磁盘阵列

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前言

1988 年美国加州大学伯克利分校的 D. A. Patterson 教授等首次在论文 “A Case of Redundant Array of Inexpensive Disks” 中提出了 RAID 概念 [1] ,即廉价冗余磁盘阵列( Redundant Array of Inexpensive Disks )。由于当时大容量磁盘比较昂贵, RAID 的基本思想是将多个容量较小、相对廉价的磁盘进行有机组合,从而以较低的成本获得与昂贵大容量磁盘相当的容量、性能、可靠性。随着磁盘成本和价格的不断降低, RAID 可以使用大部分的磁盘, “廉价” 已经毫无意义。因此, RAID 咨询委员会( RAID Advisory Board, RAB )决定用 “ 独立 ” 替代 “ 廉价 ” ,于时 RAID 变成了独立磁盘冗余阵列( Redundant Array of Independent Disks )。

目前RAID技术大致分为两种:基于硬件的RAID技术和基于软件的RAID技术。

标准 RAID 等级

  SNIA 、 Berkeley 等组织机构把 RAID0 、 RAID1 、 RAID2 、 RAID3 、 RAID4 、 RAID5 、 RAID6 七个等级定为标准的 RAID 等级,这也被业界和学术界所公认。标准等级是最基本的 RAID 配置集合,单独或综合利用数据条带、镜像和数据校验技术。标准 RAID 可以组合,即 RAID 组合等级,满足 对性能、安全性、可靠性要求更高的存储应用需求

1.RAID0— 无冗错的数据条带

  RAID0 是一种简单的、无数据校验的数据条带化技术。实际上不是一种真正的 RAID ,因为它并不提供任何形式的冗余策略。 RAID0 将所在磁盘条带化后组成大容量的存储空间(如图 2 所示),将数据分散存储在所有磁盘中,以独立访问方式实现多块磁盘的并读访问。由于可以并发执行 I/O 操作,总线带宽得到充分利用。再加上不需要进行数据校验,RAID0 的性能在所有 RAID 等级中是最高的。理论上讲,一个由 n 块磁盘组成的 RAID0 ,它的读写性能是单个磁盘性能的 n 倍,但由于总线带宽等多种因素的限制,实际的性能提升低于理论值。

  RAID0 具有低成本、高读写性能、 100% 的高存储空间利用率等优点,但是它不提供数据冗余保护,一旦数据损坏,将无法恢复。 因此, RAID0 一般适用于对性能要求严格但对数据安全性和可靠性不高的应用,如视频、音频存储、临时数据缓存空间等

2.RAID1—- 无校验的相互镜像

  RAID1 称为镜像,它将数据完全一致地分别写到工作磁盘和镜像 磁盘,它的磁盘空间利用率为 50% 。 RAID1 在数据写入时,响应时间会有所影响,但是读数据的时候没有影响。 RAID1 提供了最佳的数据保护,一旦工作磁盘发生故障,系统自动从镜像磁盘读取数据,不会影响用户工作。工作原理如图 3 所示。

  RAID1 与 RAID0 刚好相反,是为了增强数据安全性使两块 磁盘数据呈现完全镜像,从而达到安全性好、技术简单、管理方便。 RAID1 拥有完全容错的能力,但实现成本高。 RAID1 应用于对顺序读写性能要求高以及对数据保护极为重视的应用,如对邮件系统的数据保护。

3.RAID2 —海明码校验

  RAID2 称为纠错海明码磁盘阵列,其设计思想是利用海明码实现数据校验冗余。海明码是一种在原始数据中加入若干校验码来进行错误检测和纠正的编码技术,其中第 2n 位( 1, 2, 4, 8, … )是校验码,其他位置是数据码。因此在 RAID2 中,数据按位存储,每块磁盘存储一位数据编码,磁盘数量取决于所设定的数据存储宽度,可由用户设定。图 4 所示的为数据宽度为 4 的 RAID2 ,它需要 4 块数据磁盘和 3 块校验磁盘。如果是 64 位数据宽度,则需要 64 块 数据磁盘和 7 块校验磁盘。可见, RAID2 的数据宽度越大,存储空间利用率越高,但同时需要的磁盘数量也越多。

