12.檔案系統——磁碟管理之RAID概述

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一、什麼是RAID

從上個世紀80年代起，主流的硬碟介面主要有兩類：

A.IDE：用於案頭系統

B.SCSI：用於工業系統（因為轉速高，平均巡道時間短，效能較IDE好）

SCSI的效能雖然優於IDE，但其成本約是IDE的五倍以上，故無法廣泛應用。人們為了節省成本的同時保持效能，於是設計出了一種方案，即將很多廉價的IDE裝置聯合起來，當做一塊硬碟使用。這種將多塊廉價IDE裝置並行聯合使用的模式就是RAID——廉價冗餘磁碟陣列（Redundent Array ofInexpensive Disk）。

RAID能夠讓多塊廉價的硬碟並行工作，在一定程度上提供了高效、可靠的特點。但它需要在IDE控制器之上再提供一種邏輯更高的控制器，這種控制器即為RAID控制器。IDE裝置雖然廉價，但是RAID控制器本身非常昂貴，且RAID模式所提供的可靠性不足以滿足人們的需要，所以後來在工業層級的應用上，人們將SCSI聯合起來組成了RAID，這種RAID得到了更廣泛的應用。此時RAID廉價的特性已經不明顯了，於是其含義變成了：RedundentArray of Independent Disk——獨立冗餘磁碟陣列。當讓無論RAID的名稱如何變化，它體現的思想都是一致的，即將底層的物理磁碟在更高層次的架構上組織起來，使它們能像一塊完整的物理裝置那樣工作。

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在沒有RADI之前，每一個單獨的裝置，其控制器是直接連接到主板的匯流排上的，這個控制器可以和CPU及其他裝置進行通訊；而有了RAID層級的概念之後，需要在原有控制器之上附加一個更進階別的總控制器，該控制器會對其他低層級的控制器進行集中控制，然後再串連到記憶體、CPU或其他裝置的匯流排上。

在沒有使用RAID之前，CUP會將每一個裝置識別為一個單獨的個體，而有了RAID之後，CPU會認為這幾個裝置是一個整體，即由RAID控制器抽象出來的裝置。對RAID的管理，就是對總控制器（RAID的晶片）的管理，這個晶片可能是內嵌在主板上的，也可能是個獨立的卡片——適配器，通過PCI-E的插槽串連到一個存放裝置上，該存放裝置稱為DAS裝置（直接附加存放裝置）。

 

 

二、RAID的層級

RAID的目的主要有兩個方面：

A、高效能：所謂高效能指的是讀寫效能，有的情境要求讀效能高，有的情境要求寫效能高，還有一些情境需要同時兼顧讀寫的效能

B、可靠性（冗餘）：頻繁的讀寫操作容易損壞磁碟，可靠性就意味著即使某一塊磁碟壞掉了，也不會影響資料的使用（有備份硬碟），這種概念即為冗餘。

為了滿足不同高效能和可靠性的需求，RAID提供了不同的層級，而區分不同RAID層級的方式，就是在RAID後面加上不同的數字，即從Raid0,Raid1,...Raid7這8種；而後來隨著RAID的進一步發展，產生了不同的RAID層級的組合方式，即Raid10,Raid50等等。

RAID的層級本身沒有高低上下之分，也就意味著Raid1並不會優於Raid0，它們只是用來描述多塊磁碟的組合方式。下面來逐一介紹不同RAID層級的組合方式：

 

（1）Raid0

Raid0也稱為條帶裝置，即將多塊裝置並聯起來提供高效能的方式。RAID0以條帶的形式將資料均勻分布在陣列的各個磁碟上，D0、D1...個資料區塊並不是指的Block，資料區塊要大得多。每個資料區塊會按照順序分別儲存到對應的硬碟資料區塊上，故在RAID0上儲存資料，是將資料平均分布到磁碟上，從而實現了並行存取，因此（讀寫）效能得到了極大的提升。

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RAID0的特性

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（2）Raid1

Raid1也稱為鏡像，鏡像顧名思義就是將一份資料存放區多份，以鏡像為冗餘方式，對虛擬磁碟上的資料做多份拷貝，放在成員磁碟上。如果一塊物理磁碟壞了，另一塊還能繼續提供服務。對於Raid1來說，它仍然需要將資料切割為資料區塊。對於鏡像裝置來說，兩個或多個磁碟上的位（扇區），都是一一對應的。

