RAID(磁盘阵列)【内容导航】
第 1 页:RAID 基本介绍
第2页:RADI0
第 3 页:RAID 1
第 4 页:RAID 10 或 RAID 0+1
第 5 页:RAID 3
第 6 页:RAID 5
第 7 页:RAID 6
第 8 页:RAID 7
第 9 页:RAID 5E 和 RAID 5EE
第 10 页:Matrix RAID
第 11 页:NV RAID
第 12 页:RAID 1E、RAID DP、RAID ADG
第 13 页:产品详细信息
RAID 是英文 Redundant Array of Independent Disks 的缩写,翻译成中文意思是“独立磁盘冗余阵列”,实际上也是我们经常所说的“磁盘阵列”。
简单的说,RAID 是一种把多块独立的硬盘(物理硬盘)按不同的方式组合起 来形成一个硬盘组(逻辑硬盘),从而提供比单个硬盘更高的存储性能和提供 数据备份技术。组成磁盘阵列的不同方式成为 RAID 级别(RAID Levels)。数 据备份的功能是在用户数据一旦发生损坏后,利用备份信息可以使损坏数据得 以恢复,从而保障了用户数据的安全性。在用户看起来,组成的磁盘组就像是 一个硬盘,用户可以对它进行分区,格式化等等。总之,对磁盘阵列的操作与 单个硬盘一模一样。不同的是,磁盘阵列的存储速度要比单个硬盘高很多,而 且可以提供自动数据备份。
RAID 技术的两大特点:一是速度、二是安全,由于这两项优点,RAID 技术早 期被应用于高级服务器中的 SCSI 接口的硬盘系统中,随着近年计算机技术的发 展,PC机的 CPU 的速度已进入 GHz 时代。IDE 接口的硬盘也不甘落后,相 继推出了 ATA66 和 ATA100 硬盘。这就使得 RAID 技术被应用于中低档甚至个 人PC机上成为可能。RAID 通常是由在硬盘阵列塔中的 RAID 控制器或电脑中 的 RAID 卡来实现的。
RAID 技术经过不断的发展,现在已拥有了从 RAID 0 到 6 七种基本的 RAID 级 别。另外,还有一些基本 RAID 级别的组合形式,如 RAID 10(RAID 0 与RAID 1 的组合),RAID 50(RAID 0 与 RAID 5 的组合)等。不同 RAID 级别 代表着不同的存储性能、数据安全性和存储成本。但我们最为常用的是下面的 几种 RAID 形式。
RAID 级别的选择有三个主要因素:可用性(数据冗余)、性能和成本。如果 不要求可用性,选择 RAID0 以获得最佳性能。如果可用性和性能是重要的而成 本不是一个主要因素,则根据硬盘数量选择 RAID 1。如果可用性、成本和性能 都同样重要,则根据一般的数据传输和硬盘的数量选择 RAID3、RAID5。
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RAID 0 又称为 Stripe(条带化)或 Striping,它代表了所有 RAID 级别中最高的 存储性能。RAID 0 提高存储性能的原理是把连续的数据分散到多个磁盘上存取, 这样,系统有数据请求就可以被多个磁盘并行的执行,每个磁盘执行属于它自 己的那部分数据请求。这种数据上的并行操作可以充分利用总线的带宽,显著 提高磁盘整体存取性能。
如图所示:系统向三个磁盘组成的逻辑硬盘(RADI 0 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 RAID 0,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。
RAID 0 的缺点是不提供数据冗余,因此一旦用户数据损坏,损坏的数据将无法 得到恢复。
RAID 0 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,RAID 0 也是提高硬盘存储性能的绝 佳选择。
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RAID 1 又称为 Mirror 或 Mirroring(镜像),它的宗旨是最大限度的保证用户 数据的可用性和可修复性。 RAID 1 的操作方式是把用户写入硬盘的数据百分 之百地自动复制到另外一个硬盘上。
如图所示:当读取数据时,系统先从 RAID 0 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,RAID 1 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(镜像)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,使其尤其适用于 存放重要数据,如服务器和数据库存储等领域.
