RAID技術分類介紹

概述　　RAID是“Redundant Array of Independent Disk”的縮寫，中文意思是獨立冗餘磁碟陣列。冗餘磁碟陣列技術誕生於1987年，由美國加州大學伯克利分校提出。
　　RAID磁碟陣列（Redundant Array of Independent Disks）
　　簡單地解釋，就是將N台硬碟通過RAID Controller（分Hardware，Software）結合成虛擬單台大容量的硬碟使用，其特色是N台硬碟同時讀取速度加快及提供容錯性Fault Tolerant，所以RAID是當成平時主要訪問Data的Storage不是Backup Solution。

　　在RAID有一基本概念稱為EDAP（Extended Data Availability and Protection），其強調擴充性及容錯機制， 也是各家廠商如：Mylex，IBM，HP，Compaq，Adaptec，Infortrend等訴求的重點，包括在不須停機情況下可處理以下動作：
　　RAID 磁碟陣列支援自動檢測故障硬碟；
　　RAID 磁碟陣列支援重建硬碟壞軌的資料；
　　RAID 磁碟陣列支援支援不須停機的硬碟備援 Hot Spare；
　　RAID 磁碟陣列支援支援不須停機的硬碟替換 Hot Swap；
　　RAID 磁碟陣列支援擴充硬碟容量等。
　　一旦RAID陣列出現故障，硬體服務商只能給客戶重新初始化或者REBUILD，這樣客戶資料就會無法挽回。因此對RAID0、RAID1、RAID5以及組合型的RAID系列磁碟陣列資料恢複，出現故障以後只要不對陣列作初始化操作，就有機會恢複出故障RAID磁碟陣列的資料。

技術規範

　　（1）RAID技術規範簡介
　　冗餘磁碟陣列技術最初的研製目的是為了組合小的廉價磁碟來代替大的昂貴磁碟，以降低大批量資料存放區的費用，同時也希望採用冗餘資訊的方式，使得磁碟失效時不會使對資料的訪問受損失，從而開發出一定水平的資料保護技術，並且能適當的提升資料轉送速度。
　　過去RAID一直是高檔伺服器才有緣享用，一直作為高檔SCSI硬碟配套技術作應用。近來隨著技術的發展和產品成本的不斷下降，IDE硬碟效能有了很大提升，加之RAID晶片的普及，使得RAID也逐漸在個人電腦上得到應用。

　　那麼為何叫做冗餘磁碟陣列呢？冗餘的漢語意思即多餘，重複。而磁碟陣列說明不僅僅是一個磁碟，而是一組磁碟。這時你應該明白了，它是利用重複的磁碟來處理資料，使得資料的穩定性得到提高。

　　（2）RAID的工作原理
　　RAID如何?資料存放區的高穩定性呢？我們不妨來看一下它的工作原理。RAID按照實現原理的不同分為不同的層級，不同的層級之間工作模式是有區別的。整個的RAID結構是一些磁碟結構，通過對磁碟進行組合達到提高效率，減少錯誤的目的，不要因為這麼多名詞而被嚇壞了，它們的原理實際上十分簡單。問了便於說明，下面中的每個方塊代表一個磁碟，豎的叫塊或磁碟陣列，橫稱之為帶區。
　　（3）RAID規範
　　主要包含RAID 0～RAID 7等數個規範，它們的側重點各不相同，常見的規範有如下幾種：
　　RAID 0：無差錯控制的帶區組
　　要實現RAID0必須要有兩個以上硬碟，RAID0實現了帶區組，資料並不是儲存在一個硬碟上，而是分成資料區塊儲存在不同磁碟機上。因為將資料分布在不同磁碟機上，所以資料吞吐率大大提高，磁碟機的負載也比較平衡。如果剛好所需要的資料在不同的磁碟機上效率最好。它不需要計算校正碼，實現容易。它的缺點是它沒有資料差錯控制，如果一個磁碟機中的資料發生錯誤，即使其它盤上的資料正確也無濟於事了。不應該將它用於對資料穩定性要求高的場合。如果使用者進行圖象（包括動畫）編輯和其它要求傳輸比較大的場合使用RAID0比較合適。同時，RAID可以提高資料轉送速率，比如所需讀取的檔案分布在兩個硬碟上，這兩個硬碟可以同時讀取。那麼原來讀取同樣檔案的時間被縮短為1/2。在所有的層級中，RAID
0的速度是最快的。但是RAID 0沒有冗餘功能的，如果一個磁碟（物理）損壞，則所有的資料都無法使用
　　RAID 1：鏡象結構
　　對於使用這種RAID1結構的裝置來說，RAID控制器必須能夠同時對兩個盤進行讀操作和對兩個鏡象盤進行寫操作。通過下面的結構圖您也可以看到必須有兩個磁碟機。因為是鏡象結構在一組盤出現問題時，可以使用鏡象，提高系統的容錯能力。它比較容易設計和實現。每讀一次盤只能讀出一塊資料，也就是說資料區塊傳送速率與單獨的盤的讀取速率相同。因為RAID1的校正十分完備，因此對系統的處理能力有很大的影響，通常的RAID功能由軟體實現，而這樣的實現方法在伺服器負載比較重的時候會大大影響伺服器效率。當您的系統需要極高的可靠性時，如進行資料統計，那麼使用RAID1比較合適。而且RAID1支援人員“熱替換”，即不斷電的情況下對故障磁碟進行更換，更換完畢只要從鏡像盤上恢複資料即可。當主硬碟損壞時，鏡像硬碟就可以代替主硬碟工作。鏡像硬碟相當於一個備份盤，可想而知，這種硬碟模式的安全性是非常高的，RAID
1的資料安全性在所有的RAID層級上來說是最好的。但是其磁碟的利用率卻只有50%，是所有RAID層級中最低的。
　　
　　RAID2：帶海明碼校正
　　從概念上講，RAID 2 同RAID 3類似， 兩者都是將資料條塊化分佈於不同的硬碟上， 條塊單位為位或位元組。然而RAID 2 使用一定的編碼技術來提供錯誤檢查及恢複。這種編碼技術需要多個磁碟存放檢查及恢複資訊，使得RAID 2技術實施更複雜。因此，在商業環境中很少使用。左邊的各個磁碟上是資料的各個位，由一個資料不同的位元運算得到的海明校正碼可以儲存另一組磁碟上，具體情況請見。由于海明碼的特點，它可以在資料發生錯誤的情況下將錯誤校正，以保證輸出的正確。它的資料傳送速率相當高，如果希望達到比較理想的速度，那最好提高儲存校正碼ECC碼的硬碟，對於控制器的設計來說，它又比RAID3，4或5要簡單。沒有免費的午餐，這裡也一樣，要利用海明碼，必須要付出資料冗餘的代價。輸出資料的速率與磁碟機組中速度最慢的相等。

