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RAID技术详解.pdf
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raid 技术详解(raid 大全)
一、RAID 概述
1988 年美国加州大学伯克利分校的 D. A. Patterson 教授等首次在论文
“A Case of Redundant Array of Inexpensive Disks” 中提出了 RAID 概念
[1] ,即廉价冗余磁盘阵列( Redundant Array of Inexpensive Disks )。由
于当时大容量磁盘比较昂贵, RAID 的基本思想是将多个容量较小、相对廉价
的磁盘进行有机组合,从而以较低的成本获得与昂贵大容量磁盘相当的容量、
性能、可靠性。随着磁盘成本和价格的不断降低, RAID 可以使用大部分的磁
盘, “廉价” 已经毫无意义。因此, RAID 咨询委员会( RAID Advisory
Board, RAB )决定用 “ 独立 ” 替代 “ 廉价 ” ,于时 RAID 变成了独立磁
盘冗余阵列( Redundant Array of Independent Disks )。但这仅仅是名称
的变化,实质内容没有改变。
RAID 这种设计思想很快被业界接纳, RAID 技术作为高性能、高可靠的
存储技术,已经得到了非常广泛的应用。 RAID 主要利用数据条带、镜像和数
据校验技术来获取高性能、可靠性、容错能力和扩展性,根据运用或组合运用
这三种技术的策略和架构,可以把 RAID 分为不同的等级,以满足不同数据应
用的需求。 D. A. Patterson 等的论文中定义了 RAID1-RAID5 原始 RAID 等
级, 1988 年以来又扩展了 RAID0 和 RAID6 。近年来,存储厂商不断推出诸
如 RAID7 、 RAID10/01 、 RAID50 、 RAID53 、 RAID100 等 RAID 等级,
但这些并无统一的标准。目前业界公认的标准是 RAID0-RAID5 ,除 RAID2
外的四个等级被定为工业标准,而在实际应用领域中使用最多的 RAID 等级是
RAID0 、 RAID1 、 RAID3 、 RAID5 、 RAID6 和 RAID10。
从实现角度看, RAID 主要分为软 RAID、硬 RAID 以及软硬混合 RAID
三种。软 RAID 所有功能均由操作系统和 CPU 来完成,没有独立的 RAID 控
制 / 处理芯片和 I/O 处理芯片,效率自然最低。硬 RAID 配备了专门的 RAID
控制 / 处理芯片和 I/O 处理芯片以及阵列缓冲,不占用 CPU 资源,但成本很
高。软硬混合 RAID 具备 RAID 控制 / 处理芯片,但缺乏 I/O 处理芯片,需要
CPU 和驱动程序来完成,性能和成本 在软 RAID 和硬 RAID 之间。
RAID 每一个等级代表一种实现方法和技术,等级之间并无高低之分。在
实际应用中,应当根据用户的数据应用特点,综合考虑可用性、性能和成本来
选择合适的 RAID 等级,以及具体的实现方式。
二、基本原理
RAID ( Redundant Array of Independent Disks )即独立磁盘冗余阵
列,通常简称为磁盘阵列。简单地说, RAID 是由多个独立的高性能磁盘驱动
器组成的磁盘子系统,从而提供比单个磁盘更高的存储性能和数据冗余的技术。
RAID 是一类多磁盘管理技术,其向主机环境提供了成本适中、数据可靠性高
的高性能存储。 SNIA 对 RAID 的定义是:一种磁盘阵列,部分物理存储空间
用来记录保存在剩余空间上的用户数据的冗余信息。当其中某一个磁盘或访问
路径发生故障时,冗余信息可用来重建用户数据。磁盘条带化虽然与 RAID 定
义不符,通常还是称为 RAID (即 RAID0 )。
RAID 的初衷是为大型服务器提供高端的存储功能和冗余的数据安全。在
整个系统中, RAID 被看作是由两个或更多磁盘组成的存储空间,通过并发地
在多个磁盘上读写数据来提高存储系统的 I/O 性能。大多数 RAID 等级具有完
备的数据校验、纠正措施,从而提高系统的容错性,甚至镜像方式,大大增强
系统的可靠性, Redundant 也由此而来。
这里要提一下 JBOD ( Just a Bunch of Disks )。最初 JBOD 用来表示
一个没有控制软件提供协调控制的磁盘集合,这是 RAID 区别与 JBOD 的主要
因素。目前 JBOD 常指磁盘柜,而不论其是否提供 RAID 功能。
