RAID知识介绍RAID卡原理设置与使用实例.docx

RAID 的全称是廉价磁盘冗余阵列(Redundant Array of Inexpensive Disks),于 1987 年由美国Berkeley人学的两名工程师提出的RAID出现的，最初目的是将多个容量较小的 廉价硬盘合并成为一个大容量的“逻辑盘”或磁盘阵列，实现提高彼盘容量和性能的功能随着RAID技术的逐渐普及应川，RAID技术的各方面得到了很人的发展现在，RAID 从最初的RAID0-RAID5, 乂增加了 RAID0+1和RAID0+5等不同的阵列组合方式，可以根据不 同的需要实现不同的功能，扩大便盘容虽，提供数据兀余，或者是大幅度提高硬盘系统的 I/O吞吐能力RAID技术主要有三个特点：第一、通过对硬盘上的数据进行条带化，实现对数据成块存取，减少硬盘机械寻道时 间，提高数据存取速度第二、通过对一阵列中的儿块硬盘同时读取，减少便盘的机械寻道时间，提高数据存 取速度笫三、通过镜像或者存储奇偶校验信息的方式，实现対数据的冗余保护经常应用的RAID阵列主要分为RAID 0, RAID 1, RAID 5, RAID 3和RAID 0+1 1. 1 RAIDO：条带化RAID 0也叫条带化，它将数据象条带一样写到多个磁盘上，这些条带也叫做“块”。

条带化实现了可以同时访问多个磁盘上的数据，平衡1/0负载，加人了数据存储空间和加快 了数据访问速度cRATD 0是唯一的一个没有冗余功能的RAID技术，但RATDO的实现成本低 如果阵列中有一个盘出现故障，则阵列中的所有数据都会丢失如要恢复RAID 0,只有换 掉坏的硬盘，从备份设备中恢复数据到所有的硬盘中硬件和软件都可以实现RAIDOo实现RAID0最少用2个硬盘对系统而言，数据是采用 分布方式存储在所有的硬盘上，当某一个硬盘出现故障时数据会全部丢失RAID 0能提供 很高的硬盘I/O性能，可以通过硬件或软件两种方式实现RAID 0是最简单的-•种形式RAID 0可以把多块硬盘连接在一•起形成一个容量更人的 存储设备最简单的RAID 0技术只是提供更多的磁盘空间，不过我们也可以通过设置，使 用RAID 0来提高磁盘的性能和吞吐量RAID 0没冇冗余或错误修复能力，但是实现成木是 最低的RAID 0最简单的实现方式就是把儿块硬盘串联在一起创建一个大的卷集磁盘之间的 连接既可以使用硬件的形式通过智能磁盘控制器实现，也町以使用操作系统中的磁盘驱动程 序以软件的方式实现我们把4块磁盘组合在一起形成一个独立的逻辑驱动器，容量相当于 任何一块单独侦盘的4倍。

如图小彩色区域所示，数据被依次写入到各磁盘小当一块磁盘 的空间用尽时，数据就会被自动写入到下一块磁盘中这种设置方式只有一个好处，那就是可以增加磁盘的容量至于速度，则与其中任何 一块磁盘的速度相同，这是因为同一时间內只能对一块磁盘进行I/O操作如果其中的任何 一块磁盘出现故障，整个系统将会受到破坏，无法继续使用从这种意义上说，使用纯RAID 0方式的可靠性仅相当于单独使用一块硕盘的1/4 (因为本例中RAID 0使用了 4块硕盘) 图示如下：Controller虽然我们无法改变raid o的可靠性问题，但是我们可以通过改变配置方式，提供系统 的性能与前文所述的顺序写入数据不同，我们可以通过创建带区集，在同一时间内向多块 磁盘写入数据系统向逻辑设备发岀的T/o指令被转化为4项操作，其中的每一项操作都对 应于一块硕盘我们从图中对以清楚的看到通过建立带区集，原先顺序写入的数据被分散到 所有的四块硬盘中同时进行读写四块硬盘的并行操作使同一时间内磁盘读写的速度提升了 4倍具体如图所示：Controller在创建带区集时，合理的选择带区的大小非常重要如果带区过大，可能一块磁盘上 的带区空间就可以满足大部分的I/O操作，使数据的读写仍然只局限在少数的一、两块硬盘 上，不能充分的发挥出并行操作的优势。

