤和鏡像盤分別連接不同的磁盤控制），即使一個(gè)磁盤控制器出現(xiàn)問題，系統(tǒng)仍然可以使用另外一個(gè)磁盤控制器繼續(xù)工作。這樣，就可以把一些由于意外操作所帶來的損害降低到最低程度。


RAID 0+1

單獨(dú)使用RAID 1也會(huì)出現(xiàn)類似單獨(dú)使用RAID 0那樣的問題，即在同一時(shí)間內(nèi)只能向一塊磁盤寫入數(shù)據(jù)，不能充分利用所有的資源。為了解決這一問題，我們可以在磁盤鏡像中建立帶區(qū)集。因?yàn)檫@種配置方式綜合了帶區(qū)集和鏡像的優(yōu)勢(shì)，所以被稱為RAID 0+1。

RAID3和RAID5技術(shù)詳解

熱插拔

一些面向高端應(yīng)用的磁盤鏡像系統(tǒng)都可以提供磁盤的熱插拔功能。所謂熱插拔功能，就是允許用戶在不關(guān)閉系統(tǒng)，不切斷電源的情況下取出和更換損害的硬盤。如果沒有熱插拔功能，即使磁盤損壞不會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失，用戶仍然需要暫時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)，以便能夠?qū)τ脖P進(jìn)行更換?，F(xiàn)在，使用熱插拔技術(shù)只要簡(jiǎn)單的打開連接開關(guān)或者轉(zhuǎn)動(dòng)手柄就可以直接取出硬盤，而系統(tǒng)仍然可以不間斷的正常運(yùn)行。

校驗(yàn)

RAID 3和RAID 5都分別使用了校驗(yàn)的概念提供容錯(cuò)能力。簡(jiǎn)單的說，我們可以把校驗(yàn)想象為一種二進(jìn)制的校驗(yàn)和，一個(gè)可以告訴你其它所有字位是否正確的特殊位。 　　在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，奇偶校驗(yàn)被用來確定數(shù)據(jù)是否被正確傳送。例如，對(duì)于每一個(gè)字節(jié)，我們可以簡(jiǎn)單計(jì)算數(shù)字位1的個(gè)數(shù)，并在字節(jié)內(nèi)加入附加校驗(yàn)位。在數(shù)據(jù)的接收方，如果數(shù)字位1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，而我們使用的又是奇數(shù)校驗(yàn)的話，則說明該字節(jié)是正確的。同樣對(duì)偶數(shù)校驗(yàn)也是如此。然而，如果數(shù)字位1的個(gè)數(shù)和校驗(yàn)位的奇偶性不一致的話，則說明數(shù)據(jù)在傳送過程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤。

RAID系統(tǒng)也采用了相似的校驗(yàn)方法，可以在磁盤系統(tǒng)中創(chuàng)建校驗(yàn)塊，校驗(yàn)塊中的每一位都用來對(duì)其它關(guān)聯(lián)塊中的所有對(duì)應(yīng)位進(jìn)行校驗(yàn)。

在數(shù)據(jù)通訊領(lǐng)域，雖然校驗(yàn)位可以告訴我們某個(gè)字節(jié)是否正確，但是無法告訴我們到底是哪一位出現(xiàn)了問題。這就是說我們可以檢測(cè)錯(cuò)誤，但是不能改正錯(cuò)誤。對(duì)于RAID，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。固然錯(cuò)誤的檢測(cè)非常重要，但是如果不能對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行修復(fù)，我們就無法提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

