RAID技術(shù)的基礎(chǔ)介紹和總結(jié)

時間：2017-04-26作者：深圳市迪仂科技有限公司瀏覽：29

　RAID是一個我們經(jīng)常能見到的名詞。但卻因為很少能在實際環(huán)境中體驗,所以很難對其原理 能有很清楚的認(rèn)識和掌握。本文將對RAID技術(shù)進(jìn)行介紹和總結(jié)，以期能盡量闡明其概念。
　　簡介
　　RAID全稱為獨立磁盤冗余陣列(Rdeundant Array of Independent Disks),基本思想就是把 多個相對*的硬盤組合起來，成為一個硬盤陣列組，使性能達(dá)到甚至**過一個價格昂貴、 容量巨大的硬盤。RAID通常被用在服務(wù)器電腦上，使用完全相同的硬盤組成一個邏輯扇區(qū), 因此操作系統(tǒng)只會把它當(dāng)做一個硬盤。
　　RAID分為不同的等級，各個不同的等級均在數(shù)據(jù)可靠性及讀寫性能上做了不同的權(quán)衡。 在實際應(yīng)用中，可以依據(jù)自己的實際需求選擇不同的RAID方案。
　　

 
　　標(biāo)準(zhǔn)RAID
　　RAID 0
　　RAID0稱為條帶化(Striping)存儲,將數(shù)據(jù)分段存儲于 各個磁盤中，讀寫均可以并行處理。因此其讀寫速率為單個磁盤的N倍(N為組成RAID0的磁盤個數(shù))，但是卻沒有數(shù) 據(jù)冗余，單個磁盤的損壞會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不可修復(fù)。
　　

 
　　大多數(shù)striping的實現(xiàn)允許管理者通過調(diào)節(jié)兩個關(guān)鍵的參數(shù)來定義數(shù)據(jù)分段及寫入磁盤的 方式,這兩個參數(shù)對RAID0的性能有很重要的影響。
　　STRIPE WIDTH
　　stripe width是指可被并行寫入的 stripe 的個數(shù),即等于磁盤陣列中磁盤的個數(shù)。
　　STRIPE SIZE
　　也可稱為block size(chunk size,stripe length,granularity)，指寫入每個磁 盤的數(shù)據(jù)塊大小。以塊分段的RAID通?？稍试S選擇的塊大小從 2KB 到 512KB不等，也有較 高的，但一定要是2的指數(shù)倍。以字節(jié)分段的(比如RAID3)一般的stripe size為1字節(jié)或者 512字節(jié)，并且用戶不能調(diào)整。
　　stripe size對性能的影響是很難簡單估量的，較好在實際應(yīng)用中依自己需求多多調(diào)整并 觀察其影響。通常來說，減少stripe size,文件會被分成較小的塊，傳輸數(shù)據(jù)會較快，但 是卻需要更多的磁盤來保存,增加positioning performance,反之則相反。應(yīng)該說，沒有 一個理論上的較優(yōu)的值。很多時候，也要考慮磁盤控制器的策略,比如有的磁盤控制器會等 等到一定數(shù)據(jù)量才開始往磁盤寫入。
　　RAID 1
　　鏡像存儲(mirroring)，沒有數(shù)據(jù)校驗。數(shù)據(jù)被同等地寫入兩個或多個磁盤中，可想而知，寫入速度會比較 慢，但讀取速度會比較快。讀取速度可以接近所有磁盤吞吐量的總和,寫入速度受限于較慢 的磁盤。
　　RAID1也是磁盤利用率較低的一個。如果用兩個不同大小的磁盤建立RAID1,可以用空間較小的那一個，較大的磁盤多出來的部分可以作他用，不會浪費。
　　

 
　　RAID 2
　　RAID0的改良版，加入了漢明碼(Hanmming Code)錯誤校驗。
　　

 
　　漢明碼能夠檢測較多兩個同時發(fā)生的比特錯誤，并且能夠更正單一比特的錯誤。漢明碼的位 數(shù)與數(shù)據(jù)的位數(shù)有一個不等式關(guān)系，即:
　　2^P ≥ P + D +1
　　P代表漢明碼的個數(shù)，D代表數(shù)據(jù)位的個數(shù),比如4位數(shù)據(jù)需要3位漢明碼，7位數(shù)據(jù)需要4位漢 明碼，64位數(shù)據(jù)時就需要7位漢明碼。RAID2是按1bit來分割數(shù)據(jù)寫入的，而P:D就代表了數(shù)據(jù) 盤與校驗盤的個數(shù)。所以如果數(shù)據(jù)位寬越大，用于校驗的盤的比例就越小。由于漢明碼能夠糾正單一比特的錯誤，所以當(dāng)單個磁盤損壞時，漢明碼便能夠糾正數(shù)據(jù)。
　　RAID 2 因為每次讀寫都需要全組磁盤聯(lián)動，所以為了較大化其性能，較好保證每塊磁盤主軸同步，使同一時刻每塊磁盤磁頭所處的扇區(qū)邏輯編號都一致，并存并取，達(dá)到較佳性能。 如果不能同步，則會產(chǎn)生等待，影響速度。
　　與RAID0相比，RAID2的傳輸率較好。因為RAID0一般stripe size相對于RAID2的1bit來說實在太大，并不能保證每次都是多磁盤并行。而RAID2每次IO都能保證是多磁盤并行，為了 發(fā)揮這個優(yōu)勢，磁盤的尋道時間一定要減少(尋道時間比數(shù)據(jù)傳輸時間要大幾個數(shù)量級),所 以RAID2適合于連續(xù)IO,大塊IO(比如視頻流服務(wù))的情況。
　　RAID 3
　　類似于RAID2,數(shù)據(jù)條帶化(stripe)存儲于不同的硬盤,數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，只是RAID3使用單塊磁盤存儲簡單的 奇偶校驗信息，所以較終磁盤數(shù)量為 N+1 。當(dāng)這N+1個硬盤中的其中一個硬盤出現(xiàn)故障時，從其它N個硬盤中的數(shù)據(jù)也可以恢復(fù)原始數(shù)據(jù),當(dāng)更換一個新硬盤后，系統(tǒng)可以重新恢復(fù)完整 的校驗容錯信息。
　　

