廉價(jià)冗余磁盤陣列

1、廉價(jià)冗余磁盤陣列 作為高性能的存儲(chǔ)系統(tǒng)，已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。RAID的級(jí)別從RAID概念的提出到現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展了六個(gè)級(jí)別，其級(jí)別分別是0、1、2、3、4、5等。但是最常用的是0、1、3、5四個(gè)級(jí)別。下面就介紹這四個(gè)級(jí)別。 RAID 0：將多個(gè)的磁盤合并成一個(gè)大的磁盤，不具有冗余，并行I/O，速度最快。RAID 0亦稱為帶區(qū)集。它是將多個(gè)磁盤并列起來(lái)，成為一個(gè)大硬盤。在存放數(shù)據(jù)時(shí)，其將數(shù)據(jù)按磁盤的個(gè)數(shù)來(lái)進(jìn)行分段，然后同時(shí)將這些數(shù)據(jù)寫進(jìn)這些盤中。所以，在所有的級(jí)別中，RAID 0的速度是最快的。但是RAID 0沒有冗余功能的，如果一個(gè)磁盤（物理）損壞，則所有的數(shù)據(jù)都無(wú)法使用。 RAID1

2、把磁盤陣列中的硬盤分成相同的兩組，互為鏡像，當(dāng)任一磁盤介質(zhì)出現(xiàn)故障時(shí)，可以利用其鏡像上的數(shù)據(jù)恢復(fù)，從而提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。對(duì)數(shù)據(jù)的操作仍采用分塊后并行傳輸方式。所有RAID 1不僅提高了讀寫速度，也加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。但其缺點(diǎn)是硬盤的利用率低，冗余度為50。 RAID 3 ：RAID 3存放數(shù)據(jù)的原理和RAID0、RAID1不同。RAID 3是以一個(gè)硬盤來(lái)存放數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)則分段存儲(chǔ)于其余硬盤中。它像RAID 0一樣以并行的方式來(lái)存放數(shù)，但速度沒有RAID 0快。如果數(shù)據(jù)盤（物理）損壞，只要將壞的硬盤換掉，RAID控制系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)校驗(yàn)盤的數(shù)據(jù)校驗(yàn)位在新盤中重建壞盤上的數(shù)據(jù)。不過，如果校驗(yàn)

3、盤（物理）損壞的話，則全部數(shù)據(jù)都無(wú)法使用。利用單獨(dú)的校驗(yàn)盤來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)雖然沒有鏡像的安全性高，但是硬盤利用率得到了很大的提高，為n-1。 RAID 5：向陣列中的磁盤寫數(shù)據(jù)，奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù)存放在陣列中的各個(gè)盤上，允許單個(gè)磁盤出錯(cuò)。RAID 5也是以數(shù)據(jù)的校驗(yàn)位來(lái)保證數(shù)據(jù)的安全，但它不是以單獨(dú)硬盤來(lái)存放數(shù)據(jù)的校驗(yàn)位，而是將數(shù)據(jù)段的校驗(yàn)位交互存放于各個(gè)硬盤上。這樣任何一個(gè)硬盤損壞，都可以根據(jù)其它硬盤上的校驗(yàn)位來(lái)重建損壞的數(shù)據(jù)。硬盤的利用率為n-1。6.4 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID 廉價(jià)磁盤冗余陣列廉價(jià)磁盤冗余陣列 RedundantArray of Inexpensive Disks Redundan

4、tArray of Inexpensive Disks 獨(dú)立磁盤冗余陣列獨(dú)立磁盤冗余陣列 Redundant Array of Independent DisksRedundant Array of Independent Disks 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱盤陣列技術(shù)盤陣列技術(shù) 19881988年，年，PattersonPatterson教授首先提出。教授首先提出。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 容量大、速度快、可靠性高、造價(jià)低廉容量大、速度快、可靠性高、造價(jià)低廉第六章 輸入/輸出系統(tǒng)1. 各級(jí)RAID的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)RAID級(jí)級(jí)數(shù)據(jù)磁數(shù)據(jù)磁盤數(shù)盤數(shù)可正常工作的最多失可正常工作的最多失效盤數(shù)效盤數(shù)檢測(cè)磁盤檢測(cè)磁盤數(shù)數(shù)0 非冗余非冗余

5、8001 鏡像鏡像8182 存儲(chǔ)器式存儲(chǔ)器式ECC8143 位交叉奇偶校驗(yàn)位交叉奇偶校驗(yàn)8114 塊交叉奇偶校驗(yàn)塊交叉奇偶校驗(yàn)8115 塊交叉分布奇偶?jí)K交叉分布奇偶校驗(yàn)校驗(yàn)8116 P+Q冗余冗余8227 Cache + 異步異步8222. 各級(jí)RAID的共性 RAID RAID由一組物理磁盤驅(qū)動(dòng)器組成，操作系統(tǒng)由一組物理磁盤驅(qū)動(dòng)器組成，操作系統(tǒng) 視之為一個(gè)邏輯驅(qū)動(dòng)器；視之為一個(gè)邏輯驅(qū)動(dòng)器； 數(shù)據(jù)分布在一組物理磁盤上；數(shù)據(jù)分布在一組物理磁盤上； 冗余信息被存儲(chǔ)在冗余磁盤空間中，保證磁冗余信息被存儲(chǔ)在冗余磁盤空間中，保證磁 盤在萬(wàn)一損壞時(shí)可以恢復(fù)數(shù)據(jù)；盤在萬(wàn)一損壞時(shí)可以恢復(fù)數(shù)據(jù)； 其中第其中第2