　　RAID3：帶同位碼的並行傳送
　　這種校正碼與RAID2不同，只能查錯不能錯誤修正。它訪問資料時一次處理一個帶區，這樣可以提高讀取和寫入速度,它象RAID 0一樣以並行的方式來存放數，但速度沒有RAID 0快。校正碼在寫入資料時產生並儲存在另一個磁碟上。需要實現時使用者必須要有三個以上的磁碟機，寫入速率與讀出速率都很高，因為校正位比較少，因此計算時間相對而言比較少。用軟體實現RAID控制將是十分困難的，控制器的實現也不是很容易。它主要用於圖形（包括動畫）等要求吞吐率比較高的場合。不同於RAID 2，RAID 3使用單塊磁碟存放同位資訊。如果一塊磁碟失效，奇偶盤及其他資料盤可以重新產生資料。
如果奇偶盤失效，則不影響資料使用。RAID 3對於大量的連續資料可提供很好的傳輸率，但對於隨機資料，奇偶盤會成為寫操作的瓶頸。 利用單獨的校正盤來保護資料雖然沒有鏡像的安全性高，但是硬碟利用率得到了很大的提高，為n-1。
　　RAID4：帶同位碼的獨立磁碟結構
　　RAID4和RAID3很象，不同的是，它對資料的訪問是按資料區塊進行的，也就是按磁碟進行的，每次是一個盤。在圖上可以這麼看，RAID3是一次一橫條，而RAID4一次一豎條。它的特點的RAID3也挺象，不過在失敗恢複時，它的難度可要比RAID3大得多了，控制器的設計難度也要大許多，而且訪問資料的效率不怎麼好。

　　
　　RAID5：分布式同位的獨立磁碟結構
　　從它的上可以看到，它的同位碼存在於所有磁碟上，其中的p0代表第0帶區的同位值，其它的意思也相同。RAID5的讀出效率很高，寫入效率一般，塊式的集體訪問效率不錯。因為同位碼在不同的磁碟上，所以提高了可靠性，允許單個磁碟出錯。RAID 5也是以資料的校正位來保證資料的安全，但它不是以單獨硬碟來存放資料的校正位，而是將資料區段的校正位互動存放於各個硬碟上。這樣，任何一個硬碟損壞，都可以根據其它硬碟上的校正位來重建損壞的資料。硬碟的利用率為n-1。
但是它對資料轉送的並行性解決不好，而且控制器的設計也相當困難。RAID 3 與RAID 5相比，重要的區別在於RAID 3每進行一次資料轉送，需涉及到所有的陣列盤。而對於RAID 5來說，大部分資料轉送只對一塊磁碟操作，可進行並行操作。在RAID 5中有“寫損失”，即每一次寫操作，將產生四個實際的讀/寫操作，其中兩次讀舊的資料及奇偶資訊，兩次寫新的資料及奇偶資訊。

　　RAID6：帶有兩種分布儲存的同位碼的獨立磁碟結構
　　名字很長，但是如果看到圖，大家立刻會明白是為什麼，請注意p0代表第0帶區的同位值，而pA代表資料區塊A的同位值。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。當然了，由於引入了第二種同位值，所以需要N+2個磁碟，同時對控制器的設計變得十分複雜，寫入速度也不好，用於計算同位值和驗證資料正確性所花費的時間比較多，造成了不必須的負載。我想除了軍隊沒有人用得起這種東西。

