RAID系统基础知识.docx

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RAID系统基础知识

RAID系统基础知识

1.1SCSI基础知识

在配置磁盘阵列系统之前，你必须了解一些SCSI的基础知识。

●SCSIID

SCSIID是安排给一个SCSI设备的唯一的编号，这使这些设备在通过SCSI总线连接到主机后，能够很好的与主机之间交换信息。

每个SCSI设备和SCSI卡必须有一个SCSIID号（FastSCSI-2=0~7，UltraWide/Ultra2SCSI=0~15）。

一个ID号将唯一的定义在同一SCSI总线.上的一个设备，不能有多个设备使用同一ID号。

如果一台主机有两条SCSI总线，则不同SCSI总线上的设备可以有相同SCSIID号。

注意：

SCSIID与设备到主机的连接顺序无关。

●Terminator（终结器）

基于SCSI的定义，SCSI总线必须在两端终结。

这就是说，连接在SCSI总线最末端的设备必须使其终结器有效。

连接在SCSI总线中间的设备必须使其终结器失效。

其实，终结是为了使数据信号能不失真的在SCSI总线上传输。

一些SCSI设备要手工加上或去掉终结器，而另一些设备内建有终结器，通过开关或软件命令使终结器有效或失效。

1.2Whydiskarray

●我们需要磁盘阵列

在过去的七年间，PC机速度提高了50多倍，这种进步导致现在已能制造出功能非常强大的PC机，它们能执行那些以前被认为只有在大得多并且贵得多的机器上才能完成的任务.

但是，存储数据的设备（指硬磁盘）的处理速度未能跟上来。

图1说明了两者的巨大差异。

虽然磁盘驱动器的性能就其价格容量比来说大大改善了，它的实际速度却只提高了3-4倍。

因此，九十年代末最强大的计算将是那些磁盘系统性能优化的机器，如果磁盘系统的性能得到像计算机处理系统性能那样的改善，我们就有了真正的超级微型计算机.