  海明码自身具备纠错能力,因此 RAID2 可以在数据发生错误的情况下对纠正错误,保证数据的安全性。它的数据传输性能相当高,设计复杂性要低于后面介绍的 RAID3 、 RAID4 和 RAID5 。

  但是,海明码的数据冗余开销太大,而且 RAID2 的数据输出性能受阵列中最慢磁盘驱动器的限制。再者,海明码是按位运算, RAID2 数据重建非常耗时。由于这些显著的缺陷,再加上大部分磁盘驱动器本身都具备了纠错功能,因此 RAID2 在实际中很少应用,没有形成商业产品,目前主流存储磁盘阵列均不提供 RAID2 支持。

4.RAID3 —-带有专用位校验的数据条带

  RAID3 (图 5 )是使用专用校验盘的并行访问阵列,它采用一个专用的磁盘作为校验盘,其余磁盘作为数据盘,数据按位可字节的方式交叉存储到各个数据盘中。RAID3 至少需要三块磁盘,不同磁盘上同一带区的数据作 XOR 校验,校验值写入校验盘中。 RAID3 完好时读性能与 RAID0 完全一致,并行从多个磁盘条带读取数据,性能非常高,同时还提供了数据容错能力。向 RAID3 写入数据时,必须计算与所有同条带的校验值,并将新校验值写入校验盘中。一次写操作包含了写数据块、读取同条带的数据块、计算校验值、写入校验值等多个操作,系统开销非常大,性能较低。

  如果 RAID3 中某一磁盘出现故障,不会影响数据读取,可以借助校验数据和其他完好数据来重建数据。假如所要读取的数据块正好位于失效磁盘,则系统需要读取所有同一条带的数据块,并根据校验值重建丢失的数据,系统性能将受到影响。当故障磁盘被更换后,系统按相同的方式重建故障盘中的数据至新磁盘。

  RAID3 只需要一个校验盘,阵列的存储空间利用率高,再加上并行访问的特征,能够为高带宽的大量读写提供高性能,适用大容量数据的顺序访问应用,如影像处理、流媒体服务等。目前, RAID5 算法不断改进,在大数据量读取时能够模拟 RAID3 ,而且 RAID3 在出现坏盘时性能会大幅下降,因此常使用 RAID5 替代 RAID3 来运行具有持续性、高带宽、大量读写特征的应用。

5.RAID4 —带有专用块级校验的数据条带

  RAID4 与 RAID3 的原理大致相同,区别在于条带化的方式不同。 RAID4 (图 6 )按照 块的方式来组织数据,写操作只涉及当前数据盘和校验盘两个盘,多个 I/O 请求可以同时得到处理,提高了系统性能。 RAID4 按块存储可以保证单块的完整性,可以避免受到其他磁盘上同条带产生的不利影响。

  RAID4 在不同磁盘上的同级数据块同样使用 XOR 校验,结果存储在校验盘中。写入数据时, RAID4 按这种方式把各磁盘上的同级数据的校验值写入校验 盘,读取时进行即时校验。因此,当某块磁盘的数据块损坏, RAID4 可以通过校验值以及其他磁盘上的同级数据块进行数据重建。

  RAID4 提供了 非常好的读性能,但单一的校验盘往往成为系统性能的瓶颈。对于写操作, RAID4 只能一个磁盘一个磁盘地写,并且还要写入校验数据,因此写性能比较差。而且随着成员磁盘数量的增加,校验盘的系统瓶颈将更加突出。正是如上这些限制和不足, RAID4 在实际应用中很少见,主流存储产品也很少使用 RAID4 保护。

6.RAID5 —-带分散校验的数据条带

   RAID5 应该是目前最常见的 RAID 等级,它的原理与 RAID4 相似,区别在于校验数据分布在阵列中的所有磁盘上,而没有采用专门的校验磁盘。对于数据和校验数据,它们的写操作可以同时发生在完全不同的磁盘上。因此, RAID5 不存在 RAID4 中的并发写操作时的校验盘性能瓶颈问题。另外, RAID5 还具备很好的扩展性。当阵列磁盘 数量增加时,并行操作量的能力也随之增长,可比 RAID4 支持更多的磁盘,从而拥有更高的容量以及更高的性能。