 
　　由于在一個硬盤陣列中，多于一個硬盤同時出現(xiàn)故障率的幾率很小，所以一般情況下，使用 RAID3，安全性是可以得到**的。RAID 3會把數(shù)據(jù)的寫入操作分散到多個磁盤上進(jìn)行，不管是向哪一個數(shù)據(jù)盤寫入數(shù)據(jù)， 都需要同時重寫校驗盤中的相關(guān)信息。因此，對于那些經(jīng)常需要執(zhí)行大量寫入操作的應(yīng)用來說，校驗盤的負(fù)載將會很大，無法滿足程序的運(yùn)行速度，從而導(dǎo)致整個RAID系統(tǒng)性能的下降。 鑒于這種原因，RAID 3較加適合應(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 4
　　與RAID3類似，但RAID4是按塊(扇區(qū))存取。無須像RAID3那樣，哪怕每一次小I/O操作也要涉 及全組，只需涉及組中兩塊硬盤(一塊數(shù)據(jù)盤，一塊校驗盤)即可，從而提高了小量數(shù)據(jù) I/O速度。
　　

 
　　RAID 5
　　奇偶校驗(XOR)，數(shù)據(jù)以塊分段條帶化存儲。校驗信息交叉地存儲在所有的數(shù)據(jù)盤上。
　　

 
　　RAID5把數(shù)據(jù)和相對應(yīng)的奇偶校驗信息存儲到組成RAID5的各個磁盤上，并且奇偶校驗信息和 相對應(yīng)的數(shù)據(jù)分別存儲于不同的磁盤上，其中任意N-1塊磁盤上都存儲完整的數(shù)據(jù)，也就是 說有相當(dāng)于一塊磁盤容量的空間用于存儲奇偶校驗信息。因此當(dāng)RAID5的一個磁盤發(fā)生損壞 后，不會影響數(shù)據(jù)的完整性，從而保證了數(shù)據(jù)安全。當(dāng)損壞的磁盤被替換后，RAID還會自動 利用剩下奇偶校驗信息去重建此磁盤上的數(shù)據(jù)，來保持RAID5的高可靠性。
　　RAID 5可以理解為是RAID 0和RAID 1的折衷方案。RAID 5可以為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)安全**，但**程度要比鏡像低而磁盤空間利用率要比鏡像高。RAID 5具有和RAID 0相近似的數(shù)據(jù)讀取 速度，只是因為多了一個奇偶校驗信息，寫入數(shù)據(jù)的速度相對單獨寫入一塊硬盤的速度略慢。
　　RAID 6
　　類似RAID5,但是增加了*二個獨立的奇偶校驗信息塊，兩個獨立的奇偶系統(tǒng)使用不同的算法，數(shù)據(jù)的可靠性非常高，即使兩塊磁盤同時失效也不會影響數(shù)據(jù)的使用。但RAID 6需要分配給 奇偶校驗信息較大的磁盤空間，相對于RAID 5有較大的“寫損失”，因此“寫性能”非常差。
　　