　　RAID7：最佳化的高速資料傳送磁碟結構
　　RAID7所有的I/O傳送均是同步進行的，可以分別控制，這樣提高了系統的並行性，提高系統訪問資料的速度；每個磁碟都帶有高速緩衝儲存空間，即時作業系統可以使用任何即時操作晶片，達到不同即時系統的需要。允許使用SNMP協議進行管理和監視，可以對校正區指定獨立的傳送通道以提高效率。可以串連多台主機，因為加入高速緩衝儲存空間，當多使用者訪問系統時，訪問時間幾乎接近於0。由於採用並行結構，因此資料訪問效率大大提高。需要注意的是它引入了一個高速緩衝儲存空間，這有利有弊，因為一旦系統斷電，在高速緩衝儲存空間內的資料就會全部丟失，因此需要和UPS一起工作。當然了，這麼快的東西，價格也非常昂貴。

　　RAID10：高可靠性與高效磁碟結構
　　這種結構無非是一個帶區結構加一個鏡象結構，因為兩種結構各有優缺點，因此可以相互補充，達到既高效又高速還可以的目的。大家可以結合兩種結構的優點和缺點來理解這種新結構。這種新結構的價格高，可擴充性不好。主要用於容量不大，但要求速度和差錯控制的資料庫中。

　　RAID53：高效資料傳送磁碟結構
　　越到後面的結構就是對前面結構的一種重複和再利用，這種結構就是RAID3和帶區結構的統一，因此它速度比較快，也有容錯功能。但價格十分高，不易於實現。這是因為所有的資料必須經過帶區和按位儲存兩種方法，在考慮到效率的情況下，要求這些磁碟同步真是不容易。
　　RAID0+1：
　　把RAID0和RAID1技術結合起來，即RAID0+1。資料除分布在多個盤上外，每個盤都有其物理鏡像盤，提供全冗餘能力，允許一個以下磁碟故障，而不影響資料可用性，並具有快速讀/寫能力。要求至少4個硬碟才能作成RAID0+1。

　　（3）JBOD模式
　　JBOD通常又稱為Span。它是在邏輯上將幾個物理磁碟一個接一個連起來， 組成一個大的邏輯磁碟。JBOD不提供容錯，該陣列的容量等於組成Span的所有磁碟的容量的總和。JBOD嚴格意義上說，不屬於RAID的範圍。不過現在很多IDE RAID控制晶片都帶著種模式，JBOD就是簡單的硬碟容量疊加，但系統處理時並沒有採用並行的方式，寫入資料的時候就是先寫的一塊硬碟，寫滿了再寫第二塊硬碟……
　　實際應用中最常見的是RAID0 RAID1 RAID5 和RAID10 由於在大多數場合，RAID5包含了RAID2-4的優點，所以RAID2-4基本退出市場
　　現在，一般認為RAID2-4隻用於RAID開發研究
　　（4）我們能夠用得上的IDE RAID
　　上面是對RAID原理的敘述，而我們Pcfans最關心的是RAID的應用。我們日常使用IDE硬碟，而且很容易買到IDE RAID卡和整合RAID晶片的主板。所以跟我們最貼近的是IDE RAID。限於應用層級很低，IDE RAID多數只支援RAID 0，RAID 1，RAID 0+1，JBOD模式。

RAID的應用

　　開始時RAID 方案主要針對SCSI硬碟系統，系統成本比較昂貴。1993年，HighPoint公司推出了第一款IDE-RAID控制晶片，能夠利用相對廉價的IDE 硬碟來組建RAID系統，從而大大降低了RAID的“門檻”。從此，個人使用者也開始關注這項技術，因為硬碟是現代個人電腦中發展最為“緩慢”和最缺少安全性的裝置，而使用者儲存在其中的資料卻常常遠超電腦的本身價格。在花費相對較少的情況下，RAID技術可以使個人使用者也享受到成倍的磁碟速度提升和更高的資料安全性，現在個人電腦市場上的IDE-RAID控制晶片主要出自HighPoint和Promise公司，此外還有一部分來自AMI公司（如表
2）。
　　面向個人使用者的IDE-RAID晶片一般只提供了RAID 0、RAID 1和RAID 0+1（RAID 10）等RAID規範的支援，雖然它們在技術上無法與商用系統相提並論，但是對普通使用者來說其提供的速度提升和安全保證已經足夠了。隨著硬碟介面傳輸率的不斷提高，IDE-RAID晶片也不斷地更新換代，晶片市場上的主流晶片已經全部支援ATA 100標準，而HighPoint公司新推出的HPT 372晶片和Promise最新的PDC20276晶片，甚至已經可以支援ATA 133標準的IDE硬碟。在主板廠商競爭加劇、個人電腦使用者要求逐漸提高的今天，在主板上板載RAID晶片的廠商已經不在少數，使用者完全可以不用購置
RAID卡，直接組建自己的磁碟陣列，感受磁碟狂飆的速度。