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RAID,全稱Redundant Array of Independent Disks,中文名稱獨立磁盤冗余陣列,簡稱磁盤陣列。利用虛擬化存儲技術把多個硬盤組合起來,成為一個或多個硬盤陣列組,目的為提升性能或數據冗余,或是兩者同時提升。

在運作中,取決于RAID 層級不同,數據會以多種模式分散于各個硬盤,RAID 層級的命名會以 RAID 開頭并帶數字,例如:RAID 0、RAID 1、RAID 5、RAID 6、RAID 7、RAID 01、RAID 10、RAID 50、RAID 60。每種等級都有其理論上的優缺點,不同的等級在兩個目標間獲取平衡,分別是增加數據可靠性以及增加存儲器(群)讀寫性能。

簡單來說,RAID把多個硬盤組合成為一個邏輯硬盤,因此,操作系統只會把它當作一個實體硬盤。RAID常被用在服務器電腦上,并且常使用完全相同的硬盤作為組合。由于硬盤價格的不斷下降與RAID功能更加有效地與主板集成,它也成為普通用戶的一個選擇,特別是需要大容量存儲空間的工作,如:視頻與音頻制作。

我們一般稱RAID 0、RAID 1、RAID 2、RAID 3、RAID 4、RAID 5、RAID 6為標準RAID,稱JBOD、RAID 7、RAID 01、RAID 10、RAID 50、RAID 53、RAID 60為混合RAID。

標準RAID

RAID 0

詳解磁盤陣列RAID原理、種類及性能優缺點

 

RAID 0亦稱為帶區集。它將兩個以上的磁盤并聯起來,成為一個大容量的磁盤。在存放數據時,分段后分散存儲在這些磁盤中,因為讀寫時都可以并行處理,所以在所有的級別中,RAID 0的速度是最快的。但是RAID 0既沒有冗余功能,也不具備容錯能力,如果一個磁盤(物理)損壞,所有數據都會丟失,危險程度與#JBOD相當。

RAID 1

詳解磁盤陣列RAID原理、種類及性能優缺點

 

兩組以上的N個磁盤相互作鏡像,在一些多線程操作系統中能有很好的讀取速度,理論上讀取速度等于硬盤數量的倍數,與RAID 0相同。另外寫入速度有微小的降低。只要一個磁盤正常即可維持運作,可靠性最高。其原理為在主硬盤上存放數據的同時也在鏡像硬盤上寫一樣的數據。當主硬盤(物理)損壞時,鏡像硬盤則代替主硬盤的工作。因為有鏡像硬盤做數據備份,所以RAID 1的數據安全性在所有的RAID級別上來說是最好的。但無論用多少磁盤做RAID 1,僅算一個磁盤的容量,是所有RAID中磁盤利用率最低的一個級別。

如果用兩個不同大小的磁盤建RAID 1,可用空間為較小的那個磁盤,較大的磁盤多出來的空間也可以分割成一個區來使用,不會造成浪費。

RAID 2

詳解磁盤陣列RAID原理、種類及性能優缺點

 

這是RAID 0的改良版,以漢明碼(Hamming Code)的方式將數據進行編碼后分割為獨立的比特,并將數據分別寫入硬盤中。因為在數據中加入錯誤修正碼(ECC,Error Correction Code),所以數據整體的容量會比原始數據大一些。

RAID 2最少要三臺磁盤驅動器方能運作。

RAID 3

詳解磁盤陣列RAID原理、種類及性能優缺點

 

采用Bit-interleaving(數據交錯存儲)技術,它需要通過編碼再將數據比特分割后分別存在硬盤中,而將同比特檢查后單獨存在一個硬盤中,但由于數據內的比特分散在不同的硬盤上,因此就算要讀取一小段數據資料都可能需要所有的硬盤進行工作,所以這種規格比較適于讀取大量數據時使用。

RAID 4

詳解磁盤陣列RAID原理、種類及性能優缺點

 

它與RAID 3不同的是它在分割時是以區塊為單位分別存在硬盤中,但每次的數據訪問都必須從同比特檢查的那個硬盤中取出對應的同比特數據進行核對,由于過于頻繁的使用,所以對硬盤的損耗可能會提高。(塊交織技術,Block interleaving)

RAID 5

詳解磁盤陣列RAID原理、種類及性能優缺點

 

