raid的基礎(chǔ)知識詳解，你都知道么？

時間：2020-04-23作者：深圳道通存儲技術(shù)有限公司瀏覽：203

RAID ( Redundant Array of Independent Disks )即獨立磁盤冗余陣列，通常簡稱為磁盤陣列。簡單地說， RAID 是由多個獨立的高性能磁盤驅(qū)動器組成的磁盤子系統(tǒng)，從而提供比單個磁盤較高的存儲性能和數(shù)據(jù)冗余的技術(shù)。 RAID 是一類多磁盤管理技術(shù)，其向主機(jī)環(huán)境提供了成本適中、數(shù)據(jù)可靠性高的高性能存儲。 SNIA 對 RAID 的定義是 [2] ：一種磁盤陣列，部分物理存儲空間用來記錄保存在剩余空間上的用戶數(shù)據(jù)的冗余信息。當(dāng)其中某一個磁盤或訪問路徑發(fā)生故障時，冗余信息可用來重建用戶數(shù)據(jù)。磁盤條帶化雖然與 RAID 定義不符，通常還是稱為 RAID (即 RAID0 )。







RAID 的初衷是為大型服務(wù)器提供**的存儲功能和冗余的數(shù)據(jù)安全。在整個系統(tǒng)中， RAID 被看作是由兩個或更多磁盤組成的存儲空間，通過并發(fā)地在多個磁盤上讀寫數(shù)據(jù)來提高存儲系統(tǒng)的 I/O 性能。大多數(shù) RAID 等級具有完備的數(shù)據(jù)校驗、糾正措施，從而提高系統(tǒng)的容錯性，甚至鏡像方式，大大增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性， Redundant 也由此而來。

RAID 的兩個關(guān)鍵目標(biāo)是提高數(shù)據(jù)可靠性和 I/O 性能。磁盤陣列中，數(shù)據(jù)分散在多個磁盤中，然而對于計算機(jī)系統(tǒng)來說，就像一個單獨的磁盤。通過把相同數(shù)據(jù)同時寫入到多塊磁盤(典型地如鏡像)，或者將計算的校驗數(shù)據(jù)寫入陣列中來獲得冗余能力，當(dāng)單塊磁盤出現(xiàn)故障時可以保證不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

有些 RAID 等級允許更多地 磁盤同時發(fā)生故障，比如 RAID6 ，可以是兩塊磁盤同時損壞。在這樣的冗余機(jī)制下，可以用新磁盤替換故障磁盤， RAID 會自動根據(jù)剩余磁盤中的數(shù)據(jù)和校驗數(shù)據(jù)重建丟失的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)一致性和完整性。數(shù)據(jù)分散保存在 RAID 中的多個不同磁盤上，并發(fā)數(shù)據(jù)讀寫要大大**單個磁盤，因此可以獲得較高的聚合 I/O 帶寬。當(dāng)然，磁盤陣列會減少全體磁盤的總可用存儲空間，犧牲空間換取較高的可靠性和性能。比如， RAID1 存儲空間利用率僅有 50% ， RAID5 會損失其中一個磁盤的存儲容量，空間利用率為 (n-1)/n 。

磁盤陣列可以在部分磁盤(單塊或多塊，根據(jù)實現(xiàn)而論)損壞的情況下，仍能保證系統(tǒng)不中斷地連續(xù)運(yùn)行。在重建故障磁盤數(shù)據(jù)至新磁盤的過程中，系統(tǒng)可以繼續(xù)正常運(yùn)行，但是性能方面會有一定程度上的降低。一些磁盤陣列在添加或刪除磁盤時必須停機(jī)，而有些則支持熱交換 ( Hot Swapping )，允許不停機(jī)下替換磁盤驅(qū)動器。這種**磁盤陣列主要用于要求高可能性的應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)不能停機(jī)或盡可能少的停機(jī)時間。

一般來說， RAID 不可作為數(shù)據(jù)備份的替代方案，它對非磁盤故障等造成的數(shù)據(jù)丟失無能為力，比如病毒、人為破壞、意外刪除等情形。此時的數(shù)據(jù)丟失是相對操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、卷管理器或者應(yīng)用系統(tǒng)來說的，對于 RAID 系統(tǒng)來身，數(shù)據(jù)都是完好的，沒有發(fā)生丟失。所以，數(shù)據(jù)備份、災(zāi) 備等數(shù)據(jù)保護(hù)措施是非常必要的，與 RAID 相輔相成，保護(hù)數(shù)據(jù)在不同層次的安全性，防止發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。

