RAID

RAID(Redundant Array of Independent Disk 独立冗余磁盘阵列)技术是加州大学伯克利分校1987年提出,最初是为了组合小的廉价磁盘来代替大的昂贵磁盘,同时希望磁盘失效时不会使对数据的访问受损失而开发出一定水平的数据保护技术。RAID就是一种由多块廉价磁盘构成的冗余阵列,在操作系统下是作为一个独立的大型存储设备出现。RAID可以充分发挥出多块硬盘的优势,可以提升硬盘速度,增大容量,提供容错功能够确保数据安全性,易于管理的优点,在任何一块硬盘出现问题的情况下都可以继续工作,不会受到损坏硬盘的影响。

RAID的几种工作模式

1、RAID0

即Data Stripping数据分条技术。RAID 0可以把多块硬盘连成一个容量更大的硬盘群,可以提高磁盘的性能和吞吐量。RAID 0没有冗余或错误修复能力,成本低,要求至少两个磁盘,一般只是在那些对数据安全性要求不高的情况下才被使用。

(1)、RAID 0最简单方式

就是把x块同样的硬盘用硬件的形式通过智能磁盘控制器或用操作系统中的磁盘驱动程序以软件的方式串联在一起,形成一个独立的逻辑驱动器,容量是单独硬盘的x倍,在电脑数据写时被依次写入到各磁盘中,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,它的好处是可以增加磁盘的容量。速度与其中任何一块磁盘的速度相同,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,可靠性是单独使用一块硬盘的1/n。

(2)、RAID 0的另一方式

是用n块硬盘选择合理的带区大小创建带区集,最好是为每一块硬盘都配备一个专门的磁盘控制器,在电脑数据读写时同时向n块磁盘读写数据,速度提升n倍。提高系统的性能。

2、RAID 1

RAID 1称为磁盘镜像:把一个磁盘的数据镜像到另一个磁盘上,在不影响性能情况下最大限度的保证系统的可靠性和可修复性上,具有很高的数据冗余能力,但磁盘利用率为50%,故成本最高,多用在保存关键性的重要数据的场合。RAID 1有以下特点:

(1)、RAID 1的每一个磁盘都具有一个对应的镜像盘,任何时候数据都同步镜像,系统可以从一组镜像盘中的任何一个磁盘读取数据。

(2)、磁盘所能使用的空间只有磁盘容量总和的一半,系统成本高。

(3)、只要系统中任何一对镜像盘中至少有一块磁盘可以使用,甚至可以在一半数量的硬盘出现问题时系统都可以正常运行。

(4)、出现硬盘故障的RAID系统不再可靠,应当及时的更换损坏的硬盘,否则剩余的镜像盘也出现问题,那么整个系统就会崩溃。

(5)、更换新盘后原有数据会需要很长时间同步镜像,外界对数据的访问不会受到影响,只是这时整个系统的性能有所下降。

(6)、RAID 1磁盘控制器的负载相当大,用多个磁盘控制器可以提高数据的安全性和可用性。

RAID 0+1(10)

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+1。

热插拔

一些面向高端应用的磁盘镜像系统都可以提供磁盘的热插拔功能。所谓热插拔功能,就是允许用户在不关闭系统,不切断电源的情况下取出和更换损害的硬盘。如果没有热插拔功能,即使磁盘损坏不会造成数据的丢失,用户仍然需要暂时关闭系统,以便能够对硬盘进行更换。现在,使用热插拔技术只要简单的打开连接开关或者转动手柄就可以直接取出硬盘,而系统仍然可以不间断的正常运行。

校验

RAID 3和RAID 5都分别使用了校验的概念提供容错能力。简单的说,我们可以把校验想象为一种二进制的校验和,一个可以告诉你其它所有字位是否正确的特殊位。
在数据通信领域,奇偶校验被用来确定数据是否被正确传送。例如,对于每一个字节,我们可以简单计算数字位1的个数,并在字节内加入附加校验位。在数据的接收方,如果数字位1的个数为奇数,而我们使用的又是奇数校验的话,则说明该字节是正确的。同样对偶数校验也是如此。然而,如果数字位1的个数和校验位的奇偶性不一致的话,则说明数据在传送过程中出现了错误。

RAID系统也采用了相似的校验方法,可以在磁盘系统中创建校验块,校验块中的每一位都用来对其它关联块中的所有对应位进行校验。

在数据通讯领域,虽然校验位可以告诉我们某个字节是否正确,但是无法告诉我们到底是哪一位出现了问题。这就是说我们可以检测错误,但是不能改正错误。对于RAID,这是远远不够的。固然错误的检测非常重要,但是如果不能对错误进行修复,我们就无法提高整个系统的可靠性。
举个例子来说,假设我们发现校验块中第10个字节的第5位不正确。如果这个校验块包含的是另外8个数据块的校验信息,那么哪一个数据块才是问题的罪魁祸首呢?也许你可能会想为每一个数据块都建立一个校验块就可以解决问题。但是这种方法很难实现。事实上,RAID主要是借助磁盘控制器的错误报告检测错误位置,并进行修复。如果磁盘控制器在读取数据时没有发出任何“抱怨”,那么系统将会视该数据为正确数据,继续使用。

RAID 3

RAID 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块硬盘构成的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。

第四块硬盘中的每一个校验块所包含的都是其它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,成本开销会越来越小。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一个完好的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。系统开销大大增加。

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。我们只需要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。

到目前为止,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。当一块磁盘失效时,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之后,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 5

RAID 3所存在的校验盘的性能问题使几乎所有的RAID系统都转向了RAID 5。在运行机制上,RAID 5和RAID 3完全相同,也是由同一带区内的几个数据块共享一个校验块。

RAID 5和RAID 3的最大区别在于RAID 5不是把所有的校验块集中保存在一个专门的校验盘中,而是分散到所有的数据盘中。RAID 5使用了一种特殊的算法,可以计算出任何一个带区校验块的存放位置。

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