图1CPU和磁盘的速度对比

目前已经研制了新的技术来缩小日益增大的计算机主机和磁盘驱动之间的性能差距，这就是现在正在被人们逐渐认识的磁盘阵列技术。

磁盘阵列技术可以详细地划分为若干个级别0-5RAID技术。

RAID是廉价冗余磁盘阵列（RedundantArrayofInexpensiveDisk）的简称。

某些级别的RAID技术可以把速度提高到单个磁盘驱动器的400%。

磁盘阵列把多个磁盘驱动器连接在一起协同工作，大大提高了速度，同时把磁盘系统的可靠性提高到接近无错的境界。

这些“容错”系统速度极快，同时可靠性极高。

这本小册子将讨论这些新技术，以及不同级别RAID的优缺点。

我们并不想涉及那些关键性的技术细节问题，而是将磁盘阵列和RAID技术介绍给对它们尚不熟悉的人们。

相信这将帮助你选用合适的RAID技术。

●RAID级别的定义

下表提供了RAID的简单定义，本书其后部分将对各级RAID进行更详尽的描述。

RAID级别

描述

速度*

容错性能

至少要硬盘

优点

缺点

可用空间

RAID0

磁盘分段处理（条带化）

磁盘并行输入/出（提供最佳读写性能）

无（没有冗余）

至少两块

最大的可用空间，数据的分段处理带来性能提升

没有冗余

N*C

RAID1

磁盘镜像

没有提高

有（允许单个磁盘错）

只限于两块

良好的读取性能

冗余开销大

（N/2）*C

RAID1E

增强型RAID1

三块

比RAID1有更多容量阵列

冗余开销大

（N/2）*C

RAID2

磁盘分段加汉明码纠错

没有提高

有（允许单个磁盘错）

RAID3

磁盘分段加专用奇偶校验盘

磁盘并行输入/出

有（允许单个磁盘错）

（N-1）*C

RAID4

磁盘分段加专用奇偶校验盘需异步磁盘

磁盘并行输入/出

有（允许单个磁盘错）

三

RAID5

磁盘分段加不对称奇偶校验分布在各磁盘

磁盘并行输入/出比RAID0稍慢

有（允许单个磁盘错）

三

对空间利用率高

与RAID1相比，较低的读写性能

（N-1）*C

RAID5E

增强型RAID5

四

RAID5EE

类似RAID5E，

四

更快的重新建构速度

RAID6

类似RAID5，但有两组奇偶校验信息

有（允许两个磁盘错）

四个，最多支持16个

100%的数据保护

比RAID5的性能差

RAIDTP

备注1：

N代表驱动器总数目；C代表capacity，单个驱动器容量。

 RAID0：

又称Striping阵列，做RAID0需要两上或两个以上的、容量相同的硬盘，N个硬盘做成RAID0后的硬盘容量为单个硬盘的N倍。

在做数据存储时将数据分割存储到多块硬盘上，磁盘读写时负载平均分配到多块硬盘，由于多块硬盘均可同时读写，所以速度显著提升。

也正是由于数据被分割存储到多块硬盘，所以数据的完整性依赖于多块硬盘数据均完好无损，一旦其中一块硬盘的数据损坏或磁盘故障，那么所有的数据都将丢失。

所以RAID0数据存取性能好、速度快，但可靠性差，RAID0通常用于对磁盘性能要求高但对数据安全性要求不高的场合。

    RAID1：

又称Mirror阵列，做RAID1需要两个容量相同的硬盘，两个硬盘做成RAID1后的硬盘容量为单个硬盘容量。

在做数据存储时将同样的数据写入两块硬盘，两块硬盘互为镜像盘，当一块硬盘中的数据受损或磁盘故障时，另一块硬盘可继续工作，并可在需要时重建RAID1阵列。

但RAID1不能提升磁盘性能，RAID1适合对数据可靠性要求严格的场合。

    RAID2：

带海明码校验磁盘阵列，RAID2是为大型机和超级计算机开发的。

磁盘驱动器组中的第一个、第二个、第四个......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，例如七个磁盘驱动器的RAID2，第一、二、四个磁盘驱动器是纠错盘，其余的用于存放数据。

使用的磁盘驱动器越多，校验盘在其中占的百分比越少。

RAID2对大数据量的输入输出有很高的性能，但少量数据的输入输出时性能不好。

由于海明码的特点，它可以在数据发生错误的情况下将错误校正，以保证输出的正确。

它的数据传送速率相当高，如果希望达到比较理想的速度，那最好提高保存校验码的硬盘性能，对于控制器的设计来说，它又比RAID3、4、5要简单。

但是利用海明码校验必须要付出数据冗余的代价。

    RAID3：

做RAID3至少需要三块硬盘，N个硬盘做成RAID3后的硬盘容量为单个硬盘的N-1倍。

RAID3是将数据先做XOR运算，产生ParityData后，再将数据和ParityData以并行存取模式写入成员磁盘驱动器中，进一步来说，RAID3每一笔数据传输，都更新整个Stripe﹝即每一个成员磁盘驱动器相对位置的数据都一起更新﹞，因此不会发生需要把部分磁盘驱动器现有的数据读出来，与新数据作XOR运算，再写入的情况发生。

因此，在所有RAID级别中，RAID3的写入性能是最好的。

RAID3的ParityData一般都是存放在一个专属的ParityDisk，但是由于每笔数据都更新整个Stripe，因此，RAID3的ParityDisk并不会如RAID4的ParityDisk，会造成存取的瓶颈。

RAID3需要RAID控制器特别功能的支持，RAID3以其优越的写入性能，特别适合用在大型、连续性档案写入为主的应用。

    RAID4：

带奇偶校验码的独立磁盘结构，做RAID4至少需要三块硬盘，RAID4和RAID3很相似，不同的是RAID4对数据的访问是按数据块进行的，也就是按磁盘进行的，每次是一个盘。

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通过异或运算，然后再将更新后的数据和检验位写入硬盘驱动器，所以处理时间较RAID3长。

    RAID5：

类似于RAID0，做RAID5至少需要三块硬盘，N个硬盘（N>2）做成RAID5后的硬盘容量为单个硬盘的N-1倍，在做数据存储时将数据的每个字节按bit拆分到硬盘，在数据出错时可以按奇偶校验码重建数据，容错能力强于RAID0，但它需要一块硬盘来容纳额外的奇偶校验信息。

