RAID詳解

RAID的由來

    磁盤陣列簡稱RAID（Redundant Arrays of Inexpensive Disks，RAID），有“價(jià)格便宜且多余的磁盤陣列”之意。其原理是利用數(shù)組方式來作磁盤組，配合數(shù)據(jù)分散排列的設(shè)計(jì)，提升數(shù)據(jù)的安全性。磁盤陣列主要針對硬盤，在容量及速度上，無法跟上CPU及內(nèi)存的發(fā)展，提出改善方法。磁盤陣列是由很多便宜、容量較小、穩(wěn)定性較高、速度較慢磁盤，組合成一個(gè)大型的磁盤組，利用個(gè)別磁盤提供數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的加成效果來提升整個(gè)磁盤系統(tǒng)的效能。同時(shí)，在儲存數(shù)據(jù)時(shí)，利用這項(xiàng)技術(shù)，將數(shù)據(jù)切割成許多區(qū)段，分別存放在各個(gè)硬盤上。

    磁盤陣列還能利用同位檢查（Parity Check）的觀念，在數(shù)組中任一顆硬盤故障時(shí)，仍可讀出數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)重構(gòu)時(shí)，將故障硬盤內(nèi)的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算后重新置入新硬盤中。

    磁盤陣列的由來：由美國柏克萊大學(xué)（University of California-Berkeley）在1987年，發(fā)表的文章：“A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks”。文章中，談到了RAID這個(gè)字匯，而且定義了RAID的5層級。柏克萊大學(xué)研究其研究目的為，反應(yīng)當(dāng)時(shí)CPU快速的性能。CPU效能每年大約成長30～50%，而硬磁機(jī)只能成長約7%。研究小組希望能找出一種新的技術(shù)，在短期內(nèi)，立即提升效能來平衡計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。在當(dāng)時(shí)，柏克萊研究小組的主要研究目的是效能與成本。另外，研究小組也設(shè)計(jì)出容錯（fault-tolerance），邏輯數(shù)據(jù)備份（logical data redundancy），而產(chǎn)生了RAID理論。研究初期，便宜（Inexpensive）的磁盤也是主要的重點(diǎn)，但后來發(fā)現(xiàn)，大量便宜磁盤組合并不能適用于現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境，后來Inexpensive被改為independence。

RAID的實(shí)現(xiàn)形式

磁盤陣列（RAID）其樣式有三種，一是外接式磁盤陣列柜、二是內(nèi)接式磁盤陣列卡，三是利用軟件來仿真。

外接式磁盤陣列柜

    磁盤陣列柜就是裝配了眾多硬盤的外置的RAID，它有一塊名為RAID的卡來組織并管理各個(gè)磁盤設(shè)備。

    RAID卡是用來實(shí)現(xiàn)RAID功能的板卡，通常是由I/O處理器、SCSI控制器、SCSI連接器和緩存等一系列零組件構(gòu)成的。不同的RAID卡支持的 RAID功能不同。支持RADI0、RAID1、RAID3、RAID4、RAID5、RAID10不等。RAID卡可以讓很多磁盤驅(qū)動器同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，而這些磁盤驅(qū)動器在邏輯上又是一個(gè)磁盤驅(qū)動器，所以使用RAID可以達(dá)到單個(gè)的磁盤驅(qū)動器幾倍、幾十倍甚至上百倍的速率。這也是RAID卡最初想要解決的問題?？梢蕴峁┤蒎e功能，這是RAID卡的第二個(gè)重要功能。

下圖為HP的一款RAID卡

磁盤陣列柜有小的跟個(gè)人PC主機(jī)箱一樣大的，有大的如小型集裝箱。下圖為HP的小型磁盤陣列柜。

內(nèi)接式磁盤陣列卡

內(nèi)接式磁盤陣列卡，通常指內(nèi)嵌入主板上的RAID芯片。

RAID控制芯片的出現(xiàn)

    1993年，HighPoint公司推出了第一款I(lǐng)DE-RAID控制芯片，能夠利用相對廉價(jià)的IDE硬盤來組建RAID系統(tǒng)，從而大大降低了RAID的“門檻”。從此，個(gè)人用戶也開始關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)，因?yàn)橛脖P是現(xiàn)代個(gè)人計(jì)算機(jī)中發(fā)展最為“緩慢”和最缺少安全性的設(shè)備，而用戶存儲在其中的數(shù)據(jù)卻常常遠(yuǎn)超計(jì)算機(jī)的本身價(jià)格。在花費(fèi)相對較少的情況下，RAID技術(shù)可以使個(gè)人用戶也享受到成倍的磁盤速度提升和更高的數(shù)據(jù)安全性，現(xiàn)在個(gè)人電腦市場上的IDE-RAID控制芯片主要出自HighPoint和Promise公司，此外還有一部分來自AMI公司。   