6、 2、3 3個(gè)特性在不同的個(gè)特性在不同的RAIDRAID級(jí)別中的表級(jí)別中的表 現(xiàn)不同，現(xiàn)不同，RAID0RAID0不支持第不支持第3 3個(gè)特性。個(gè)特性。6.4 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID 3. 有關(guān)RAID的幾個(gè)問題 (1) (1) 關(guān)鍵問題：關(guān)鍵問題：如何發(fā)現(xiàn)磁盤的失效如何發(fā)現(xiàn)磁盤的失效 磁盤技術(shù)提供了故障檢測(cè)操作的信息。磁盤技術(shù)提供了故障檢測(cè)操作的信息。 (2) (2) 設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)的另一個(gè)問題另一個(gè)問題 如何減少平均修復(fù)時(shí)間如何減少平均修復(fù)時(shí)間MTTRMTTR 典型的做法：在系統(tǒng)中增加熱備份盤典型的做法：在系統(tǒng)中增加熱備份盤 (3) (3) 熱切換技術(shù)熱切換技術(shù) 與熱備份盤相關(guān)的一種技術(shù)與熱

7、備份盤相關(guān)的一種技術(shù)6.4 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID 6.4.1 RAID0 數(shù)據(jù)分塊，即把數(shù)據(jù)分布在多個(gè)盤上。數(shù)據(jù)分塊，即把數(shù)據(jù)分布在多個(gè)盤上。 非冗余陣列、無(wú)冗余信息。非冗余陣列、無(wú)冗余信息。 嚴(yán)格地說(shuō)，它不屬于嚴(yán)格地說(shuō)，它不屬于RAIDRAID系列。系列。MNOetc.IJKLEFGHABCD6.4 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID 6.4.2 RAID1 亦稱亦稱鏡像盤鏡像盤，使用雙備份磁盤。，使用雙備份磁盤。 每當(dāng)數(shù)據(jù)寫入一個(gè)磁盤時(shí)，將該數(shù)據(jù)也寫每當(dāng)數(shù)據(jù)寫入一個(gè)磁盤時(shí)，將該數(shù)據(jù)也寫 到另一個(gè)冗余盤，形成信息的兩份復(fù)制品。到另一個(gè)冗余盤，形成信息的兩份復(fù)制品。GGHHEEFFCCDDAABB=

8、6.4 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID 1. RAID1的特點(diǎn) 讀性能好讀性能好 RAID1RAID1的性能能夠達(dá)到的性能能夠達(dá)到RAID0RAID0性能的兩倍。性能的兩倍。 寫性能由寫性能最差的磁盤決定。相對(duì)以后寫性能由寫性能最差的磁盤決定。相對(duì)以后 各級(jí)各級(jí)RAIDRAID來(lái)說(shuō)，來(lái)說(shuō)，RAID1RAID1的寫速度較快。的寫速度較快。 可靠性很高可靠性很高 最昂貴的解決方法，物理磁盤空間是邏輯磁最昂貴的解決方法，物理磁盤空間是邏輯磁 盤空間的兩倍。盤空間的兩倍。 6.4 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID 3. RAID2特點(diǎn) 并行存取，各個(gè)驅(qū)動(dòng)器同步工作。并行存取，各個(gè)驅(qū)動(dòng)器同步工作。 使用海明編碼來(lái)進(jìn)行

9、錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正，數(shù)據(jù)使用海明編碼來(lái)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正，數(shù)據(jù) 傳輸率高。傳輸率高。 需要多個(gè)磁盤來(lái)存放海明校驗(yàn)碼信息，冗余需要多個(gè)磁盤來(lái)存放海明校驗(yàn)碼信息，冗余 磁盤數(shù)量與數(shù)據(jù)磁盤數(shù)量的對(duì)數(shù)成正比。磁盤數(shù)量與數(shù)據(jù)磁盤數(shù)量的對(duì)數(shù)成正比。 是一種在多磁盤易出錯(cuò)環(huán)境中的有效選擇。是一種在多磁盤易出錯(cuò)環(huán)境中的有效選擇。 并未被廣泛應(yīng)用，目前還沒有商業(yè)化產(chǎn)品。并未被廣泛應(yīng)用，目前還沒有商業(yè)化產(chǎn)品。6.4 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID 6.4.4 RAID31. 位交叉奇偶校驗(yàn)盤陣列2. 單盤容錯(cuò)并行傳輸：數(shù)據(jù)以位或字節(jié)交叉存儲(chǔ)， 奇偶校驗(yàn)信息存儲(chǔ)在一臺(tái)專用盤上。D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3

