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1、RAID技术详解RAID，为RedundantArraysofIndependentDisks的简称，中文为廉价冗余磁盘阵列。在1987年由美国柏克莱大学提出RAID（RedundantArrayofInexpensiveDisks）理论，作为高性能的存储系统，巳经得到了越来越广泛的应用。RAID阵列技术允许将一系列磁盘分组，以实现为数据保护而必需的数据冗余，以及为提高读写性能而形成的数据条带分布。RAID最初用于高端服务器市场，不过随着计算机技术的快速发展，RAID技术已经渗透到计算机遍布的各个领域。如今，在家用电脑主板中，RAID控制芯片也随处可见。RAID的级别从RAID概念的提出到现在
2、，巳经发展了多个级别，有明确标准级别分别是0、1、2、3、4、5等。但是最常用的是0、1、3、5四个级别。其他还有6、7、10、30、50等。RAID为使用者降低了成本、增加了执行效率，并提供了系统运行的稳定性。标准的RAID写操作，包括如：RAID4或RAID5中所必需的校验计算，需包括以下几个步骤：（1）以校验盘中读取数据（2）以目标数据盘中读取数据（3）以旧校验数据，新数据及已存在数据，生成新的校验数据（4）将新校验数据写入校验盘（5）将新数据写入目标数据盘当主机将一个待写入阵列RAID组中的数据发送到阵列时，阵列控制器将该数据保存在缓存中并立即报告主机该数据的写入工作已完成。该数据写入
3、到阵列硬盘的工作由阵列控制器完成，该数据可继续存放在Cache中直到Cache满，而且要为新数据腾出空间而必须刷新时或阵列需停机时，控制器会及时将该数据从Cache写入阵列硬盘中。这种缓存回写技术使得主机不必等待RAID校验计算过程的完成，即可处理下一个读写任务，这样，主机的读写效率大为增加。当主机命令将一个数据写入硬盘，则阵列控制器将该数据写入缓存最上面的位置，只有新数据才会被控制器按Write-BackCache的方式最后写入硬盘。RAID特点：1.成本低，功耗小，传输速率高。在RAID中，可以让很多磁盘驱动器同时传输数据，而这些磁盘驱动器在逻辑上又是一个磁盘驱动器，所以使用RAID可以达
4、到单个的磁盘驱动器几倍、几十倍甚至上百倍的速率。这也是RAID最初想要解决的问题。因为当时CPU的速度增长很快，而磁盘驱动器的数据传输速率无法大幅提高，所以需要有一种方案解决二者之间的矛盾。而RAID最后成功了。2.可以提供容错功能，这是大多数使用RAID的第二个原因。因为，普通磁盘驱动器无法提供容错功能，如果不包括写在磁盘上的CRC(循环冗余校验)码的话。RAID和容错是建立在每个磁盘驱动器的硬件容错功能之上的，所以它可以提供更高的安全性。3.RAID比起传统的大直径磁盘驱动器来，在同样的容量下，价格要低许多。-RAID0:RAID0又称数据分块，即把数据分成若干相等大小的小块，并把它们写到
5、阵列上不同的硬盘上，这种技术又称“Stripping”（即将数据条带化）。把数据分布在多个盘上，在读写时是以并行的方式对各硬盘同时进行操作。从理论上讲，其容量和数据传输率是单个硬盘的N倍。N为构成RAID0的硬盘总数。当然，若阵列控制器有多个硬盘通道时，对多个通道上的硬盘进行RAID0操作，I/O性能会更高。数据被分成从512字节到数兆字节的若干块后，再交替写到磁盘中。第1块被写到磁盘1中，第2块被写到磁盘2中，如此类推。当系统到达阵列中的最后一个磁盘时，就写到磁盘1的下一分段，如此下去。分割数据可以将IO负载平均分配到所有的驱动器中。由于驱动器可以同时写或读，使得性能显著提高。但是，它却没有