另一方而，如果带区过小，任何I/O指令都可能引 发人量的读写操作，占用过多的控制器总线带宽因此，在创建带区集时，我们应当根据实 际应用的需要，慎重的选择带区的大小我们已经知道，带区集可以把数据均匀的分配到所有的磁盘上进行读写如果我们把 所有的硬盘都连接到一个控制器上的话，对能会带来潜在的危害这是因为当我们频繁进行 读写操作时，很容易使控制器或总线的负荷超载为了避免出现上述问题，建议用户可以使 用多个磁盘控制器这样，我们就可以把原先控制器总线上的数据流量降低一半当然，最 好解决方法还是为每一块硬盘都配备一个专门的磁盘控制器示意图如下：\ ControllerController、1.2 RAID 1：磁盘镜像也被称为磁盘镜像系统将数据同时重复的写入两个硬盘，但是在操作系统中表现为 一个逻辑盘所以如果一个硕盘发生了故障，另一个硕盘中仍然保留了一份完整的数据，系 统仍然可以照常工作系统可以同时从两个硬盘读取数据，所以会提高硬盘读的速度；但由 于在系统写数据需要重复一次，所以会影响系统写数据的速度硬盘容量的利用率只有50%虽然RAID 0 nJ以提供更多的空间和更好的性能，但是整个系统是非常不可靠的，如果 出现故障，无法进行任何补救。

所以，RATD 0 一般只是在那些对数据安全性要求不高的情 况下才被人们使用RAID 1和RAID 0截然不同，其技术重点全部放在如何能够在不影响性能的情况下最人 限度的保证系统的可靠性和可修复性上RAID 1是所有RAID等级小实现成本最高的…种, 尽管如此，人们还是选择RAID 1来保存那些关键性的重要数据RAID 1 乂被称为磁盘镜像，每一个磁盘都具有--个対应的镜像盘対任何一个磁盘的 数据写入都会被复制镜像盘中；系统对以从一组镜像盘中的任何一个磁盘读取数据显然, 磁盘镜像肯定会提高系统成木因为我们所能使用的空间只是所有磁盘容赧总和的一半下 图显示的是由4块侦盘组成的磁盘镜像，其中可以作为存储空间使用的仅为两块硕盘（画斜 线的为镜像部分）Controllerraid 1卞，任何一•块硬盘的故障都不会影响到系统的正常运行，而且只要能够保证任 何一对镜像盘中至少有一块磁盘对以使用，RAID 1甚至町以在一半数量的硬盘出现问题时 不间断的工作当一块硬盘失效时，系统会忽略该硬盘，转而使用剩余的镜像盘读写数据通常，我们把出现便盘故障的RAID系统称为在降级模式下运行虽然这时保存的数据 仍然可以继续使用，但是RAID系统将不再可靠。

如果剩余的镜像盘也出现问题，那么整个 系统就会崩溃因此，我们应当及时的更换损坏的硬盘，避免出现新的问题更换新盘Z后，原冇好盘中的数据必须被复制到新盘中这一操作被称为同步镜像 同步镜像一般都需要很长时间，尤其是当损害的硬盘的容最很人时更是如此亦同步镜像的 进行过程中，外界対数据的访问不会受到影响，但是由于复制数据需要占用一部分的带宽, 所以町能会使整个系统的性能有所下降因为RAID 1主要是通过二次读写实现磁盘镜像，所以磁盘控制器的负载也札I当人，尤 其是在需要频繁写入数据的环境中为了避免出现性能瓶颈，使用多个磁盘控制器就显得很 有必要使用两个磁盘控制器不仅可以改善性能，还可以进-步的提高数据的安全性和可用性 我们已经知道，RAID 1最多允许一半数量的硬盘出现故障，所以按照我们上图中的设置方 式（原盘和镜像盘分别连接不同的磁盘控制），即使一个磁盘控制器出现问题，系统仍然可 以使用另外一-个磁盘控制器继续工作这样，就可以把一些由于意外操作所带來的损害降低 到最低程度下图示意了使用两个控制器的磁盘镜像\\XControllerController1.3 RAID0+1对RAIDO阵列做镜像。