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正如其名字一样 RAID 0+1 是 RAID 0 和 RAID 1 的组合形式,也称为 RAID 10。
以四个磁盘组成的 RAID 0+1 为例,其数据存储方式如图所示:RAID 0+1 是存 储性能和数据安全兼顾的方案。它在提供与 RAID 1 一样的数据安全保障的同 时,也提供了与 RAID 0 近似的存储性能。
由于 RAID 0+1 也通过数据的 100%备份功能提供数据安全保障,因此 RAID 0+1 的磁盘空间利用率与 RAID 1 相同,存储成本高。
RAID 0+1 的特点使其特别适用于既有大量数据需要存取,同时又对数据安全性 要求严格的领域,如银行、金融、商业超市、仓储库房、各种档案管理等。
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RAID 3 是把数据分成多个“块”,按照一定的容错算法,存放在 N+1 个硬盘上, 实际数据占用的有效空间为 N 个硬盘的空间总和,而第 N+1 个硬盘上存储的数 据是校验容错信息,当这 N+1 个硬盘中的其中一个硬盘出现故障时,从其它 N
个硬盘中的数据也可以恢复原始数据,这样,仅使用这 N 个硬盘也可以带伤继 续工作(如采集和回放素材),当更换一个新硬盘后,系统可以重新恢复完整 的校验容错信息。由于在一个硬盘阵列中,多于一个硬盘同时出现故障率的几 率很小,所以一般情况下,使用 RAID3,安全性是可以得到保障的。与 RAID0相比,RAID3 在读写速度方面相对较慢。使用的容错算法和分块大小决定RAID 使用的应用场合,在通常情况下,RAID3 比较适合大文件类型且安全性 要求较高的应用,如视频编辑、硬盘播出机、大型数据库等.
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RAID 5 是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案。 以四个 硬盘组成的 RAID 5 为例,其数据存储方式如图 4 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,RAID 5 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。
RAID 5 可以理解为是 RAID 0 和 RAID 1 的折衷方案。RAID 5 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。RAID 5 具有和 RAID 0 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,RAID 5 的磁盘空间利用率要比 RAID 1 高,存储成本相对较低。
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下面要说的是一些并不常见的 RAID 级别,这些 RAID 级别有些是将来发展的 方向,有些是单个公司提出的标准,它们提出的这些 RAID 级别比我们常见的 这些 RAID 级别在性能和数据恢复能力上要强大,因此,也被一些公司所采用。
RAID 6
RAID 6 是由一些大型企业提出来的私有 RAID 级别标准,它的全称叫“Independent Data disks with two independent distributed parity schemes(带有两个 独立分布式校验方案的独立数据磁盘)”。这种 RAID 级别是在 RAID 5 的基础 上发展而成,因此它的工作模式与 RAID 5 有异曲同工之妙,不同的是 RAID 5将校验码写入到一个驱动器里面,而 RAID 6 将校验码写入到两个驱动器里面, 这样就增强了磁盘的容错能力,同时 RAID 6 阵列中允许出现故障的磁盘也就 达到了两个,但相应的阵列磁盘数量最少也要 4 个。下图是 RAID 6 的图解。
从图中我们可以看到每个磁盘中都具有两个校验值,而 RAID 5 里面只能为每 一个磁盘提供一个校验值,由于校验值的使用可以达到恢复数据的目的,因此 多增加一位校验位,数据恢复的能力就越强。不过在增加一位校验位后,就需 要一个比较复杂的控制器来进行控制,同时也使磁盘的写能力降低,并且还需 要占用一定的磁盘空间。因此,这种 RAID 级别应用还比较少,相信随着 RAID 6 技术的不断完善,RAID 6 将得到广泛应用。RAID 6 的磁盘数量为 N+2 个。