  RAID5 (图 7)的磁盘上同时存储数据和校验数据,数据块和对应的校验信息存保存在不同的磁盘上,当一个数据盘损坏时,系统可以根据同一条带的其他数据块和对应的校验数据来重建损坏的数据。与其他 RAID 等级一样,重建数据时, RAID5 的性能会受到较大的影响。

  RAID5 兼顾存储性能、数据安全和存储成本等各方面因素,它可以理解为 RAID0 和 RAID1 的折中方案,是目前综合性能最佳的数据保护解决方案。 RAID5 基本上可以满足大部分的存储应用需求,数据中心大多采用它作为应用数据的保护方案。

7.RAID6 —-带双重分散校验的数据条带

  前面所述的各个 RAID 等级都只能保护因单个磁盘失效而造成的数据丢失。如果两个磁盘同时发生故障,数据将无法恢复。 RAID6 (如图 8 )引入双重校验的概念,它可以保护阵列中同时出现两个磁盘失效时,阵列仍能够继续工作,不会发生数据丢失。 RAID6 等级是在 RAID5 的基础上为了进一步增强数据保护而设计的一种 RAID 方式,它可以看作是一种扩展的 RAID5 等级。

  RAID6 不仅要支持数据的恢复,还要支持校验数据的恢复,因此实现代价很高,控制器的设计也比其他等级更复杂、更昂贵。 RAID6 思想最常见的实现方式是采用两个独立的校验算法,假设称为 P 和 Q ,校验数据可以分别存储在两个不同的校验盘上,或者分散存储在所有成员磁盘中。当两个磁盘同时失效时,即可通过求解两元方程来重建两个磁盘上的数据。

  RAID6 具有快速的读取性能、更高的容错能力。但是,它的成本要高于 RAID5 许多,写性能也较差,并有设计和实施非常复杂。因此, RAID6 很少得到实际应用,主要用于对数据安全等级要求非常高的场合。它一般是替代 RAID10 方案的经济性选择。

RAID 组合等级

  标准 RAID 等级各有优势和不足。自然地,我们想到把多个 RAID 等级组合起来,实现优势互补,弥补相互的不足,从而达到在性能、数据安全性等指标上更高的 RAID 系统。目前在业界和学术研究中提到的 RAID 组合等级主要有 RAID00 、 RAID01 、 RAID10 、 RAID100 、 RAID30 、 RAID50 、 RAID53 、 RAID60 ,但实际得到较为广泛应用的只有 RAID01 和 RAID10 两个等级。当然,组合等级的实现成本一般都非常昂贵,只是在 少数特定场合应用。

1.RAID00

  简单地说, RAID00 是由多个成员 RAID0 组成的高级 RAID0 。它与 RAID0 的区别在于, RAID0 阵列替换了原先的成员磁盘。可以把 RAID00 理解为两层条带化结构的磁盘阵列,即对条带再进行条带化。这种阵列可以提供更大的存储容量、更高的 I/O 性能和更好的 I/O 负均衡。

2. RAID01 和 RAID10

  一些文献把这两种 RAID 等级看作是等同的,本文认为是不同的。 RAID01 是先做条带化再作镜像,本质是对物理磁盘实现镜像;而 RAID10 是先做镜像再作条带化,是对虚拟磁盘实现镜像。相同的配置下,通常 RAID01 比 RAID10 具有更好的容错能力,原理如图 9 所示。

  RAID01 兼备了 RAID0 和 RAID1 的优点,它先用两块磁盘建立镜像,然后再在镜像内部做条带化。 RAID01 的数据将同时写入到两个磁盘阵列中,如果其中一个阵列损坏,仍可继续工作,保证数据安全性的同时又提高了性能。 RAID01 和 RAID10 内部都含有 RAID1 模式,因此整体磁盘利用率均仅为 50% 。