RAID 的两个关键目标是提高数据可靠性和 I/O 性能。磁盘阵列中,数据
分散在多个磁盘中,然而对于计算机系统来说,就像一个单独的磁盘。通过把
相同数据同时写入到多块磁盘(典型地如镜像),或者将计算的校验数据写入
阵列中来获得冗余能力,当单块磁盘出现故障时可以保证不会导致数据丢失。
有些 RAID 等级允许更多地磁盘同时发生故障,比如 RAID6 ,可以是两块磁盘
同时损坏。在这样的冗余机制下,可以用新磁盘替换故障磁盘, RAID 会自动
根据剩余磁盘中的数据和校验数据重建丢失的数据,保证数据一致性和完整性。
数据分散保存在 RAID 中的多个不同磁盘上,并发数据读写要大大优于单个磁
盘,因此可以获得更高的聚合 I/O 带宽。当然,磁盘阵列会减少全体磁盘的总
可用存储空间,牺牲空间换取更高的可靠性和性能。比如, RAID1 存储空间利
用率仅有 50% , RAID5 会损失其中一个磁盘的存储容量,空间利用率为 (n-
1)/n 。
磁盘阵列可以在部分磁盘(单块或多块,根据实现而论)损坏的情况下,
仍能保证系统不中断地连续运行。在重建故障磁盘数据至新磁盘的过程中,系
统可以继续正常运行,但是性能方面会有一定程度上的降低。一些磁盘阵列在
添加或删除磁盘时必须停机,而有些则支持热交换 ( Hot Swapping ),允
许不停机下替换磁盘驱动器。这种高端磁盘阵列主要用于要求高可能性的应用
系统,系统不能停机或尽可能少的停机时间。一般来说, RAID 不可作为数据
备份的替代方案,它对非磁盘故障等造成的数据丢失无能为力,比如病毒、人
为破坏、意外删除等情形。此时的数据丢失是相对操作系统、文件系统、卷管
理器或者应用系统来说的,对于 RAID 系统来身,数据都是完好的,没有发生
丢失。所以,数据备份、灾 备等数据保护措施是非常必要的,与 RAID 相辅相
成,保护数据在不同层次的安全性,防止发生数据丢失。
RAID 中主要有三个关键概念和技术:镜像( Mirroring )、数据条带
( Data Stripping )和数据校验( Data parity )。镜像,将数据复制到多个
磁盘,一方面可以提高可靠性,另一方面可并发从两个或多个副本读取数据来
提高读性能。显而易见,镜像的写性能要稍低, 确保数据正确地写到多个磁盘
需要更多的时间消耗。数据条带,将数据分片保存在多个不同的磁盘,多个数
据分片共同组成一个完整数据副本,这与镜像的多个副本是不同的,它通常用
于性能考虑。数据条带具有更高的并发粒度,当访问数据时,可以同时对位于
不同磁盘上数据进行读写操作, 从而获得非常可观的 I/O 性能提升 。数据校
验,利用冗余数据进行数据错误检测和修复,冗余数据通常采用海明码、异或
操作等算法来计算获得。利用校验功能,可以很大程度上提高磁盘阵列的可靠
性、鲁棒性和容错能力。不过,数据校验需要从多处读取数据并进行计算和对
比,会影响系统性能。 不同等级的 RAID 采用一个或多个以上的三种技术,来
获得不同的数据可靠性、可用性和 I/O 性能。至于设计何种 RAID (甚至新的
等级或类型)或采用何种模式的 RAID ,需要在深入理解系统需求的前提下进
行合理选择,综合评估可靠性、性能和成本来进行折中的选择。
RAID 思想从提出后就广泛被业界所接纳,存储工业界投入了大量的时间
和财力来研究和开发相关产品。而且,随着处理器、内存、计算机接口等技术
的不断发展, RAID 不断地发展和革新,在计算机存储领域得到了广泛的应用,
从高端系统逐渐延伸到普通的中低端系统。 RAID 技术如此流行,源于其具有
显著的特征和优势,基本可以满足大部分的数据存储需求。总体说来, RAID
主要优势有如下几点:
(1) 大容量
这是 RAID 的一个显然优势,它扩大了磁盘的容量,由多个磁盘组成的
RAID 系统具有海量的存储空间。现在单个磁盘的容量就可以到 1TB 以上,这
样 RAID 的存储容量就可以达到 PB 级,大多数的存储需求都可以满足。一般
来说, RAID 可用容量要小于所有成员磁盘的总容量。不同等级的 RAID 算法
需要一定的冗余开销,具体容量开销与采用算法相关。如果已知 RAID 算法和
容量,可以计算出 RAID 的可用容量。通常, RAID 容量利用率在 50% ~ 90%
之间。
(2) 高性能
RAID 的高性能受益于数据条带化技术。单个磁盘的 I/O 性能受到接口、
带宽等计算机技术的限制,性能往往很有 限,容易成为系统性能的瓶颈。通过
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