RAID 技術詳解

RAID 技術詳解

 

作者：唐華

轉自：千際博客 www.2ok.cn

 

計算機技術的發展，已使的CPU的速度進入GHz 時代。而計算機的內存也由66MHz發展到 100MHz 甚至133MHz。顯卡的速度也日新月異。 計算機製造商們全面打起了提速戰。 作爲計算機最重要的外部存儲設備，硬盤當然也不甘落後，也相繼推出了ATA66和ATA100 硬盤。即便如此，硬盤存儲仍然擺脫不了系統性能瓶頸的角色，甚至由於其它計算機部件幅度大得多的性能提升，使得硬盤速度雖有提升，但依舊陷入了更爲尷尬的境地。而且由於硬盤速度很大程度上依賴於機械部分，因此基於現在的硬盤技術，要想大幅提速非常困難。
    不僅如此， 硬盤存儲在數據安全上也是問題多多。現在人們的工作已無法擺脫計算機， 這一方面使得人們的工作效率大大提高， 但潛在的危險也是明擺着的： 一旦硬盤的數據損壞，人們長時間的工作就可能毀於一旦。
    那麼，有沒有基於現在的硬盤提升存儲性能和數據安全的技術呢？有，它就是RAID技術。

什麼是RAID?

RAID是英文Redundant Array of Independent Disks的縮寫，翻譯成中文即爲獨立磁盤冗餘陣列，或簡稱磁盤陣列。簡單的說，RAID是一種把多塊獨立的硬盤（物理硬盤）按不同方式組合起來形成一個硬盤組（邏輯硬盤），從而提供比單個硬盤更高的存儲性能和提供數據冗餘的技術。組成磁盤陣列的不同方式成爲RAID級別（RAID Levels）。
    數據冗餘的功能是在用戶數據一旦發生損壞後，利用冗餘信息可以使損壞數據得以恢復，從而保障了用戶數據的安全性。
    在用戶看起來，組成的磁盤組就像是一個硬盤，用戶可以對它進行分區，格式化等等。總之，對磁盤陣列的操作與單個硬盤一模一樣。不同的是，磁盤陣列的存儲性能要比單個硬盤高很多，而且可以提供數據冗餘。

Independent還是Inexpensive?

細心的讀者可以注意到，一部分文章把RAID 解釋爲 Redundant Array of Inexpensive Disks，即廉價磁盤冗餘陣列。那麼，到底是Independent 還是Inexpensive呢？ 說到這裏，我們要看一看RAID的歷史了。  
     1988年，由加州大學Berkeley 分校的David A. Patterson等人在原有技術的基礎上進行了擴充，提出幾種新的磁盤組織方式，目的是用多個用於個人電腦上的廉價磁盤替代當時數據中心繫統普遍採用的價格昂貴的SLEDs磁盤（Single Large Expensive Disks）。根據這一目的，David A. Patterson 等人首次使用了Redundant Array of Inexpensive Disks這一名稱。RAID被提出後，引起了人們的極大興趣，並獲得了成功。
     但是隨着存儲技術的發展，SLEDs磁盤已經成爲過去。現在普遍採用的磁盤在價格和性能上相差不多，因此如果再用廉價（Inexpensive）來形容組成RAID的磁盤就不合適了。 爲了適應技術的發展，委員會開始普遍把RAID解釋爲Redundant Array of Independent Disks。

RAID級別：

RAID技術經過不斷的發展，現在已擁有了從 RAID 0 到 6 七種基本的RAID 級別。另外，還有一些基本RAID級別的組合形式，如RAID 10（RAID 0與RAID 1的組合），RAID 50（RAID 0與RAID 5的組合）等。
    不同RAID 級別代表着不同的存儲性能、數據安全性和存儲成本。下面就針對一些最爲常用的 RAID級別做簡單介紹。

RAID 0 ：
    RAID 0又稱爲Stripe或Striping，它代表了所有RAID級別中最高的存儲性能。RAID 0提高存儲性能的原理是把連續的數據分散到多個磁盤上存取，這樣，系統有數據請求就可以被多個磁盤並行的執行，每個磁盤執行屬於它自己的那部分數據請求。這種數據上的並行操作可以充分利用總線的帶寬，顯著提高磁盤整體存取性能。

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圖一

如圖1所示：系統向三個磁盤組成的邏輯硬盤（RADI 0 磁盤組）發出的I/O數據請求被轉化爲3項操作，其中的每一項操作都對應於一塊物理硬盤。我們從圖中可以清楚的看到通過建立RAID 0，原先順序的數據請求被分散到所有的三塊硬盤中同時執行。從理論上講，三塊硬盤的並行操作使同一時間內磁盤讀寫速度提升了3倍。 但由於總線帶寬等多種因素的影響，實際的提升速率肯定會低於理論值，但是，大量數據並行傳輸與串行傳輸比較，提速效果顯著顯然毋庸置疑。
    RAID 0的缺點是不提供數據冗餘，因此一旦用戶數據損壞，損壞的數據將無法得到恢復。
    RAID 0具有的特點，使其特別適用於對性能要求較高，而對數據安全不太在乎的領域，如圖形工作站等。對於個人用戶，RAID 0也是提高硬盤存儲性能的絕佳選擇。