3.RAID100

  通常看作 RAID 1+0+0 ,有时也称为 RAID 10+0 ,即条带化的 RAID10 。原理如图 10 所示。 RAID100 的缺陷与 RAID10 相同,任意一个 RAID1 损坏一个磁盘不会发生数据丢失,但是剩下的磁盘存在单点故障的危险。最顶层的 RAID0 ,即条带化任务,通常由软件层来完成。

  RAID100 突破了单个 RAID 控制器对物理磁盘数量的限制,可以获得更高的 I/O 负载均衡, I/O 压力分散到更多的磁盘上,进一步提高随机读性能,并有效降低热点盘故障风险。因此, RAID100 通常是大数据库的最佳选择。

4.RAID30 ( RAID53 )、 RAID50 和 RAID60

  这三种 RAID 等级与 RAID00 原理基本相同,区别在于成员 “ 磁盘 ” 换成了 RAID3 、 RAID5 和 RAID6 , RAID30 通常又被称为 RAID53。其实,可把这些等级 RAID 统称为 RAID X0 等级, X 可为标准 RAID 等级,甚至组合等级利用多层 RAID 配置,充分利用 RAID X 与 RAID0 的优点,从而获得在存储容量、数据安全性和 I/O 负载均衡等方面的大幅性能提升。


RAID模式优缺点的简要介绍

 目前被运用较多的RAID模式其优缺点大致是这样的:

    1、RAID0模式

    优点:在RAID 0状态下,存储数据被分割成两部分,分别存储在两块硬盘上,此时移动硬盘的理论存储速度是单块硬盘的2倍,实际容量等于两块硬盘中较小一块硬盘的容量的2倍。

    缺点:任何一块硬盘发生故障,整个RAID上的数据将不可恢复。

    备注:存储高清电影比较适合。

    2、RAID1模式

    优点:此模式下,两块硬盘互为镜像。当一个硬盘受损时,换上一块全新硬盘(大于或等于原硬盘容量)替代原硬盘即可自动恢复资料和继续使用,移动硬盘的实际容量等于较小一块硬盘的容量,存储速度与单块硬盘相同。RAID 1的优势在于任何一块硬盘出现故障是,所存储的数据都不会丢失。

    缺点:该模式可使用的硬盘实际容量比较小,仅仅为两颗硬盘中最小硬盘的容量。

    备注:非常重要的资料,如数据库,个人资料,是万无一失的存储方案。

    3、RAID 0+1模式

    RAID 0+1是磁盘分段及镜像的结合,采用2组RAID0的磁盘阵列互为镜像,它们之间又成为一个RAID1的阵列。硬盘使用率只有50%,但是提供最佳的速度及可靠度。

    4、RAID 3模式

    RAID3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。

    5、RAID 5模式

    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。

    6、RAID 10模式

    RAID10最少需要4块硬盘才能完成。把2块硬盘组成一个RAID1,然后两组RAID1组成一个RAID0。虽然RAID10方案造成了50%的磁盘浪费,但是它提供了200%的速度和单磁盘损坏的数据安全性。

RAID使用简明注意事项

    ★使用前请先备份硬盘的资料,一旦进行RAID设定或是变更RAID模式,将会清除硬盘里的所有资料,以及无法恢复;

    ★建立RAID时,建议使用相同品牌、型号和容量的硬盘,以确保性能和稳定;

    ★请勿随意更换或取出硬盘,如果取出了硬盘,请记下硬盘放入两个仓位的顺序不得更改,以及请勿只插入某一块硬盘使用,以避免造成资料损坏或丢失;

    ★如果旧硬盘曾经在RAID模式下使用,请先进清除硬盘RAID信息,让硬盘回复至出厂状态,以免RAID建立失败;

    ★RAID0模式下,其中一个硬盘损坏时,其它硬盘所有资料都将丢失;

    ★RAID1模式下,如果某一块硬盘受损,可以用一块大于或等于受损硬盘容量的新硬盘替换坏硬盘然后开机即可自动恢复和修复资料以及RAID模式。此过程需要一定时间,请耐心等待

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