    面向個(gè)人用戶的IDE-RAID芯片一般只提供了RAID 0、RAID 1和RAID 0+1（RAID 10）等RAID規(guī)范的支持，雖然它們在技術(shù)上無法與商用系統(tǒng)相提并論，但是對普通用戶來說其提供的速度提升和安全保證已經(jīng)足夠了。隨著硬盤接口傳輸率的不斷提高，IDE-RAID芯片也不斷地更新?lián)Q代，芯片市場上的主流芯片已經(jīng)全部支持ATA 100標(biāo)準(zhǔn)，而HighPoint公司新推出的HPT 372芯片和Promise最新的PDC20276芯片，甚至已經(jīng)可以支持ATA 133標(biāo)準(zhǔn)的IDE硬盤。在主板廠商競爭加劇、個(gè)人電腦用戶要求逐漸提高的今天，在主板上板載RAID芯片的廠商已經(jīng)不在少數(shù)，用戶完全可以不用購置RAID卡，直接組建自己的磁盤陣列，感受磁盤狂飆的速度。

    Raid控制芯片則是指控制執(zhí)行Raid功能的輔助芯片，常見為Intel ICH5R、VIA VT8237、SIS 964、nVidia nForce3

RAID控制芯片是內(nèi)嵌在主板上的，在BIOS中可以啟用或關(guān)閉RAID功能。

下圖為內(nèi)嵌在主板上的RAID控制芯片。

下圖為BIOS中的配置RAID的過程

以nForce為例

    nForce系列芯片組的BIOS里有關(guān)SATA和RAID的設(shè)置選項(xiàng)有兩處，都在Integrated Peripherals（整合周邊）菜單內(nèi)。

    SATA的設(shè)置項(xiàng)：Serial-ATA，設(shè)定值有[Enabled], [Disabled]。這項(xiàng)的用途是開啟或關(guān)閉板載Serial-ATA控制器。使用SATA硬盤必須把此項(xiàng)設(shè)置為[Enabled]。如果不使用SATA硬盤可以將此項(xiàng)設(shè)置為[Disabled]，可以減少占用的中斷資源。

    RAID的設(shè)置項(xiàng)在Integrated Peripherals/Onboard Device（板載設(shè)備）菜單內(nèi)，光標(biāo)移到Onboard Device，按<Enter>進(jìn)入如子菜單：

    其中RAID Config就是RAID配置選項(xiàng)，光標(biāo)移到RAID Config，按<Enter>就進(jìn)入如RAID配置菜單：

    菜單的第一項(xiàng)IDE RAID是確定是否設(shè)置RAID，設(shè)定值有[Enabled], [Disabled]。如果不做RAID，就保持缺省值[Disabled]，此時(shí)下面的選項(xiàng)是不可設(shè)置的灰色。如果做RAID就選擇[Enabled]，這時(shí)下面的選項(xiàng)才變成可以設(shè)置的×××。IDE RAID下面是4個(gè)IDE（PATA）通道，再下面是SATA通道。nForce2芯片組是2個(gè)SATA通道，nForce3/4芯片組是4個(gè)SATA通道?？梢愿鶕?jù)你自己的意圖設(shè)置，準(zhǔn)備用哪個(gè)通道的硬盤做RAID，就把那個(gè)通道設(shè)置為[Enabled]

    設(shè)置完成就可退出保存BIOS設(shè)置，重新啟動。這里要說明的是，當(dāng)你設(shè)置RAID后，該通道就由RAID控制器管理，BIOS的Standard CMOS Features里看不到做RAID的硬盤了。

    BIOS設(shè)置后，僅僅是指定那些通道的硬盤作RAID，并沒有完成RAID的組建，前面說過做RAID的磁盤由RAID控制器管理，因此要由RAID控制器的RAID BIOS檢測硬盤，以及設(shè)置RAID模式。BIOS啟動自檢后，RAID BIOS啟動檢測做RAID的硬盤，檢測過程在顯示器上顯示，檢測到硬盤后留給用戶幾秒鐘時(shí)間，以便用戶按F10 進(jìn)入RAID BIOS Setup