舉個(gè)例子來說，假設(shè)我們發(fā)現(xiàn)校驗(yàn)塊中第10個(gè)字節(jié)的第5位不正確。如果這個(gè)校驗(yàn)塊包含的是另外8個(gè)數(shù)據(jù)塊的校驗(yàn)信息，那么哪一個(gè)數(shù)據(jù)塊才是問題的罪魁禍?zhǔn)啄?？也許你可能會(huì)想為每一個(gè)數(shù)據(jù)塊都建立一個(gè)校驗(yàn)塊就可以解決問題。但是這種方法很難實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，RAID主要是借助磁盤控制器的錯(cuò)誤報(bào)告檢測(cè)錯(cuò)誤位置，并進(jìn)行修復(fù)。如果磁盤控制器在讀取數(shù)據(jù)時(shí)沒有發(fā)出任何“抱怨”，那么系統(tǒng)將會(huì)視該數(shù)據(jù)為正確數(shù)據(jù)，繼續(xù)使用。

RAID 3

RAID 3采用的是一種較為簡(jiǎn)單的校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方式，使用一個(gè)專門的磁盤存放所有的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，而在剩余的磁盤中創(chuàng)建帶區(qū)集分散數(shù)據(jù)的讀寫操作。例如，在一個(gè)由4塊硬盤構(gòu)成的RAID 3系統(tǒng)中，3塊硬盤將被用來保存數(shù)據(jù)，第四塊硬盤則專門用于校驗(yàn)。這種配置方式可以用3+1的形式表示，具體如圖：

在上圖中，我們用相同的顏色表示使用同一個(gè)校驗(yàn)塊的所有數(shù)據(jù)塊，斜線標(biāo)出的部分為校驗(yàn)塊。校驗(yàn)塊和所有對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊一起構(gòu)成一個(gè)帶區(qū)。

第四塊硬盤中的每一個(gè)校驗(yàn)塊所包含的都是其它3塊硬盤中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)塊的校驗(yàn)信息。RAID 3的成功之處就在于不僅可以象RAID 1那樣提供容錯(cuò)功能，而且整體開銷從RAID 1的50%下降為25%（RAID 3+1）。隨著所使用磁盤數(shù)量的增多，成本開銷會(huì)越來越小。舉例來說，如果我們使用7塊硬盤，那么總開銷就會(huì)將到12.5%（1/7）。

在不同情況下，RAID 3讀寫操作的復(fù)雜程度不同。最簡(jiǎn)單的情況就是從一個(gè)完好的RAID 3系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)。這時(shí)，只需要在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)盤中找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀取操作即可，不會(huì)增加任何額外的系統(tǒng)開銷。

當(dāng)向RAID 3寫入數(shù)據(jù)時(shí)，情況會(huì)變得復(fù)雜一些。即使我們只是向一個(gè)磁盤寫入一個(gè)數(shù)據(jù)塊，也必須計(jì)算與該數(shù)據(jù)塊同處一個(gè)帶區(qū)的所有數(shù)據(jù)塊的校驗(yàn)值，并將新值重新寫入到校驗(yàn)塊中。例如，當(dāng)我們向上圖中的綠色數(shù)據(jù)塊寫入數(shù)據(jù)時(shí)，必須重新計(jì)算所有3個(gè)綠色數(shù)據(jù)塊的校驗(yàn)值，然后重寫位于第四塊硬盤的綠色校驗(yàn)塊。由此我們可以看出，一個(gè)寫入操作事實(shí)上包含了數(shù)據(jù)讀取（讀取帶區(qū)中的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)塊），校驗(yàn)值計(jì)算，數(shù)據(jù)塊寫入和校驗(yàn)塊寫入四個(gè)過程。系統(tǒng)開銷大大增加。

我們可以通過適當(dāng)設(shè)置帶區(qū)的大小使RAID系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化。如果某個(gè)寫入操作的長(zhǎng)度恰好等于一個(gè)完整帶區(qū)的大小（全帶區(qū)寫入），那么我們就不必再讀取帶區(qū)中的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)塊計(jì)算校驗(yàn)值。我們只需要計(jì)算整個(gè)帶區(qū)的校驗(yàn)值，然后直接把數(shù)據(jù)和校驗(yàn)信息寫入數(shù)據(jù)盤和校驗(yàn)盤即可。

