什么是RAID(独立磁盘冗余阵列)?本篇带你深入了解!
2019-09-25 来源:亿速云

一、RAID是什么?

RAID是“Redundant Array of Independent Disk”的缩写,中文意思是“独立冗余磁盘阵列”, 即为由独立磁盘构成的,具有冗余能力的阵列。

1988年,美国加州大学伯克利分校的D. A. Patterson教授等,首次在论文中提出了 RAID的概念。RAID的基本思想是,将多个容量较小的、相对廉价的磁盘,进行有机结合,从而以较低的成本获得与昂贵的大容量磁盘相当的容量、性能和可靠性。

二、RAID的主要优势

大容量:这是 RAID 的一个显然优势,它扩大了磁盘的容量,由多个磁盘组成的 RAID 系统具有海量的存储空间。现在单个磁盘的容量就可以到 1TB 以上,这样 RAID 的存储容量就可以达到 PB 级,大多数的存储需求都可以满足。

高性能:RAID 的高性能受益于数据条带化技术。单个磁盘的 I/O 性能受到接口、带宽等计算机技术的限制,性能往往很有 限,容易成为系统性能的瓶颈。通过数据条带化,RAID 将数据 I/O 分散到各个成员磁盘上,从而获得比单个磁盘成倍增长的聚合 I/O性能。

可用性和可靠性:从理论上讲,由多个磁盘组成的 RAID 系统在可靠性方面应该比单个磁盘要差。这里有个隐含假定:单个磁盘故障将导致整个 RAID 不可用。 RAID 采用镜像和数据校验等数据冗余技术,打破了这个假定。镜像是最为原始的冗余技术,把某组磁盘驱动器上的数据完全复制到另一组磁盘驱动器上,保证总有数据副本可用。 RAID 冗余技术大幅提升数据可用性和可靠性,保证了若干磁盘出错时,不会导致数据的丢失,不影响系统的连续运行。

易管理性:实际上, RAID 是一种虚拟化技术,它对多个物理磁盘驱动器虚拟成一个大容量的逻辑驱动器。 从用户应用角度看,可使存储系统简单易用,管理也很便利。 由于 RAID 内部完成了大量的存储管理工作,管理员只需要管理单个虚拟驱动器,可以节省大量的管理工作。 RAID 可以动态增减磁盘驱动器,可自动进行数据校验和数据重建,这些都可以 大大简化管理工作。

三、RAID的阵列分级

RAID按照实现原理的不同,分为不同的级别,不同的级别之间工作模式是有区别的,RAID技术主要包含RAID 0~RAID 7等数个规范,它们的侧重点各不相同,常见的规范有如下几种:

1、 RAID 0:无差错控制的带区组(最少2个硬盘)

要实现RAID0必须要有两个以上硬盘驱动器,RAID0实现了带区组,数据并不是保存在一个硬盘上,而是分成数据块保存在不同驱动器上。因为将数据分布在不同驱动器上,所以数据吞吐率大大提高,驱动器的负载也比较平衡。如果刚好所需要的数据在不同的驱动器上效率最好。它不需要计算校验码,实现容易。它的缺点是它没有数据差错控制,如果一个驱动器中的数据发生错误,即使其它盘上的数据正确也无济于事了。不应该将它用于对数据稳定性要求高的场合。如果用户进行图象(包括动画)编辑和其它要求传输比较大的场合使用RAID0比较合适。同时,RAID可以提高数据传输速率,比如所需读取的文件分布在两个硬盘上,这两个硬盘可以同时读取。那么原来读取同样文件的时间被缩短为1/2。

2、 RAID 1:镜象结构(最少2个硬盘)

对于使用这种RAID1结构的设备来说,RAID控制器必须能够同时对两个盘进行读操作和对两个镜象盘进行写操作。必须有两个驱动器,因为是镜象结构在一组盘出现问题时,可以使用镜象,提高系统的容错能力。它比较容易设计和实现。每读一次盘只能读出一块数据,也就是说数据块传送速率与单独的盘的读取速率相同。因为RAID1的校验十分完备,因此对系统的处理能力有很大的影响,通常的RAID功能由软件实现,而这样的实现方法在服务器负载比较重的时候会大大影响服务器效率。当您的系统需要极高的可靠性时,如进行数据统计,那么使用RAID1比较合适。而且RAID1技术支持“热替换”,即不断电的情况下对故障磁盘进行更换,更换完毕只要从镜像盘上恢复数据即可。当主硬盘损坏时,镜像硬盘就可以代替主硬盘工作。镜像硬盘相当于一个备份盘,可想而知,这种硬盘模式的安全性是非常高的,但带来的后果是硬盘容量利用率很低,只有50%,是所有RAID级别中最低的。