RAID5的ParityData分散写入到各个成员磁盘驱动器，脱离如RAID4单一专属ParityDisk的写入瓶颈。

但是，RAID5在做数据写入时，仍然稍微受到"读、改、写过程"的拖累。

当RAID5的成员磁盘驱动器数目越多，其性能也就越高，但是反过来说，成员磁盘驱动器越多，RAID5中可能有磁盘驱动器故障的机率就越高，整个阵列的可靠度就会降低。

基本上来说，多人多任务的环境，存取频繁，数据量不是很大的应用，都适合选用RAID5架构。

    RAID6：

带有两种分布存储的奇偶校验码的独立磁盘结构，几乎没有进行商用。

它使用一种分配在不同的驱动器上的第二种奇偶方案，扩展了RAID5。

它能承受多个驱动器同时出现故障，但是，性能尤其是写操作却很差，而且，系统需要一个极为复杂的控制器。

当然由于引入了第二种奇偶校验值，所以需要N+2个磁盘，同时对控制器的设计变得十分复杂，用于计算奇偶校验值和验证数据正确性所花费的时间比较多，造成了不必须的负载。

突出价值点：

IBM磁盘存储DS4200，DS4700，DS5100和DS5300支持RAID6p+q方式，RAID6可提供最出色的容错能力，允许任意两块硬盘发生故障，而不会影响数据的完整性。

RAID6使用相当于两块硬盘的容量进行奇偶保护，并将奇偶信息存放在所有硬盘上。

RAID6至少由4块硬盘组成，n-2块硬盘用于奇偶保护。

    磁盘阵列使用RAID6保护机制，可以有效降低因为磁盘损坏而造成的数据丢失的机率，从而保护用户数据可靠性，提高用户数据存储环境的安全性。

    RAID7：

磁盘阵列新标准RAID7。

其实，RAID7不仅仅是一种技术，还是一种存储计算机（StorageComputer）。

因为它与RAID0、1、5标准有明显区别，RAID7自身带有智能化实时操作系统和用于存储管理的软件工具，可完全独立于主机运行，不占用主机CPU资源。

RAID7不仅具有更高的性能和卓越的存储管理能力，而且集普通RAID标准的所有优点于一身，因而RAID7系统整体性能极佳。

RAID7存储计算机操作系统（StorageComputerOperatingSystem）是一套实时事件驱动操作系统，主要用来进行系统初始化和安排RAID7磁盘阵列的所有数据传输，并把它们转换到相应的物理存储驱动器上。

通过自身系统中的阵列电脑板来设定和控制读写速度，存储计算机操作系统可使主机I/O传递性能达到最佳。

如果一个磁盘出现故障，还可自动执行恢复操作，并可管理备份磁盘的重建过程。

RAID7突破了以往RAID标准的技术架构，采用了非同步访问，极大地减轻了数据写瓶颈，提高了I/O速度。

所谓非同步访问，即RAID7的每个I/O接口都有一条专用的高速通道，作为数据或控制信息的流通路径，因此可独立地控制自身系统中每个磁盘的数据存取。

如果RAID7有N个磁盘，那么除去一个校验盘（用作冗余计算）外，可同时处理N－1个主机系统随机发出的读/写指令，从而显著地改善了I/O应用。

RAID7系统内置实时操作系统还可自动对主机发送过来的读/写指令进行优化处理，以智能化方式将可能被读取的数据预先读入快速缓存中，从而大大减少了磁头的转动次数，提高了I/O速度。