RAID Level 5是一種儲存性能、數據安全和存儲成本兼顧的存儲解決方案。它使用的是Disk Striping(硬盤分割)技術。

RAID 5至少需要三個硬盤,RAID 5不是對存儲的數據進行備份,而是把數據和相對應的奇偶校驗信息存儲到組成RAID5的各個磁盤上,并且奇偶校驗信息和相對應的數據分別存儲于不同的磁盤上。當RAID5的一個磁盤數據發生損壞后,可以利用剩下的數據和相應的奇偶校驗信息去恢復被損壞的數據。RAID 5可以理解為是RAID 0和RAID 1的折衷方案。RAID 5可以為系統提供數據安全保障,但保障程度要比鏡像低而磁盤空間利用率要比鏡像高。RAID 5具有和RAID 0相近似的數據讀取速度,只是因為多了一個奇偶校驗信息,寫入數據的速度相對單獨寫入一塊硬盤的速度略慢,若使用“回寫緩存”可以讓性能改善不少。同時由于多個數據對應一個奇偶校驗信息,RAID 5的磁盤空間利用率要比RAID 1高,存儲成本相對較便宜。

RAID 6

詳解磁盤陣列RAID原理、種類及性能優缺點

 

與RAID 5相比,RAID 6增加第二個獨立的奇偶校驗信息塊。兩個獨立的奇偶系統使用不同的算法,數據的可靠性非常高,任意兩塊磁盤同時失效時不會影響數據完整性。RAID 6需要分配給奇偶校驗信息更大的磁盤空間和額外的校驗計算,相對于RAID 5有更大的IO操作量和計算量,其“寫性能”強烈取決于具體的實現方案,因此RAID 6通常不會通過軟件方式來實現,而更可能通過硬件方式實現。

同一數組中最多容許兩個磁盤損壞。更換新磁盤后,數據將會重新算出并寫入新的磁盤中。

混合RAID

JBOD

詳解磁盤陣列RAID原理、種類及性能優缺點

 

JBOD( Just a Bunch Of Disks)在分類上,JBOD并不是RAID的等級。由于并沒有規范,市場上有兩類主流的做法

使用單獨的鏈接端口如SATA、USB或1394同時控制多個各別獨立的硬盤,使用這種模式通常是較高端的設備,還具備有RAID的功能,不需要依靠JBOD達到合并邏輯扇區的目的。

只是將多個硬盤空間合并成一個大的邏輯硬盤,沒有錯誤備援機制。

數據的存放機制是由第一顆硬盤開始依序往后存放,即操作系統看到的是一個大硬盤(由許多小硬盤組成的)。但如果硬盤損毀,則該顆硬盤上的所有數據將無法救回。若第一顆硬盤損壞,通常無法作救援(因為大部分文件系統將磁盤分割表(partition table)存在磁盤前端,即第一顆),失去磁盤分割表即失去一切數據,若遭遇磁盤陣列數據或硬盤出錯的狀況,危險程度較RAID 0更劇。它的好處是不會像RAID 0,每次訪問都要讀寫全部硬盤。但在部分的JBOD數據恢復實踐中,可以恢復未損毀之硬盤上的數據。同時,因為每次讀寫操作只作用于單一硬盤,JBOD的傳輸速率與I/O表現均與單顆硬盤無異。

RAID 7

詳解磁盤陣列RAID原理、種類及性能優缺點

 

RAID 7并非公開的RAID標準,而是Storage Computer Corporation的專利硬件產品名稱,RAID 7是以RAID 3及RAID 4為基礎所發展,但是經過強化以解決原來的一些限制。另外,在實現中使用大量的緩沖存儲器以及用以實現異步數組管理的專用即時處理器,使得RAID 7可以同時處理大量的IO要求,所以性能甚至超越了許多其他RAID標準的實做產品。但也因為如此,在價格方面非常的高昂。

RAID 10/01

詳解磁盤陣列RAID原理、種類及性能優缺點

 

RAID 10是先分割數據再鏡像,再將所有硬盤分為兩組,視為以RAID 1作為最低組合,然后將每組RAID 1視為一個“硬盤”組合為RAID 0運作。

詳解磁盤陣列RAID原理、種類及性能優缺點

 

RAID 01則是跟RAID 10的程序相反,是先鏡像再將數據到分割兩組硬盤。它將所有的硬盤分為兩組,每組各自構成為RAID 0作為最低組合,而將兩組硬盤組合為RAID 1運作。

當RAID 10有一個硬盤受損,其余硬盤會繼續運作。RAID 01只要有一個硬盤受損,同組RAID 0的所有硬盤都會停止運作,只剩下其他組的硬盤運作,可靠性較低。如果以六個硬盤建RAID 01,鏡像再用三個建RAID 0,那么壞一個硬盤便會有三個硬盤離線。因此,RAID 10遠較RAID 01常用,零售主板絕大部分支持RAID 0/1/5/10,但不支持RAID 01。