6、数据保护能力。如果一个磁盘出现故障，那么数据就会全盘丢失。从严格意义上说，RAID0不是RAID，因为它没有数据冗余和校验。RAID0技术只是实现了带区组。在实现过程中，RAID0只是连续地分割数据并行地读/写于多个磁盘上。由于数据块被并行地保存在不同的磁盘上，因此RAID0具有很高的数据传输率。另外，由于组成RAID0的所有硬盘空间都可以用来保存数据，因此RAID0的存储空间利用率也是最高的。所以RAID0只适用于类似Video/Audio信号存储、临时文件的转储等对速度要求极其严格的特殊应用。由于没有任何的数据冗余，所以安全性极低，只要RAID里的任何一块磁盘损坏，都会发生所有数据丢失的毁
7、灭性的情况。换句话说，RAID0模式中，硬盘个数越多，安全性越低。因此，RAID0不适用于关键任务环境，但是，它却非常适合于视频、图象的制作和编辑。如图所示：系统向三个磁盘组成的逻辑硬盘（RADI0磁盘组）发出的I/O数据请求被转化为3项操作，其中的每一项操作都对应于一块物理硬盘。我们从图中可以清楚的看到通过建立RAID0，原先顺序的数据请求被分散到所有的三块硬盘中同时执行。从理论上讲，三块硬盘的并行操作使同一时间内磁盘读写速度提升了3倍。但由于总线带宽等多种因素的影响，实际的提升速率肯定会低于理论值，但是，大量数据并行传输与串行传输比较，提速效果显著显然毋庸置疑。RAID0的缺点是不提供数据
8、冗余，因此一旦用户数据损坏，损坏的数据将无法得到恢复。RAID0具有的特点，使其特别适用于对性能要求较高，而对数据安全不太在乎的领域，如图形工作站等。对于个人用户，RAID0也是提高硬盘存储性能的绝佳选择.RAID1:RAID1也被称为RAID镜象（DiskMirroring），因为一个磁盘上的数据被完全复制到另一个磁盘上。如果一个磁盘的数据发生错误，或者硬盘出现了坏道，那么另一个硬盘可以补救回磁盘故障而造成的数据损失和系统中断。另外，RAID1还可以实现双工即可以复制整个控制器，这样在磁盘故障或控制器故障发生时，您的数据都可以得到保护。镜象和双工的缺点是需要多出一倍数量的驱动器来复制数据，但
9、系统的读写性能并不会由此而提高，这可能是一笔不小的开支。RAIDl可以由软件或硬件方式实现。RAID1主要是通过数据镜像实现数据冗余，在两对分离的磁盘上产生互为备份的数据，因此RAID1具有很高的安全性，它甚至可以保证在一半数量的磁盘出现问题时还能不间断地工作，但是整个系统的处理能力会受到影响。不过，由于RAID1需要通过两次读写来实现磁盘镜像，这样虽然保证了镜像磁盘随时与原磁盘上的数据完全一致，但是磁盘控制器的负载相当大。另外，RAID1的数据空间浪费极其严重，是RAID各种等级中成本最高的一种。它只有一半的磁盘空间利用率，只有当系统需要极高的可靠性时，人们才会选择使用RAID1。因此RAI
10、D1常用于对容错要求极严的应用场合。当读取数据时，系统先从RAID0的源盘读取数据，如果读取数据成功，则系统不去管备份盘上的数据；如果读取源盘数据失败，则系统自动转而读取备份盘上的数据，不会造成用户工作任务的中断。当然，我们应当及时地更换损坏的硬盘并利用备份数据重新建立Mirror，避免备份盘在发生损坏时，造成不可挽回的数据损失。由于对存储的数据进行百分之百的备份，在所有RAID级别中，RAID1提供最高的数据安全保障。同样，由于数据的百分之百备份，备份数据占了总存储空间的一半，因而，Mirror的磁盘空间利用率低，存储成本高。Mirror虽不能提高存储性能，但由于其具有的高数据安全性，使其尤