    這個(gè)過程就參考各個(gè)廠商的RAID BIOS Setup的設(shè)置文檔了。這個(gè)過程很簡單，因?yàn)橐彩歉鶥IOS相同的圖形界面，因此設(shè)置過程按相關(guān)提示即可順利完成RAID設(shè)置。

軟RAID

    軟件RAID很多情況下已經(jīng)包含在系統(tǒng)之中，并成為其中一個(gè)功能，如Windows、Netware及Linux。軟件RAID中的所有操作皆由中央處理器負(fù)責(zé)，所以系統(tǒng)資源的利用率會很高，從而使系統(tǒng)性能降低。軟件RAID是不需要另外添加任何硬件設(shè)備，因?yàn)樗强磕愕南到y(tǒng)——主要是中央處理器的功能——提供所有現(xiàn)成的資源。

    軟RAID一般不做實(shí)際生產(chǎn)使用，通常用于熟悉RAID的功能。

下面展示W(wǎng)indows中軟RAID的實(shí)現(xiàn)

  在Windows中的磁盤管理中可以實(shí)現(xiàn)軟RAID功能，它支持RAID 0 、RAID 1、RAID 5三種。

其具體實(shí)現(xiàn)方法可以自行查看，這里不再過多介紹。

  Linux中通過命令mdadm實(shí)現(xiàn)。

RAID級別

    簡單來說，RAID是一種把多塊獨(dú)立的硬盤（物理硬盤）按不同的方式組合起來形成一個(gè)硬盤組（邏輯硬盤），從而提供比單個(gè)硬盤更高的存儲性能和提供數(shù)據(jù)備份技術(shù)。根據(jù)磁盤陳列的不同組合方式，可以將RAID分為不同的級別。

    磁盤陣列中針對不同的應(yīng)用使用的不同技術(shù)，稱為RAID level,而每一level都代表著不同技術(shù)，目前業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)是RAID 0-RAID 6。這個(gè)level并不代表技術(shù)的高低，level 5并不高于level 1，至于要選擇那一種RAID level的產(chǎn)品，純視用戶的操作環(huán)境(operating environment)及應(yīng)用(application)而定與level的高低沒有必然的關(guān)系。

RAID 0又稱為Stripe或Striping，它代表了所有RAID級別中最高的存儲性能。RAID 0提高存儲性能的原理是把連續(xù)的數(shù)據(jù)分散到多個(gè)磁盤上存取，這樣，系統(tǒng)有數(shù)據(jù)請求就可以被多個(gè)磁盤并行的執(zhí)行，每個(gè)磁盤執(zhí)行屬于它自己的那部分?jǐn)?shù)據(jù)請求。這種數(shù)據(jù)上的并行操作可以充分利用總線的帶寬，顯著提高磁盤整體存取性能

RAID 0的局限性

RAID 0 連續(xù)地分割數(shù)據(jù)并并行地讀/寫于多個(gè)磁盤上。 因此具有很高的數(shù)據(jù)傳輸率。 但RAID 0在提高性能的同時(shí),并沒有提供數(shù)據(jù)可靠性,如果一個(gè)磁盤失效, 將影響整個(gè)數(shù)據(jù).因此RAID 0 不可應(yīng)用于需要數(shù)據(jù)高可用性的關(guān)鍵應(yīng)用。

RAID 1又稱為Mirror或Mirroring，它的宗旨是最大限度的保證用戶數(shù)據(jù)的可用性和可修復(fù)性。 RAID 1的操作方式是把用戶寫入硬盤的數(shù)據(jù)百分之百地自動復(fù)制到另外一個(gè)硬盤上。由于對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行百分之百的備份，在所有RAID級別中，RAID 1提供最高的數(shù)據(jù)安全保障。同樣，由于數(shù)據(jù)的百分之百備份，備份數(shù)據(jù)占了總存儲空間的一半，因而，Mirror的磁盤空間利用率低，存儲成本高。

Mirror雖不能提高存儲性能，但由于其具有的高數(shù)據(jù)安全性，使其尤其適用于存放重要數(shù)據(jù)，如服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫存儲等領(lǐng)域。

RAID 5 是一種存儲性能、數(shù)據(jù)安全和存儲成本兼顧的存儲解決方案。RAID 5不對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，而是把數(shù)據(jù)和相對應(yīng)的奇偶校驗(yàn)信息存儲到組成RAID5的各個(gè)磁盤上，并且奇偶校驗(yàn)信息和相對應(yīng)的數(shù)據(jù)分別存儲于不同的磁盤上。當(dāng)RAID5的一個(gè)磁盤數(shù)據(jù)發(fā)生損壞后，利用剩下的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的奇偶校驗(yàn)信息去恢復(fù)被損壞的數(shù)據(jù)。