3、 RAID5:分布式奇偶校验的独立磁盘结构 (最少3个硬盘)

它的奇偶校验码存在于所有磁盘上,RAID5的读出效率很高,写入效率一般,块式的集体访问效率不错。因为奇偶校验码在不同的磁盘上,所以提高了可靠性。但是它对数据传输的并行性解决不好,而且控制器的设计也相当困难。RAID 3 与RAID 5相比,重要的区别在于RAID 3每进行一次数据传输,需涉及到所有的阵列盘。而对于RAID 5来说,大部分数据传输只对一块磁盘操作,可进行并行操作。在RAID 5中有“写损失”,即每一次写操作,将产生四个实际的读/写操作,其中两次读旧的数据及奇偶信息,两次写新的数据及奇偶信息。

4、 RAID6:带有两种分布存储的奇偶校验码的独立磁盘结构 (最少4个硬盘)

它是对RAID5的扩展,主要是用于要求数据绝对不能出错的场合。当然了,由于引入了第二种奇偶校验值,所以需要N+2个磁盘,同时对控制器的设计变得十分复杂,写入速度也不好,用于计算奇偶校验值和验证数据正确性所花费的时间比较多,造成了不必须的负载。

5、 RAID10:高可靠性与高效磁盘结构(最少2个硬盘)

这种结构无非是一个带区结构加一个镜象结构,因为两种结构各有优缺点,因此可以相互补充,达到既高效又高速还可以的目的。大家可以结合两种结构的优点和缺点来理解这种新结构。这种新结构的价格高,可扩充性不好。主要用于容易不大,但要求速度和差错控制的数据库中。

6、 RAID0+1:01或10(最少4个偶数硬盘)

把RAID0和RAID1技术结合起来,即RAID0+1。数据除分布在多个盘上外,每个盘都有其物理镜像盘,提供全冗余能力,允许一个以下磁盘故障,而不影响数据可用性,并具有快速读/写能力。要求至少4个硬盘才能作成RAID0+1。

RAID2(最少2个硬盘)、RAID3(最少3个硬盘)、RAID4(最少3个硬盘)较少实际应用,它们大多只在研究领域有实际作用。

四、RAID的实现方法

软RAID没有专用的控制芯片和 I/O 芯片,完全由操作系统和 CPU 来实现所的 RAID 的功能。现代操作系统基本上都提供软 RAID 支持,通过在磁盘设备驱动程序上添加一个软件层,提供一个物理驱动器与逻辑驱动器之间的抽象层。目前,操作系统支持的最常见的 RAID 等级有 RAID0 、 RAID1 、 RAID10 、 RAID01 和 RAID5 等。比如,Windows Server 支持 RAID0 、 RAID1 和 RAID5 三种等级, Linux 支持 RAID0 、RAID1 、 RAID4 、 RAID5 、 RAID6 等, Mac OS X Server 、 FreeBSD 、NetBSD 、 OpenBSD 、 Solaris 等操作系统也都支持相应的 RAID 等级。

软RAID由操作系统来实现,因此系统所在分区不能作为 RAID 的逻辑成员磁盘,软 RAID 不能保护系统盘 D 。对于部分操作系统而言, RAID 的配置信息保存在系统信息中,而不是单独以文件形式保存在磁盘上。这样当系统意外崩溃而需要重新安装时,RAID 信息就会丢失。另外,磁盘的容错技术并不等于完全支持在线更换、热插拔或热交换,能否支持错误磁盘的热交换与操作系统实现相关,有的操作系统热交换。

硬RAID拥有自己的 RAID 控制处理与 I/O 处理芯片,甚至还有阵列缓冲,对 CPU的占用率和整体性能是三类实现中最优的,但实现成本也最高的。硬RAID通常都支持热交换技术,在系统运行下更换故障磁盘。

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