RAID7可帮助用户有效地管理日益庞大的数据存储系统，并使系统的运行效率提高至少一倍以上,满足了各类用户的不同需求。

    RAID10：

即RAID0+1，它综合了RAID0和RAID1的优点，适合用在速度需求高、又要完全容错的应用。

做RAID10至少需要4块硬盘，并且是偶数个，N个硬盘做成RAID10后的容量为单个硬盘的N/2倍。

RAID0和RAID1的原理很简单，合起来之后还是很简单，但RAID0+1到底应该是RAID0overRAID1，还是RAID1overRAID0？

综合分析，RAID0overRAID1要比RAID1overRAID0更具有较高的可靠度。

所以建议，当采用RAID10架构时，应先作RAID1，再把数个RAID1做成RAID0。

    其它模式：

RAID30、RAID50与RAID10模式相似。

还有RAID5增强型，即有一只硬盘正常情况处于准备状态，一旦某只硬盘故障，它自动替补上去，完成原有的RAID5功能。

    RAID条切"striped"的存取模式

    在使用数据条切（DataStripping）的RAID系统之中，对成员磁盘驱动器的存取方式，可分为两种：

并行存取﹝ParalleledAccess﹞、独立存取﹝IndependentAccess﹞。

RAID2和RAID3是采取并行存取模式。

RAID0、RAID4、RAID5及RAID6则是采用独立存取模式。

●磁盘数据跨盘（Spanning）

数据跨盘技术使多个磁盘像一个磁盘那样工作，这使用户通过组合已有的资源或增加一些资源来廉价地突破现有的磁盘空间限制。

图2磁盘数据跨盘

图2所示为4个300兆字节的磁盘驱动器连结在一起，构成一个SCSI系统。

用户只看到一个有1200兆字节的C盘，而不是看到C，D，E，F，4个300兆字节的磁盘。

在这样的环境中，系统管理员不必担心某个磁盘上会发生磁盘安全检空间不够的情况。

因为现在1200兆字节的容量全在一个卷（VOLUME）上（例如磁盘C上）。

系统管理员可以安全地建立所需要的任何层次的文件系统，而不需要在多个单独磁盘环境的限制下，计划他的文件系统。

磁盘数据跨盘本身并不是RAID，它不能改善磁盘的可靠性和速度。

但是它有这样的好处，即多个小型廉价磁盘可以根据需要增加到磁盘子系统上。

●磁盘分段（DiskStriping,RAID0）

磁盘分段的方法把数据写到多个磁盘，而不是只写到一个盘上，这也叫作RAID0，在磁盘阵列子系统中，数据按系统规定的“段”（Segment）为单位依次写入多个磁盘，例如数据段1写入磁盘0，段2写入磁盘1，段3写入磁盘2等等。

当数据写完最后一个磁盘时，它就重新从盘0的下一可用段开始写入，写数据的全过程按此重复直至数据写完。

段由块组成，而块又由字节组成。

因此，当段的大小为4个块，而块又由256个字节组成时，依字节大小计算，段的大小等于1024个字节。

第1～1024字节写入盘0，第1025～2048安节写盘1等。

假如我们的磁盘子系统有5个磁盘，我们要写20，000个字节，则数据将如图3那样存储。

图3磁盘分段

总之，由于磁盘分段的方法，是把数据立即写入（读出）多个磁盘，因此它的速度比较快。

实际上，数据的传输是顺序的，但多个读（或写）操作则可以相互重叠进行。

这就是说，正当段1在写入驱动器0时，段2写入驱动器1的操作也开始了；而当段2尚在写盘驱动器1时，段3数据已送驱动器2；如此类推，在同一时刻有几个盘（即使不是所有的盘）在同时写数据。

因为数据送入盘驱动器的速度要远大于写入物理盘的速度。

因此只要根据这个特点编制出控制软件，就能实现上述数据同时写盘的操作。

遗憾的是RAID0不是提供冗余的数据，这是非常危险的。

因为必须保证整个磁盘子系统都正常工作，计算机才能正常工作，例如，假使一个文件的段1（在驱动器0），段2（在驱动器1），段3（在驱动器2），则只要驱动器0，1，2中有一个产生故障，就会引起问题；如果驱动器1故障，则我们只能从驱动器物理地取得段1和段3的数据。

幸运的是可以找到一个解决办法，这就是磁盘分段和数据冗余。

下面一小节将讨论这个问题。

●磁盘镜像（RAID1）

磁盘镜像（RAID1）是容错磁盘阵列技术最传统的一种形式，在工业界中相对地最被了解，它最重要的优点是百分之百的数据冗余。

RAID0通过简单地将一个盘上的所有数据拷贝到第二个盘上（或等价的存储设备上）来实现数据冗余，这种方法虽然简单且实现起来相对较容易，但它的缺点是要比单个无冗余磁盘贵一倍，因为必须购买另一个磁盘用作第一个磁盘的镜像。