11、其适用于存放重要数据，如服务器和数据库存储等领域。RAID2:RAID2是为大型机和超级计算机开发的带海明码校验磁盘阵列。磁盘驱动器组中的第1个、第2个、第4个第2的n次幂个磁盘驱动器是专门的校验盘，用于校验和纠错。如下图：七个磁盘驱动器组建的RAID2，第1、2、4个磁盘驱动器（红色）是纠错盘，其余的（紫色）用于存放数据。RAID2对大数据量的读写具有极高的性能，但少量数据的读写时性能反而不好，所以RAID2实际使用较少。由于RAID2的特殊性，只要我们使用的磁盘驱动器越多，校验盘在其中占的百分比越少。如果希望达到比较理想的速度和较好的磁盘利用率，那最好可以增加保存校验码ECC码的硬盘，但是
12、这就要付出更多硬盘的购买成本，来确保数据冗余。对于控制器的设计来说，它比下面所说的RAID3，4或5要简单。RAID3:RAID3属于单盘容错并行传输。即采用Stripping技术将数据分块，对这些块进行异或校验，校验数据写到最后一个硬盘上。它的特点是有一个盘为校验盘，数据以位或字节的方式存于各盘（分散记录在组内相同扇区的各个硬盘上）。当一个硬盘发生故障，除故障盘外，写操作将继续对数据盘和校验盘进行操作。而读操作是通过对剩余数据盘和校验盘的异或计算重构故障盘上应有的数据来进行的。RAID3的优点是并行I/O传输和单盘容错，具有很高可靠性。缺点：每次读写要牵动整个组，每次只能完成一次I/O。奇偶
13、位是编码信息，如果某个磁盘的数据有误，或者磁盘发生故障，就可以用它来恢复数据。在数据密集型环境或单一用户环境中，组建RAID3对访问较长的连续记录有利，不过同RAID2一样，访问较短记录时，性能会有所下降。RAID4:RAID4是带奇偶校验码的独立磁盘结构。它和RAID3很相似，不同的是RAID4对数据的访问是按数据块进行的。RAID3是一次一横条，而RAID4一次一竖条。所以RAID3常须访问阵列中所有的硬盘驱动器，而RAID4只须访问有用的硬盘驱动器。这样读数据的速度大大提高了，但在写数据方面，需将从数据硬盘驱动器和校验硬盘驱动器中恢复出的旧数据与新数据校验，然后再将更新后的数据和检验位写
14、入硬盘驱动器，所以处理时间较RAID3长。RAID5:RAID5也被叫做带分布式奇偶位的条带。每个条带上都有相当于一个块那么大的地方被用来存放奇偶位。与RAID3不同的是，RAID5把奇偶位信息也分布在所有的磁盘上，而并非一个磁盘上，大大减轻了奇偶校验盘的负担。尽管有一些容量上的损失，RAID5却能提供较为完美的整体性能，因而也是被广泛应用的一种磁盘阵列方案。它适合于输入/输出密集、高读/写比率的应用程序，如事务处理等。为了具有RAID5级的冗余度，我们需要至少三个磁盘组成的磁盘阵列。RAID5可以通过磁盘阵列控制器硬件实现，也可以通过某些网络操作系统软件实现。RAID5是一种存储性能、数据安
15、全和存储成本兼顾的存储解决方案。以四个硬盘组成的RAID5为例，其数据存储方式如图所示：图中，P0为D0，D1和D2的奇偶校验信息，其它以此类推。由图中可以看出，RAID5不对存储的数据进行备份，而是把数据和相对应的奇偶校验信息存储到组成RAID5的各个磁盘上，并且奇偶校验信息和相对应的数据分别存储于不同的磁盘上。当RAID5的一个磁盘数据发生损坏后，利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息去恢复被损坏的数据。RAID5可以理解为是RAID0和RAID1的折衷方案。RAID5可以为系统提供数据安全保障，但保障程度要比Mirror低而磁盘空间利用率要比Mirror高。RAID5具有和RAID0相近似的数据读取速度，只是多了一个奇偶校验信息，写入数据的速度比对单个磁盘进行写入操作稍慢。同时由于多个数据对应一个奇偶校验信息，RAID5的磁盘空间利用率要比RAID1高，存储成本相对较低。RAID6:RAID6是带有两种分布存储的奇偶校验码的独立磁盘结构。它使用了分配在不同的磁盘上的第二种奇偶校验来实现增强型的RA