这是一种Dual Level RAID,也有人称之为RAID level 10是 两组硬盘先做RA1D0,组成两颗大容量的逻辑硬盘，再互相为“镜像”在侮次写入数据, 磁盘阵列控制器会将资料同时写入该两组“大容量数组硬盘组”内同RAID level 1 一样, 虽然其硬盘使用率亦只有50%,但它却是最具高效率的规划方式单独使用RAID 1也会出现类似单独使用RAID 0那样的问题，即在同一时间内只能向 一块磁盘写入数据，不能充分利用所有的资源为了解决这一问题，我们可以在磁盘镜像中 建立带区集因为这种配置方式综合了带区集和镜像的优势，所以被称为RAID 0+1Stripe Set Raid ?Mirror 1Mirror 21.4 RAID3RAID 3采用的是一种较为简单的校验实现方式，使用一个专门的磁盘存放所有的校验 数据，而在剩余的磁盘中创建带区集分散数据的读写操作例如，在一个由4块硕盘构成的RAID 3系统中，3块硬盘将被用来保存数据，第四块硬盘则专门用于校验这种配置方式nJ 以用3卜1的形式表示，具体如图：Controller在上图中，我们用相同的颜色表示使用同一个校验块的所冇数据块，斜线标出的 部分为校验块。

校验块和所有对应的数据块一起构成一个帯区笫四块硬盘中的每一个校验块所包含的都是具它3块硬盘中对应数据块的校验信息RAID 3 的成功之处就在于不仅可以象RAID 1那样提供容错功能，而且整体开销从RAID 1的50%下 降为25% (RAID 3+1)随着所使用磁盘数量的增多，成木开销会越来越小举例来说，如 果我们使用7块硬盘，那么总开销就会将到12. 5% (1/7)在不同情况下，RAID 3读写操作的复杂程度不同最简单的情况就是从-个完好的RAID 3 系统中读取数据这时，只需要在数据存储盘中找到相应的数据块进行读取操作即可，不会 增加任何额外的系统开销当向RAID 3写入数据时，情况会变得复杂一些即使我们只是向一个磁盘写入一个数据块， 也必须计算与该数据块同处一个带区的所有数据块的校验值，并将新值重新写入到校验块中 例如，当我们向上图中的绿色数据块写入数据时，必须重新计算所有3个绿色数据块的校验 值，然后重写位于第四块硬盘的绿色校验块由此我们可以看出，一个写入操作事实上包含 了数据读取(读取带区中的关联数据块)，校验值计算，数据块写入和校验块写入四个过程 系统开销大人增加我们可以通过适当设置带区的大小使RAID系统得到简化。

如果某个写入操作的长度恰好等 于一个完整带区的大小(全带区写入)，那么我们就不必再读取带区中的关联数据块计算校 验值我们只需耍计算整个带区的校验值，然后直接把数据和校验信息写入数据盘和校验盘 即可到冃前为止，我们所探讨的都是正常运行状况下的数据读写下面，我们再来看一下当硬盘 出现故障时，RAID系统在降级模式下的运行情况RAID 3虽然具有容错能力，但是系统会受到影响当-块磁盘失效时，该磁盘上的所有数 据块必须使用校验信息重新建立如果我们是从好盘中读取数据块，不会有任何变化但是 如果我们所要读取的数据块正好位于已经损坏的磁盘，则必须同时读取同一带区中的所有其 它数据块，并根据校验值重建丢失的数据当我们更换了损坏的磁盘Z后，系统必须一个数据块一个数据块的重建坏盘中的数据整个 过程包括读取带区，计算丢失的数据块和向新盘写入新的数据块，都是在后台自动进行重 建活动最好是在RAID系统空闲的时候进行，否则整个系统的性能会受到严重的影响RAID 3的性能问题除了我们在上文讨论过的冇关数据写入和降级模式的问题Z外，在使用RAID 3的过程中还 有其他_•些性能上的问题需要引起我们的注意RAID 3所存在的最大一个不足同时也是导 致RAID 3很少被人们采用的原因就是校验盘很容易。