 

RAID 50

詳解磁盤陣列RAID原理、種類及性能優缺點

 

RAID 5與RAID 0的組合,先作RAID 5,再作RAID 0,也就是對多組RAID 5彼此構成Stripe訪問。由于RAID 50是以RAID 5為基礎,而RAID 5至少需要3顆硬盤,因此要以多組RAID 5構成RAID 50,至少需要6顆硬盤。以RAID 50最小的6顆硬盤配置為例,先把6顆硬盤分為2組,每組3顆構成RAID 5,如此就得到兩組RAID 5,然后再把兩組RAID 5構成RAID 0。

RAID 50在底層的任一組或多組RAID 5中出現1顆硬盤損壞時,仍能維持運作,不過如果任一組RAID 5中出現2顆或2顆以上硬盤損毀,整組RAID 50就會失效。

RAID 50由于在上層把多組RAID 5構成Stripe,性能比起單純的RAID 5高,容量利用率比RAID5要低。比如同樣使用9顆硬盤,由各3顆RAID 5再組成RAID 0的RAID 50,每組RAID 5浪費一顆硬盤,利用率為(1-3/9),RAID 5則為(1-1/9)。

RAID 53

詳解磁盤陣列RAID原理、種類及性能優缺點

 

它擁有一個鏡像條帶數組,硬盤里其中一個條帶就是一個是由3組以上的RAID 5組成RAID 3硬盤陣列。

RAID 60

詳解磁盤陣列RAID原理、種類及性能優缺點

 

RAID 6與RAID 0的組合:先作RAID 6,再作RAID 0。換句話說,就是對兩組以上的RAID 6作Stripe訪問。RAID 6至少需具備4顆硬盤,所以RAID 60的最小需求是8顆硬盤。

由于底層是以RAID 6組成,所以RAID 60可以容許任一組RAID 6中損毀最多2顆硬盤,而系統仍能維持運作;不過只要底層任一組RAID 6中損毀3顆硬盤,整組RAID 60就會失效,當然這種情況的概率相當低。

比起單純的RAID 6,RAID 60的上層透過結合多組RAID 6構成Stripe訪問,因此性能較高。不過使用門檻高,而且容量利用率低是較大的問題。

軟RAID和硬RAID

根據實現模式,RAID又分為軟RAID和硬RAID。

軟件磁盤陣列(Software RAID)

主要由CPU處理數組存儲作業,缺點為耗損較多CPU資源運算RAID,優點則是價格偏低。分類有3種:

基于主板的磁盤陣列:只需要主板支持即可(通常是芯片組內置的RAID功能,如Intel Matrix RAID,Intel Rapid Storage Technology),不需要任何磁盤陣列卡。若主板損壞,可能難以購買同款主板重建RAID。

硬件輔助磁盤陣列(Hardware-Assisted RAID):需要一張基于Fake RAID的RAID卡,以及廠商所提供的驅動程序,但此類RAID卡仍然通過CPU進行運算。這款RAID較易遷移到其他電腦。RAID功能靠運行于操作系統的廠商驅動程序和CPU運算提供。

操作系統的RAID功能:如linux、FreeBSD、windows Server等操作系統內置RAID功能。

硬件磁盤陣列(Hardware RAID)

RAID卡上內置處理器,不需要服務器的CPU運算。優點是讀寫性能最快,不占用服務器資源,可用于任何操作系統,也能在系統斷電后,透過備份電池模塊(BBU, Backup Battery Unit)以及非易失性存儲器 (NVRAM)將硬盤讀寫日志檔(Journal)包含的剩余讀寫作業先記錄在存儲器中,等待電力供應撤銷后,再由NVRAM取回日志檔數據,接著再完成讀寫作業,將剩余讀寫作業安全完成以確保讀寫完整性。備份電池模塊通常會配合數組卡的Write-Back緩存模式,借由此存儲器緩存讀寫作業以得到更高的讀寫性能;但是沒有備份電池模塊的硬件磁盤陣列卡,切勿使用Write-Back緩存模式以免遭遇斷電情形導致讀寫數據流失。此外,因為硬件磁盤陣列卡搭載內置處理器,所以可以與操作系統分離出來,對硬盤進行各種作業,還原作業的速度也比軟件磁盤陣列快。缺點是其售價很高。

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標簽:磁盤陣列 RAID
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