磁盘镜像最简单的形式，是通过把二个磁盘连结在一个控制器上来实现的。

图4说明了磁盘镜像。

数据写在某一磁盘上时，它同时被写在相应的镜像盘上。

当一个盘驱动器发生故障，计算机系统仍能正常工作，因为它可以在剩下的那块好盘上操作数据。

图4磁盘镜像

因为二个盘互为镜像，哪个盘出故障都无关紧要，二是盘在任何时间都包含相同的数据，任何一个都可以当作工作盘。

在磁盘镜像这个简单的RAID方式中，仍能采用一些优化速度的方法，例如平衡读请求负荷。

当多个用户同时请求得到数据时，可以将读数据的请示分散到二个磁盘中去，使读负荷平均地分布在二个磁盘上。

这种方法可观地提高了读数据的性能，因为二个磁盘在同一时刻读取不同的数据片。

但是磁盘镜像不能改善写数据的性能。

被“镜像”的磁盘也可被镜像到其它存储设备上，例如可读写光盘驱动器，虽然以光盘作镜像盘没有用磁盘的速度快，但这种方法比没有使用镜像盘毕竟减少了丢失数据的危险性。

总之，镜像系统容错性能非常好，并可以提高读数据的速度；它的缺点是需要双份磁盘，因此价格较高。

●磁盘分段和数据冗余（RAID2—5）

磁盘分段改善了磁盘子系统的性能，因为向磁盘读写数据的速度与磁盘子系统中磁盘数目成正比地增加，但它的缺点是磁盘子系统中任一磁盘的故障都会导致整个计算机系统失败。

整个分段的磁盘子系统都能作镜像，如果已经用了4个磁盘进行分段，我们可以再增加4个分段的磁盘作为原来4个磁盘的镜像。

很明显这是昂贵的（虽然可能比镜像一个昂贵的大磁盘来得便宜）。

可以不用镜像而用其它数据冗余的方法来提供高容错性能。

可以选择一种奇偶码模式来实现上述方法，可以外加一个专作奇偶校验用的磁盘（如在RAID3中），或者可把奇偶校验数据分散分布在磁盘阵列的全部磁盘中。

分散式奇偶校验数据（RAID5）的例子示于图5中。

图5RAID5的磁盘分段

不管用何种级别的RAID，磁盘阵列总是用异或（XOR）操作来产生奇偶数据，当子系统中有一个磁盘发生故障时，也是用异或操作重建数据。

下例简单分析了XOR是怎样工作的。

磁盘ABC奇偶位（A，B，C异或的结果放在D盘）

数据1010

首先记住在XOR操作中，2个数异或的结果是真（即“1”）时，这二个数中有且有一个数为1（另一个为0）。

我们假设A，B，C中B盘故障，此时可将A，C和奇偶数据XOR起来，得到B盘失去的数据0；同样如C盘故障，我们可将A，B盘和奇偶盘的数据XOR，得到C盘原先的数据1。

如果推广到7个盘的磁盘子系统：

磁盘ABCDEF奇偶位

数据0001010

如果丢失B盘数据，我们可以XORA，C，D，E，F和奇偶位来得到失去的B盘数据0。

而XORA，B，C，D，E，F和奇偶位可恢复D盘的数据1。

采用专用的奇偶校验盘（如上所述，即RAID3），当同时产生多个写操作时，每次操作都要对奇偶盘进行写入。

这将产生I/O瓶颈效应。

RAID5把奇偶位信息分散分布在磁盘子系统的所有磁盘上（而不是使用专用的校验盘0，这就改善了上述RAID3中的奇偶盘瓶颈效应。

图5说明了RAID5的一种配置，图中奇偶信息散布在子系统的每个磁盘上。

利用每个磁盘的一部分来组成校验盘，写入磁盘的奇偶位信息将较均匀地分布在所有磁盘上。

所以某个用户可能把它的一个数据段写在磁盘A，而将奇偶信息写在磁盘B，第二个用户可能把数据写在磁盘C，而奇偶信息写在磁盘D。

从这里也可看出RAID5的性能会得到提高。

这种方法将提高磁盘子系统的事务处理速度。

所谓事务处理，是指处理从许多不同用户来的多个磁盘I/O操作，由于可能同时有很多用户与磁盘打交道，迅速向磁盘写入数据，有时几乎是同时进行的，这种情况下，用分布式奇偶盘的方式比起用专用奇偶盘，瓶颈效应发生的可能性要小。