到目前為止，我們所探討的都是正常運(yùn)行狀況下的數(shù)據(jù)讀寫。下面，我們?cè)賮砜匆幌庐?dāng)硬盤出現(xiàn)故障時(shí)，RAID系統(tǒng)在降級(jí)模式下的運(yùn)行情況。

RAID 3雖然具有容錯(cuò)能力，但是系統(tǒng)會(huì)受到影響。當(dāng)一塊磁盤失效時(shí)，該磁盤上的所有數(shù)據(jù)塊必須使用校驗(yàn)信息重新建立。如果我們是從好盤中讀取數(shù)據(jù)塊，不會(huì)有任何變化。但是如果我們所要讀取的數(shù)據(jù)塊正好位于已經(jīng)損壞的磁盤，則必須同時(shí)讀取同一帶區(qū)中的所有其它數(shù)據(jù)塊，并根據(jù)校驗(yàn)值重建丟失的數(shù)據(jù)。

當(dāng)我們更換了損壞的磁盤之后，系統(tǒng)必須一個(gè)數(shù)據(jù)塊一個(gè)數(shù)據(jù)塊的重建壞盤中的數(shù)據(jù)。整個(gè)過程包括讀取帶區(qū)，計(jì)算丟失的數(shù)據(jù)塊和向新盤寫入新的數(shù)據(jù)塊，都是在后臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行。重建活動(dòng)最好是在RAID系統(tǒng)空閑的時(shí)候進(jìn)行，否則整個(gè)系統(tǒng)的性能會(huì)受到嚴(yán)重的影響。

RAID 3的性能問題

除了我們?cè)谏衔挠懻撨^的有關(guān)數(shù)據(jù)寫入和降級(jí)模式的問題之外，在使用RAID 3的過程中還有其他一些性能上的問題需要引起我們的注意。RAID 3所存在的最大一個(gè)不足同時(shí)也是導(dǎo)致RAID 3很少被人們采用的原因就是校驗(yàn)盤很容易成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。 　　我們已經(jīng)知道RAID 3會(huì)把數(shù)據(jù)的寫入操作分散到多個(gè)磁盤上進(jìn)行，然而不管是向哪一個(gè)數(shù)據(jù)盤寫入數(shù)據(jù)，都需要同時(shí)重寫校驗(yàn)盤中的相關(guān)信息。因此，對(duì)于那些經(jīng)常需要執(zhí)行大量寫入操作的應(yīng)用來說，校驗(yàn)盤的負(fù)載將會(huì)很大，無法滿足程序的運(yùn)行速度，從而導(dǎo)致整個(gè)RAID系統(tǒng)性能的下降。鑒于這種原因，RAID 3更加適合應(yīng)用于那些寫入操作較少，讀取操作較多的應(yīng)用環(huán)境，例如數(shù)據(jù)庫和WEB服務(wù)器等。

RAID 5

RAID?3所存在的校驗(yàn)盤的性能問題使幾乎所有的RAID系統(tǒng)都轉(zhuǎn)向了RAID 5。在運(yùn)行機(jī)制上，RAID 5和RAID 3完全相同，也是由同一帶區(qū)內(nèi)的幾個(gè)數(shù)據(jù)塊共享一個(gè)校驗(yàn)塊。

RAID 5和RAID 3的最大區(qū)別在于RAID 5不是把所有的校驗(yàn)塊集中保存在一個(gè)專門的校驗(yàn)盤中，而是分散到所有的數(shù)據(jù)盤中。RAID 5使用了一種特殊的算法，可以計(jì)算出任何一個(gè)帶區(qū)校驗(yàn)塊的存放位置。具體如圖所示：

注意圖中的校驗(yàn)塊已經(jīng)被分散保存在不同的磁盤中，這樣就可以確保任何對(duì)校驗(yàn)塊進(jìn)行的讀寫操作都會(huì)在所有的RAID磁盤中進(jìn)行均衡，從而消除了產(chǎn)生瓶頸的可能。