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)安全保障，但保障程度要比Mirror低而磁盤空間利用率要比Mirror高。RAID 5具有和RAID 0相近似的數(shù)據(jù)讀取速度，只是多了一個(gè)奇偶校驗(yàn)信息，寫入數(shù)據(jù)的速度比對單個(gè)磁盤進(jìn)行寫入操作稍慢。同時(shí)由于多個(gè)數(shù)據(jù)對應(yīng)一個(gè)奇偶校驗(yàn)信息，RAID 5的磁盤空間利用率要比RAID 1高，存儲成本相對較低。

RAID 6：RAID 6 與RAID 5相比,增加了第二個(gè)獨(dú)立的奇偶校驗(yàn)信息塊。 兩個(gè)獨(dú)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(shí)失效,也不會影響數(shù)據(jù)的使用。 但需要分配給奇偶校驗(yàn)信息更大的磁盤空間,相對于RAID 5有更大的“寫損失”。RAID 6 的寫性能非常差, 較差的性能和復(fù)雜的實(shí)施使得RAID 6很少使用。

RAID 7：簡單來說，RAID 7并不僅僅是一種技術(shù)，而是一種存儲計(jì)算機(jī)(Storage Computer )。RAID 7通過使用存儲計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)(Storage Computer Operating System )來初始化和安排磁盤陣列的所有數(shù)據(jù)傳輸。它實(shí)際上是一套實(shí)時(shí)事件驅(qū)動操作系統(tǒng)，可以把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成磁盤陣列需要的模式，傳輸?shù)较鄳?yīng)的物理存儲驅(qū)動器上。

RAID0+1：正如其名字一樣RAID 0+1是RAID 0和RAID 1的組合形式，也稱為RAID 10。

RAID 0+1是存儲性能和數(shù)據(jù)安全兼顧的方案。它在提供與RAID 1一樣的數(shù)據(jù)安全保障的同時(shí)，也提供了與RAID 0近似的存儲性能。

由于RAID 0+1也通過數(shù)據(jù)的100%備份提供數(shù)據(jù)安全保障，因此RAID 0+1的磁盤空間利用率與RAID 1相同，存儲成本高。

RAID 0+1的特點(diǎn)使其特別適用于既有大量數(shù)據(jù)需要存取，同時(shí)又對數(shù)據(jù)安全性要求嚴(yán)格的領(lǐng)域，如銀行、金融、商業(yè)超市、倉儲庫房、各種檔案管理等。

RAID 0+1與RAID 1+0的對比

    大家都知道RAID 0+1是先條帶化，再鏡像，RAID 1+0是先鏡像再條帶化。下面為大家詳細(xì)介紹一下它們的優(yōu)劣

這兩種RAID配置哪種更好呢？

我們舉個(gè)例子，總共6塊硬盤。

RAID 0+1的配置圖如下：

RAID 1+0的配置圖如下：

    針對RAID 0+1，一個(gè)Set中的硬盤損壞都會導(dǎo)致該Set損壞。這樣的話，如果A，B兩個(gè)Set中都各壞一個(gè)硬盤的話，則整個(gè)RAID都將損壞。

    而RAID 1+0，只有一個(gè)Set中的硬盤都損壞時(shí)，才會導(dǎo)致整個(gè)RAID損壞。也就是說當(dāng)1中的兩塊硬盤都壞掉時(shí)，整個(gè)RAID都會損壞。只要不是同一個(gè)Set中的兩塊硬盤損壞，則整個(gè)RAID就不會損壞。

    按概率的角度來講，RAID 0+1損壞第二塊盤導(dǎo)致整個(gè)RAID損壞的機(jī)率為(n/2)/(n-1)，RAID 1+0 損壞第二塊盤導(dǎo)致整個(gè)RAID損壞的機(jī)率為1/(n-1).

    顯然RAID 0+1的穩(wěn)定性不如RAID 1+0.

    在有硬盤損壞但整個(gè)RAID沒有損壞的情況下，RAID 0+1其實(shí)就變成了RAID 0，只有一 個(gè)Set工作（4塊盤)，這樣讀的速度顯然變慢了。

    而RAID 1+0還有7塊盤工作，性能影響較小。

    另外，RAID 0+1在以好盤替代壞盤時(shí)，recover的性能將比RAID 1+0慢很多。

    所以在做raid的時(shí)候最好做RAID1+0而不做RAID 0+1