 
　　由圖所知，每個硬盤上除了都有同級數(shù)據(jù)XOR校驗區(qū)外，還有一個針對每個數(shù)據(jù) 塊的XOR校驗區(qū)。當(dāng)然，當(dāng)前盤數(shù)據(jù)塊的校驗數(shù)據(jù)不可能存在當(dāng)前盤而是交錯存儲的。從數(shù)學(xué)角度來說，RAID 5使用一個方程式解出一個未知變量，而RAID 6則能通過兩個獨立的線性方程構(gòu)成方程組，從而恢復(fù)兩個未知數(shù)據(jù)。
　　伴隨著硬盤容量的增長,RAID6已經(jīng)變得越來越重要。TB級別的硬盤上較*造成數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)重建過程(比如RAID5，只允許一塊硬盤損壞)也越來越長，甚至到數(shù)周，這是完全不可接受的。而RAID6允許兩塊硬盤同時發(fā)生故障，所以漸漸受到人們的青睞。
　　伴隨CD，DVD和藍(lán)光光盤的問世，存儲介質(zhì)出現(xiàn)了擦除碼技術(shù)，即使媒介表面出現(xiàn)劃痕，仍 然可以播放，大多數(shù)常見的擦除碼算法已經(jīng)演變?yōu)樯鲜兰o(jì)60年代麻省理工學(xué)院林肯實驗室開發(fā)的Reed-Solomon碼。實際情況中，多數(shù)RAID6實現(xiàn)都采用了標(biāo)準(zhǔn)的RAID5教校驗比特和Reed-Solomon碼 。而純擦除碼算法的使用使得RAID6陣列可以失效兩塊以上的硬盤,保護(hù)力度較強(qiáng),有些實現(xiàn)方法提供了多種級別的保護(hù)，甚至允許用戶(或存儲管理員)*保護(hù)級別。
　　混合RAID
　　RAID 01
　　顧名思義，是RAID0和RAID1的結(jié)合。先做條帶(0),再做鏡像(1)。
　　

 
　　RAID 10
　　同上，但是先做鏡像(1)，再做條帶(0)
　　

 
　　RAID01和RAID10非常相似，二者在讀寫性能上沒有什么差別。但是在安全性上RAID10要好于 RAID01。如圖中所示，假設(shè)DISK0損壞，在RAID10中，在剩下的3塊盤中，只有當(dāng)DISK1故障， 整個RAID才會失效。但在RAID01中，DISK0損壞后，左邊的條帶將無法讀取，在剩下的3快盤 中,只要DISK2或DISK3兩個盤中任何一個損壞,都會導(dǎo)致RAID失效。
　　RAID10和RAID5也是經(jīng)常用來比較的兩種方案，二者都在生產(chǎn)實踐中得到了廣泛的應(yīng)用。 RAID10安全性較高，但是空間利用率低。至于讀寫性能，與cache有很大關(guān)聯(lián)，較好根據(jù)實 際情況測試比較選擇。
　　非標(biāo)準(zhǔn)RAID
　　DRFS
　　DRFS,即DistributedRaidFileSystem,是一種嘗試將RAID與Hadoop的DFS結(jié)合起來的技術(shù)。 通常的HDFS在實踐中需要將replication factor設(shè)為3以保證數(shù)據(jù)完整性，而如果利用 RAID的stripe和partity(奇偶校驗)技術(shù),將數(shù)據(jù)分為多個塊，并且存儲各個塊的校驗信 息(XOR或擦除碼)。有了這些措施，塊的副本數(shù)就可以降低并且保證同樣的數(shù)據(jù)可靠性，就能節(jié)省相當(dāng)一部分的存儲空間。
　　DRFS包含以下幾個組件：
　　DRFS client: 提供應(yīng)用程序訪問DRFS的接口，在發(fā)現(xiàn)讀取到的文件有損壞時修復(fù),整 個操作對應(yīng)用程序透明
　　RaidNode: 創(chuàng)建，維護(hù)檢驗文件的daemon
　　BlockFixer: 周期性地檢查文件,重新計算校驗和,修復(fù)文件.
　　RaidShell: 類似于hadoop shell.
　　ErasureCode: 即DRFS所使用的生成校驗碼的算法，可為XOR或者Reed-Solomon算法。 XOR僅能創(chuàng)建一個校驗字節(jié)，而Reed-Solomon則可以創(chuàng)建無數(shù)位(位數(shù)越多，能恢復(fù)的數(shù) 據(jù)也越多),如果使用Reed-Solomon,replication甚至可以降為1，缺點是降低了數(shù)據(jù)讀 寫的并行程度(只能從單機(jī)讀寫)。
　　實現(xiàn)
　　軟件實現(xiàn)
　　現(xiàn)在很都操作系統(tǒng)都提供了RAID的軟件實現(xiàn),主要由以下幾個方面:
　　由軟件在多個設(shè)備上創(chuàng)建RAID，比如linux上的mdadm工具.具體使用方法可查看參考鏈接中 的例子。
　　LVM或者Veritas,虛擬卷管理工具.
　　文件系統(tǒng)實現(xiàn) :btrfs,ZFS,GPFS.這些文件都可以直接管理多個設(shè)備上的數(shù)據(jù)，實 現(xiàn)了類似各級RAID的功能。
　　在已有文件系統(tǒng)之上提供數(shù)據(jù)校驗功能的RAID系統(tǒng)(RAID-F)
　　固件/驅(qū)動實現(xiàn)
　　軟件實現(xiàn)并總是與系統(tǒng)的啟動進(jìn)程兼容，硬件實現(xiàn)(RAID控制器)總是太貴并且都是廠商專有的技術(shù)，所以 有了一中混合的實現(xiàn):系統(tǒng)啟動時，由固件(firmware)來實現(xiàn)RAID，系統(tǒng)啟動的差不多了，由驅(qū)動來管 理RAID。當(dāng)然，這需要操作系統(tǒng)對這種驅(qū)動提供支持。


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  詞條說明

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