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如果其中一塊磁碟壞掉了，將由另一塊磁碟繼續提供服務；為了防止備份磁碟也壞掉，就需要馬上將已經壞掉的磁碟用一塊好的新盤替換掉，而當新磁碟替換上來後，它會馬上和正在工作的磁碟做一次同步（Sync），即和原有磁碟建立對應關係，並將原有磁碟上的資料按位複製過來。所以做鏡像服務的磁碟，需要時時監控。現在有很多RAID1提供熱備份，即在鏡像磁碟之外還有一塊熱備份磁碟，時時監控正在工作的鏡像磁碟，一旦發現其中任何一塊磁碟壞了，就自動頂替上來，從而保證可靠性。

 

RAID1的特性

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（3）Raid2

Raid0效能高，但沒有可靠性；Raid1提供了可靠性，但是犧牲了部分效能，因此為了兼顧效能和可靠，出現了Raid2。Raid2採用校正冗餘：

1. 把資料分散為位或塊，加入漢明碼，間隔寫入到磁碟陣列的每個磁碟中。它採用異或運算（兩者相同為假，不同為真，可以用來還原資料），假設一個磁碟塊上存的是1，另一個磁碟塊上存的是0，那麼其中一塊壞了，可以根據好磁碟上的資料，和異或結果推斷出壞磁碟上的資料。Raid2就是通過3塊硬碟來實現校正冗餘。

2. 在成員磁碟上的地址都一樣

3. 採用了並行存取方式

4. 花費大，成本昂貴

Raid2在實際中使用不多。

 

（4）Raid3

在RAID3中，資料區塊再次分割為更小的塊並行傳輸到各個成員磁碟上，同時計算異或校正資料，存放到專用的校正磁碟上，它和RAID2差距並不大，其儲存方式比較複雜，使用也不多。

RAID3的特性

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（5）Raid4

在Raid4中，資料被分為更大的塊，並行傳輸到各個成員磁碟上，同時計算異或校正資料，存放到專用的校正磁碟上。RAID4採用獨立存取方式，將條帶由RAID3的小資料區塊改為更大的資料區塊，這是RAID4和RAID3最大的不同。

RAID4的校正較為迅速，可以獲得相對於RAID3更高的讀取速度，但寫入速度極差，控制器的設計更加複雜，故也不常用。

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（6）Raid5

RAID5採用獨立存取的陣列方式，校正資訊被均勻的分散到陣列的各個磁碟上，沒有哪一塊磁碟是專門用來存放校正資訊的，所以單個校正資料不會成為輸送量的瓶頸。因此RAID5融合了RAID4的優點，同時避免了RAID4的缺陷，使用較為廣泛。

650) this.width=650;" src="http://s3.51cto.com/wyfs02/M01/45/3F/wKiom1Pk5_TAqsGnAAJOLbvUhrs876.jpg" title="8.png" alt="wKiom1Pk5_TAqsGnAAJOLbvUhrs876.jpg" />RAID5的特性

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（7）Raid6

RAID6是指帶有兩種分布儲存的檢驗資訊的磁碟陣列，它是對RAID5的擴充，主要是用於要求資料絕對不能出錯的場合，使用了二種同位方法，需要N+2個磁碟。

常用的RAID6技術:

A. RAID6 P＋Q：根據公式計算出P和Q的值，當有兩個資料同時丟失時，仍可以計算出原資料

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650) this.width=650;" src="http://s3.51cto.com/wyfs02/M00/45/3F/wKiom1Pk6LOiJpWpAABLmb6mBZU551.png" title="11.PNG" alt="wKiom1Pk6LOiJpWpAABLmb6mBZU551.png" />

（8）Raid7

RAID7是一種新的RAID標準，它與以前見到的RAID層級有明顯的區別，可以理解成一個獨立的“儲存電腦”。RAID7自身帶有智能化即時作業系統和用於儲存管理的軟體工具，可以完全獨立與主機運行，不佔用主機CPU資源。

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