RAID 中主要有三個關(guān)鍵概念和技術(shù)：鏡像( Mirroring )、數(shù)據(jù)條帶( Data Stripping )和數(shù)據(jù)校驗( Data parity ) [3][4][5] 。鏡像，將數(shù)據(jù)復(fù)制到多個磁盤，一方面可以提高可靠性，另一方面可并發(fā)從兩個或多個副本讀取數(shù)據(jù)來提高讀性能。顯而易見，鏡像的寫性能要稍低， 確保數(shù)據(jù)正確地寫到多個磁盤需要更多的時間消耗。數(shù)據(jù)條帶，將數(shù)據(jù)分片保存在多個不同的磁盤，多個數(shù)據(jù)分片共同組成一個完整數(shù)據(jù)副本，這與鏡像的多個副本是不同的，它通常用于性能考慮。數(shù)據(jù)條帶具有較高的并發(fā)粒度，當(dāng)訪問數(shù)據(jù)時，可以同時對位于不同磁盤上數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作， 從而獲得非?？捎^的 I/O 性能提升 。數(shù)據(jù)校驗，利用冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)錯誤檢測和修復(fù)，冗余數(shù)據(jù)通常采用海明碼、異或操作等算法來計算獲得。利用校驗功能，可以很大程度上提高磁盤陣列的可靠性、魯棒性和容錯能力。不過，數(shù)據(jù)校驗需要從多處讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行計算和對比，會影響系統(tǒng)性能。 不同等級的 RAID 采用一個或多個以上的三種技術(shù)，來獲得不同的數(shù)據(jù)可靠性、可用性和 I/O 性能。至于設(shè)計何種 RAID (甚至新的等級或類型)或采用何種模式的 RAID ，需要在深入理解系統(tǒng)需求的前提下進(jìn)行合理選擇，綜合評估可靠性、性能和成本來進(jìn)行折中的選擇。

RAID 思想從提出后就廣泛被業(yè)界所接納，存儲工業(yè)界投入了大量的時間和財力來研究和開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。而且，隨著處理器、內(nèi)存、計算機(jī)接口等技術(shù)的不斷發(fā)展， RAID 不斷地發(fā)展和革新，在計算機(jī)存儲領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，從**系統(tǒng)逐漸延伸到普通的中低端系統(tǒng)。 RAID 技術(shù)如此流行，源于其具有顯著的特征和優(yōu)勢，基本可以滿足大部分的數(shù)據(jù)存儲需求?？傮w說來， RAID 主要優(yōu)勢有如下幾點：

(1) 大容量

這是 RAID 的一個顯然優(yōu)勢，它擴(kuò)大了磁盤的容量，由多個磁盤組成的 RAID 系統(tǒng)具有海量的存儲空間?，F(xiàn)在單個磁盤的容量就可以到 1TB 以上，這樣 RAID 的存儲容量就可以達(dá)到 PB 級，大多數(shù)的存儲需求都可以滿足。一般來說， RAID 可用容量要小于所有成員磁盤的總?cè)萘?。不同等級?RAID 算法需要一定的冗余開銷，具體容量開銷與采用算法相關(guān)。如果已知 RAID 算法和容量，可以計算出 RAID 的可用容量。通常， RAID 容量利用率在 50% ~ 90% 之間。

(2) 高性能

RAID 的高性能受益于數(shù)據(jù)條帶化技術(shù)。單個磁盤的 I/O 性能受到接口、帶寬等計算機(jī)技術(shù)的限制，性能往往很有 限，容易成為系統(tǒng)性能的瓶頸。通過數(shù)據(jù)條帶化， RAID 將數(shù)據(jù) I/O 分散到各個成員磁盤上，從而獲得比單個磁盤成倍增長的聚合 I/O 性能。

(3) 可靠性

可用性和可靠性是 RAID 的另一個重要特征。從理論上講，由多個磁盤組成的 RAID 系統(tǒng)在可靠性方面應(yīng)該比單個磁盤要差。這里有個隱含假定：單個磁盤故障將導(dǎo)致整個 RAID 不可用。 RAID 采用鏡像和數(shù)據(jù)校驗等數(shù)據(jù)冗余技術(shù)，打破了這個假定。 鏡像是較為原始的冗余技術(shù)，把某組磁盤驅(qū)動器上的數(shù)據(jù)完全復(fù)制到另一組磁盤驅(qū)動器上，保證總有數(shù)據(jù)副本可用。 比起鏡像 50% 的冗余開銷 ，數(shù)據(jù)校驗要小很多，它利用校驗冗余信息對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗和糾錯。 RAID 冗余技術(shù)大幅提升數(shù)據(jù)可用性和可靠性，保證了若干磁盤出錯時，不 會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，不影響系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。

(4) 可管理性

實際上， RAID 是一種虛擬化技術(shù)，它對多個物理磁盤驅(qū)動器虛擬成一個大容量的邏輯驅(qū)動器。對于外部主機(jī)系統(tǒng)來說， RAID 是一個單一的、快速可靠的大容量磁盤驅(qū)動器。這樣，用戶就可以在這個虛擬驅(qū)動器上來組織和存儲應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)。 從用戶應(yīng)用角度看，可使存儲系統(tǒng)簡單易用，管理也很便利。 由于 RAID 內(nèi)部完成了大量的存儲管理工作，管理員只需要管理單個虛擬驅(qū)動器，可以節(jié)省大量的管理工作。 RAID 可以動態(tài)增減磁盤驅(qū)動器，可自動進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗和數(shù)據(jù)重建，這些都可以 大大簡化管理工作。


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