10、A0A1A2A3A校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼B校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼C校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼D校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生器位或字節(jié)位或字節(jié)6.4 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID 3. RAID3特點(diǎn) 將磁盤分組，讀寫要訪問組中所有盤，每將磁盤分組，讀寫要訪問組中所有盤，每 組中有一個(gè)盤作為校驗(yàn)盤。組中有一個(gè)盤作為校驗(yàn)盤。 校驗(yàn)盤一般采用奇偶校驗(yàn)。校驗(yàn)盤一般采用奇偶校驗(yàn)。 簡(jiǎn)單理解：簡(jiǎn)單理解：先將分布在各個(gè)數(shù)據(jù)盤上的一先將分布在各個(gè)數(shù)據(jù)盤上的一 組數(shù)據(jù)加起來(lái)，將和存放在冗余盤上。一組數(shù)據(jù)加起來(lái)，將和存放在冗余盤上。一 旦某一個(gè)盤出錯(cuò)，只要將冗余盤上的和減旦某一個(gè)盤出錯(cuò)，只要將冗余盤上的和減 去所有正確盤上的數(shù)據(jù)，得到的差就是出

11、去所有正確盤上的數(shù)據(jù)，得到的差就是出 錯(cuò)的盤上的數(shù)據(jù)。錯(cuò)的盤上的數(shù)據(jù)。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。6.4 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID 6.4.5 RAID41. 專用奇偶校驗(yàn)獨(dú)立存取盤陣列2. 數(shù)據(jù)以塊（塊大小可變）交叉的方式存于各盤， 奇偶校驗(yàn)信息存在一臺(tái)專用盤上。D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3A校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼B校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼C校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼D校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生器數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊6.4 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID 3. RAID4特點(diǎn) 冗余代價(jià)與冗余代價(jià)與RAID3RAID3相同相同 訪問數(shù)據(jù)的方法與訪問數(shù)據(jù)的方法與RAID3RAID3不同不

12、同l 在在RAID3RAID3中，一次磁盤訪問將對(duì)磁盤陣列中，一次磁盤訪問將對(duì)磁盤陣列 中的所有磁盤進(jìn)行操作。中的所有磁盤進(jìn)行操作。l RAID4RAID4出現(xiàn)的原因：出現(xiàn)的原因：希望使用較少的磁盤希望使用較少的磁盤 參與操作，以使磁盤陣列可以并行進(jìn)行多參與操作，以使磁盤陣列可以并行進(jìn)行多 個(gè)數(shù)據(jù)的磁盤操作。個(gè)數(shù)據(jù)的磁盤操作。 6.4 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID 6.4.6 RAID51. 塊交叉分布式奇偶校驗(yàn)盤陣列2. 數(shù)據(jù)以塊交叉的方式存于各盤，無(wú)專用冗余盤， 奇偶校驗(yàn)信息均勻分布在所有磁盤上。 6.4 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID 3. RAID4和RAID5中的信息分布RAID3 和 RAI

13、D4159131721.2610141822.3711151925.P0P1P2P3P4P5.04812P420.159P31621.26P2131722.3P110141825.P07111519P5.RAID5048121620.6.4 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID 3. RAID6特點(diǎn) 寫入數(shù)據(jù)要訪問寫入數(shù)據(jù)要訪問1 1個(gè)數(shù)據(jù)盤和個(gè)數(shù)據(jù)盤和2 2個(gè)冗余盤；個(gè)冗余盤； 可容忍雙盤出錯(cuò)；可容忍雙盤出錯(cuò)； 存儲(chǔ)開銷是存儲(chǔ)開銷是RAID5RAID5的兩倍，的兩倍，RAID6RAID6的寫過的寫過 程需要程需要6 6次磁盤操作。次磁盤操作。 6.4 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID 6.4.9 RAID的實(shí)現(xiàn)與發(fā)展1. 實(shí)現(xiàn)盤陣列的方式主要有三種 軟件方式：軟件方式：陣列管理軟件由主機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)陣列管理軟件由主機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) 優(yōu)點(diǎn)：成本低優(yōu)點(diǎn)：成本低 缺點(diǎn)：過多地占用主機(jī)時(shí)間，并且?guī)捴溉秉c(diǎn)：過多地占用主機(jī)時(shí)間，并且?guī)捴?標(biāo)上不去。標(biāo)上不去。 陣列卡方式：陣列卡方式：把把RAIDRAID管理軟件固化在管理軟件固化在I/OI/O控制控制 卡上，從而可不占用主機(jī)時(shí)間，一般用于工作卡上，從而可不占用主機(jī)時(shí)間，一般用于工作 站和站和PCPC機(jī)。機(jī)。6.4 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID 子系統(tǒng)方式：子系統(tǒng)方式：這是一種基于通用接口總線這是一種基于通用接口總線 的開放式平臺(tái)，可用于