对磁盘操作来说，RAID5的写性能比不上直接磁盘分段（指没有校验信息的RAID0）。

因为产生或存储奇偶码需要一些额外操作。

例如，在修改一个磁盘上的数据时，其它盘上对应段的数据（即使是无关的数据）也要读入主机，以便产生必要的奇偶信息。

奇偶段产生后（这要花一些时间），我们要将更新的数据段和奇偶段写入磁盘，这通常称为读-改-写策略。

因此，虽然RAID5比RAID0优越，但就写性能来说，RAID5不如RAID0。

镜像技术（RAID1）和数据奇偶位分段（RAID5）用于上述的磁盘子系统中时，都产生冗余信息。

但在RAID1中，所有数据都被复制到第二个相同的磁盘上。

在RAID5，数据的XOR码而不是数据本身被复制，因此可以用数据的非常紧凑的表现方式，来恢复由于某一磁盘故障而丢失的数据。

采用RAID5时，对于5个磁盘的阵列，有大约20%的磁盘空间用于存放奇偶码，而十个磁盘的阵列只有约10%的空间存放奇偶码。

在可用空间总的格式化空间的意义上来说，磁盘系统中的磁盘越多该系统就越省钱。

总之，RAID5把磁盘分段和奇偶冗余技术的优点结合在一起，这样的磁盘子系统特别适合于事务处理环境，例如民航售票处，汽车出租站，销售系统的终端，等等。

在某些场合，可优先考虑RAID1（在那些写数据比读数据更频繁的情况）。

但许多情况，RAID5提供了将高性能，低价格和数据安全性综合在一起的解决办法。

RAID技术的组合应用（10、30、50）

在某些情况下，为满足对RAID硬盘的综合性能的需求，可以将两种RAID级别组合使用，比如RAID10就是将物理硬盘分为两组，分别做RAID0后，再互为镜像。

而RAID30、50就是对几组RAID0磁盘组进行RAID3、5设置。

●磁盘故障恢复

镜像和RAID提供了从磁盘故障中恢复数据的新方法。

因为数据的所有部分都是有冗余的，数据有效性很高（即使在磁盘发生故障时）。

另一重要优点是，恢复数据的工作不用立即进行，因为系统可以在一个磁盘有故障的情况下正常工作，当然在这种情况下，剩下的系统就不再有容错性能。

要避免丢失数据就必须在第二个磁盘故障前恢复数据。

图6从镜像盘恢复数据

更换故障磁盘后，要进行数据恢复。

在镜像系统中，“镜像”盘上有一个数据备份，因此故障磁盘（主磁盘或镜像磁盘）通过简单的磁盘到磁盘的拷贝操作就能重建数据，如图6所示。

这个拷贝操作比从磁带上恢复数据要快得多。

RAID5磁盘子系统中，故障磁盘通过无故障磁盘上存放的纠错（奇偶）码信息来重建数据。

正常盘上的数据（包括奇偶信息部分）被读出，并计算出故障盘丢失的那些数据，然后写入新替换的盘。

这个过程示于图7，它比从磁带上恢复数据要快不少。

图7目标地址相同的替换盘

设计灵活的磁盘阵列可以重新配置，替换盘的地址不一定和故障盘的地址相同，见图8。

这种灵活性使安装过程变得更为简单。

备用盘甚至可以在磁盘故障前预先连在系统上。

在那种情况下，它就成了随时可用的备份盘。

这种盘通常称为“热备份”。

图8目标地址不同的替换盘

●可靠性和可用性

这二个名词虽然相互关连，事实上却代表了磁盘故障的二个不同的偶面，可靠性指的是磁盘在给定条件下发生故障的概率。

可用性指的是磁盘在某种用途中可能用的时间。

利用这二个名词，我们可以看到磁盘阵列是怎样把我们的磁盘系统可靠性提高到接近百分之百的程度的。

磁盘阵列可以改善磁盘