RAID 1：
    RAID 1又稱爲Mirror或Mirroring，它的宗旨是最大限度的保證用戶數據的可用性和可修復性。 RAID 1的操作方式是把用戶寫入硬盤的數據百分之百地自動複製到另外一個硬盤上。如圖2所示：

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圖二

當讀取數據時，系統先從RAID 0的源盤讀取數據，如果讀取數據成功，則系統不去管備份盤上的數據；如果讀取源盤數據失敗，則系統自動轉而讀取備份盤上的數據，不會造成用戶工作任務的中斷。當然，我們應當及時地更換損壞的硬盤並利用備份數據重新建立Mirror，避免備份盤在發生損壞時，造成不可挽回的數據損失。
    由於對存儲的數據進行百分之百的備份，在所有RAID級別中，RAID 1提供最高的數據安全保障。同樣，由於數據的百分之百備份，備份數據佔了總存儲空間的一半，因而，Mirror的磁盤空間利用率低，存儲成本高。
    Mirror雖不能提高存儲性能，但由於其具有的高數據安全性，使其尤其適用於存放重要數據，如服務器和數據庫存儲等領域。

RAID 0+1：
    正如其名字一樣RAID 0+1是RAID 0和RAID 1的組合形式，也稱爲RAID 10。
以四個磁盤組成的RAID 0+1爲例，其數據存儲方式如圖3所示：

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圖三

RAID 0+1是存儲性能和數據安全兼顧的方案。它在提供與RAID 1一樣的數據安全保障的同時，也提供了與RAID 0近似的存儲性能。
    由於RAID 0+1也通過數據的100%備份提供數據安全保障，因此RAID 0+1的磁盤空間利用率與RAID 1相同，存儲成本高。
    RAID 0+1的特點使其特別適用於既有大量數據需要存取，同時又對數據安全性要求嚴格的領域，如銀行、金融、商業超市、倉儲庫房、各種檔案管理等。

RAID 5：
    RAID 5 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。 以四個硬盤組成的RAID 5爲例，其數據存儲方式如圖4所示：

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圖四

圖中，P0爲D0，D1和D2的奇偶校驗信息，其它以此類推。
    由圖中可以看出，RAID 5不對存儲的數據進行備份，而是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，並且奇偶校驗信息和相對應的數據分別存儲於不同的磁盤上。當RAID5的一個磁盤數據發生損壞後，利用剩下的數據和相應的奇偶校驗信息去恢復被損壞的數據。
    RAID 5可以理解爲是RAID 0和RAID 1的折衷方案。RAID 5可以爲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。RAID 5具有和RAID 0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。同時由於多個數據對應一個奇偶校驗信息，RAID 5的磁盤空間利用率要比RAID 1高，存儲成本相對較低。

JBOD：
    JBOD(Just Bundle Of Disks)譯成中文可以是"簡單磁盤捆綁"，通常又稱爲Span。 JBOD 不是標準的RAID級別，它只是在近幾年才被一些廠家提出，並被廣泛採用。三個硬盤組成的Span爲例，其數據存儲方式如圖5所示：

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圖五

Span是在邏輯上把幾個物理磁盤一個接一個串聯到一起，從而提供一個大的邏輯磁盤。Span上的數據簡單的從第一個磁盤開始存儲， 當第一個磁盤的存儲空間用完後， 再依次從後面的磁盤開始存儲數據。
    Span存取性能完全等同於對單一磁盤的存取操作。Span也不提供數據安全保障。它只是簡單的提供一種利用磁盤空間的方法，Span的存儲容量等於組成Span的所有磁盤的容量的總和。

IDE RAID與SCSI RAID

IDE和SCSI是計算機的兩種不同的接口，前者普遍用於PC計算機，而後者一般用於Apple Macintosh系統和UNIX操作系統。
    RAID技術問世時是基於SCSI接口，因其成本高，因此主要面向服務器等高端應用。普通用戶根本無緣擁有RAID。
    隨着計算機的大衆化，由此帶動PC計算機的空前繁榮。相應的，在市場的帶動下，用於PC計算機的IDE接口設備價格大幅降低，同時性能大幅提高。以30G 容量硬盤爲例，IDE接口的硬盤現在只需1000元左右，而SCSI接口的硬盤則需5000到6000元，而它們的性能則相差無幾。
    但是，RAID技術仍只基於SCSI接口，普通的PC用戶在羨慕RAID技術的好處的同時，卻無法擁有RAID。
    可喜的是，近來一些廠商看到了 RAID 在低端用戶中的巨大市場，開始把RAID技術移植到IDE 接口上，推出了基於IDE接口的RAID應用，稱爲IDE RAID。而基於SCSI接口的RAID應用則相應稱爲SCSI RAID。
    與SCSI RAID相比，IDE RAID具有極低的價格，和一點也不遜色的性能表現，相應的，IDE RAID 解決方案就具有SCSI RAID無法比擬的高性價比。因此 IDE RAID自推出後，受到普通PC用戶和普通商業應用的普遍歡迎。RAID對於普通的用戶來說，再也不是什麼奢侈的技術了。