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RAID 7
RAID 7 全称叫“Optimized Asynchrony for High I/O Rates as well as High DataTransfer Rates(最优化的异步高 I/O 速率和高数据传输率)”,它与以前我们见 到 RAID 级别具有明显的区别。RAID 7 完全可以理解为一个独立存储计算机, 它自身带有操作系统和管理工具,完全可以独立运行。RAID 7 的图解如下:
图中每个“柱体”是由多个磁盘构成,而不是我们以前看到的一个磁盘表示一个“柱体”。从上图我们可以看出,每个磁盘都有一个独立的 I/O 通道,它们与主 通道相连,操作系统可以直接对每个磁盘的访问进行控制,可以让每个磁盘在 不同的时段进行数据读写,这样就大大改善了 I/O 的应用,同时也提高了数据 读写的能力,而这种磁盘访问方式也叫做非同步访问。在 RAID 7 中,提供了 一个磁盘作为专门的校验盘,它适合于任何一个磁盘进行数据恢复。
总的来说,RAID 7 与我们传统的 RAID 级别有很大区别,它的优点很多,但缺 点也非常明显,那就是价格非常高,对于普通企业用户并不实用。
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RAID 5E
RAID 5E 是由 IBM 公司提出的一种私有 RAID 级别,没有成为国际标准。这种RAID 级别也是从 RAID 5 的基础上发展而来的,它与 RAID 5 不同的地方是将 数据校验信息平均分布在每一个磁盘中,并且每个磁盘都要预留一定的空间, 这部分空间没有进行条带化(条带是指数据为了保存在 RAID 中,被划分成的 最小单元。通过对条带进行调整,可以使支持 RAID 的磁盘阵列性能更加优 异)。当一个磁盘出现故障时,这个磁盘上的数据将被压缩到其他磁盘预留没 有条带化的空间内,达到数据保护的作用,而这时候的 RAID 级别则从 RAID 5E 转换成了 RAID 5,继续保护磁盘数据。RAID 5E 允许两个磁盘出错,最少 也需要 4 个磁盘才能实现 RAID 5E。下图是 RAID 5E 的图解:
RAID 5EE
RAID 5EE 也是由 IBM 公司提出的一种私有 RAID 级别,它也没有成为国际标 准。RAID 5EE 的工作原理与 RAID 5E 基本相同,它也是在每个磁盘中预留一 部分空间作为分布的热备盘,当一个硬盘出现故障时,这个磁盘上的数据将被 压缩到分布的热备盘中,达到数据的保护作用。不过与 RAID 5E 不同的是RAID 5EE 内增加了一些优化技术,使 RAID 5EE 的工作效率更高,压缩数据的 速度也更快。RAID 5EE 允许两个磁盘出错,最少需要 4 个磁盘实现。
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Matrix RAID
Matrix RAID 即所谓的“矩阵 RAID”,是 ICH6R 南桥所支持的一种廉价的磁 盘冗余技术,是一种经济性高的新颖 RAID 解决方案。Matrix RAID 技术的原理 相当简单,只需要两块硬盘就能实现了 RAID 0 和 RAID 1 磁盘阵列,并且不需 要添加额外的 RAID 控制器,这正是我们普通用户所期望的。Matrix RAID 需要 硬件层和软件层同时支持才能实现,硬件方面目前就是 ICH6R 南桥以及更高阶 的 ICH6RW 南桥,而 Intel Application Acclerator 软件和 Windows 操作系统均对 软件层提供了支持。
Matrix RAID 的原理就是将每个硬盘容量各分成两部分(即:将一个硬盘虚 拟成两个子硬盘,这时子硬盘总数为 4 个),其中用两个虚拟子硬盘来创建RAID0 模式以提高效能,而其它两个虚拟子硬盘则透过镜像备份组成 RAID 1用来备份数据。在 Matrix RAID 模式中数据存储模式如下:两个磁盘驱动器的 第一部分被用来创建 RAID 0 阵列,主要用来存储操作系统、应用程序和交换 文件,这是因为磁盘开始的区域拥有较高的存取速度,Matrix RAID 将 RAID 0逻辑分割区置于硬盘前端(外圈)的主因,是可以让需要效能的模块得到最好的 效能表现;而两个磁盘驱动器的第二部分用来创建 RAID1 模式,主要用来存储 用户个人的文件和数据。
例如,使用两块 120GB 的硬盘,可以将两块硬盘的前 60GB 组成 120GB 的 逻辑分割区,然后剩下两个 60GB 区块组成一个 60GB 的数据备份分割区。像 需要高效能、却不需要安全性的应用,就可以安装在 RAID 0 分割区,而需要 安全性备分的数据,则可安装在 RAID 1 分割区。换言之,使用者得到的总硬 盘空间是 180GB,和传统的 RAID 0+1 相比,容量使用的效益非常的高,而且 在容量配置上有着更高的弹性。如果发生硬盘损毁,RAID 0 分割区数据自然无 法复原,但是 RAID 1 分割区的数据却会得到保全。
可以说,利用 Matrix RAID 技术,我们只需要 2 个硬盘就可以在获取高效 数据存取的同时又能确保数据安全性。这意味着普通用户也可以低成本享受到RAID 0+1 应用模式。
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NV RAID
NV RAID 是 nVidia 自行开发的 RAID 技术,随着 nForce 各系列芯片组的 发展也不断推陈出新。相对于其它 RAID 技术而言,目前最新的 nForce4 系列 芯片组的 NV RAID 具有自己的鲜明特点,主要是以下几点:
(1)交错式 RAID(Cross-Controller RAID):交错式 RAID 即俗称的混合式 RAID, 也就是将 SATA 接口的硬盘与 IDE 接口的硬盘联合起来组成一个 RAID 模式。 交错式 RAID 在 nForce3 250 系列芯片组中便已经出现,在 nForce 4 系列芯片组 身上该功能得到延续和增强。
(2)热冗余备份功能:在 nForce 4 系列芯片组中,因支持 Serial ATA 2.0 的热插 拔功能,用户可以在使用过程中更换损坏的硬盘,并在运行状态下重新建立一 个新的镜像,确保重要数据的安全性。更为可喜的是,nForce 4 的 nVIDIA RAID 控制器还允许用户为运行中的 RAID 系统增加一个冗余备份特性,而不必 理会系统采用哪一种 RAID 模式,用户可以在驱动程序提供的“管理工具”中指 派任何一个多余的硬盘用作 RAID 系统的热备份。该热冗余硬盘可以让多个RAID 系统(如一个 RAID 0 和一个 RAID1)共享,也可以为其中一个 RAID 系统 所独自占有,功能类似于时下的高端 RAID 系统。
(3)简易的 RAID 模式迁移:nForce 4 系列芯片组的 NV RAID 模块新增了一个名 为“Morphing”的新功能,用户只需要选择转换之后的 RAID 模式,而后执行“Morphing”操作,RAID 删除和模式重设的工作可以自动完成,无需人为干预, 易用性明显提高。
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RAID 1E
RAID 1E 是 RAID 1 的增强版本,它并不是我们通常所说的 RAID 0+1 的组合。RAID 1E 的工作原理与 RAID1 基本上是一样的,只是 RAID 1E 的数据恢复能 力更强,但由于 RAID 1E 写一分数据至少要两次,因此,RAID 处理器的负载 得到加强,从而造成磁盘读写能力的下降。RAID 1E 至少需要 3 块硬盘才能实 现。RAID 1E 和 RAID 1 的工作原理图如下:
RAID DP
RAID DP 也属于一种私有的 RAID 标准,它实际上也就是双 RAID 3 技术,所 谓双 RAID 3 技术主要是说在同一磁盘阵列中组建两个独立的不同算法的校验 磁盘,在单校验磁盘下工作原理与 RAID 3 一样,但增加了一个校验盘之后, 则使整个磁盘阵列的安全性得到提高,并且它的性能比 RAID 3 和 RAID 5 都要 好。
RAID ADG
RAID ADG 相当于双 RAID 5 技术,是 HP 提出来的一种 RAID 技术。这种技术 部署了 2 个奇偶校验集,并提供了 2 个硬盘的容量存储这些奇偶校验信息,能 同时允许 2 块硬盘出现故障,有效提升了磁盘内数据的可靠性。不过这种技术 会严重影响系统速度,所以并没有得到推广。
总结
以上提到的 RAID 技术都还不是规范的技术,因此,还有许多厂商也以定义了 同样名字的 RAID 标准,但它们的原理有所区别,所以,大家在见到这些技术 时,一定要根据厂商方面的解释为主。
来源：oschina
链接：https://my.oschina.net/u/206258/blog/540314