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网络存储的速度与安全网络存储的速度与安全 浅谈RAID的应用 摘要：本文以网络数据存储中的RAID技术为基础，根据当前校园网络的发展，分析了在网络存储的时代，如何以合适的价格，获得尽可能高的网络数据存取速度，并保障网络数据存储的安全性。 关键词：RAID，速度，安全。 RAID技术简释 一、RAID RAID：即Redundant Array of Independent Disks，冗余磁盘阵列技术。 二、RAID模式 RAID 0：又称Striping阵列，做RAID 0需要两上或两个以上的、容量相同的硬盘，N个硬盘做成RAID0后的硬盘容量为单个硬盘的N倍。在做数据存储时将数据分割存储到多块硬盘上，磁盘读写时负载平均分配到多块硬盘，由于多块硬盘均可同时读写，所以速度显著提升。也正是由于数据被分割存储到多块硬盘，所以数据的完整性依赖于多块硬盘数据均完好无损，一旦其中一块硬盘的数据损坏或磁盘故障，那么所有的数据都将丢失。所以RAID0数据存取性能好、速度快，但可靠性差，RAID 0通常用于对磁盘性能要求高但对数据安全性要求不高的场合。 RAID 1：又称Mirror阵列，做RAID 1需要两个容量相同的硬盘，两个硬盘做成RAID1后的硬盘容量为单个硬盘容量。在做数据存储时将同样的数据写入两块硬盘，两块硬盘互为镜像盘，当一块硬盘中的数据受损或磁盘故障时，另一块硬盘可继续工作，并可在需要时重建RAID1阵列。但RAID 1不能提升磁盘性能，RAID 1适合对数据可靠性要求严格的场合。RAID 2：带海明码校验磁盘阵列，RAID2是为大型机和超级计算机开发的。磁盘驱动器组中的第一个、第二个、第四个.第2的n次幂个磁盘驱动器是专门的校验盘，用于校验和纠错，例如七个磁盘驱动器的RAID2，第一、二、四个磁盘驱动器是纠错盘，其余的用于存放数据。使用的磁盘驱动器越多，校验盘在其中占的百分比越少。RAID2对大数据量的输入输出有很高的性能，但少量数据的输入输出时性能不好。由于海明码的特点，它可以在数据发生错误的情况下将错误校正，以保证输出的正确。它的数据传送速率相当高，如果希望达到比较理想的速度，那最好提高保存校验码的硬盘性能，对于控制器的设计来说，它又比RAID3、4、5要简单。但是利用海明码校验必须要付出数据冗余的代价。RAID 3：做RAID 3至少需要三块硬盘，N个硬盘做成RAID 3后的硬盘容量为单个硬盘的N-1倍。RAID 3是将数据先做XOR 运算，产生Parity Data后，再将数据和Parity Data以并行存取模式写入成员磁盘驱动器中，进一步来说，RAID3每一笔数据传输，都更新整个Stripe即每一个成员磁盘驱动器相对位置的数据都一起更新，因此不会发生需要把部分磁盘驱动器现有的数据读出来，与新数据作XOR运算，再写入的情况发生。因此，在所有RAID级别中，RAID3的写入性能是最好的。RAID 4：带奇偶校验码的独立磁盘结构，做RAID 4至少需要三块硬盘，RAID 4和RAID 3很相似，不同的是RAID4对数据的访问是按数据块进行的，也就是按磁盘进行的，每次是一个盘。RAID 3是一次一横条，而RAID 4一次一竖条。所以RAID3常须访问阵列中所有的硬盘驱动器，而RAID4只须访问有用的硬盘驱动器。这样读数据的速度大大提高了，但在写数据方面，需将从数据硬盘驱动器和校验硬盘驱动器中恢复出的旧数据与新数据通过异或运算，然后再将更新后的数据和检验位写入硬盘驱动器，所以处理时间较RAID3长。RAID 5：类似于RAID 0，做RAID 5至少需要三块硬盘，N个硬盘(N2)做成RAID5后的硬盘容量为单个硬盘的N-1倍，在做数据存储时将数据的每个字节按bit拆分到硬盘，在数据出错时可以按奇偶校验码重建数据，容错能力强于RAID0，但它需要一块硬盘来容纳额外的奇偶校验信息。RAID 5的Parity Data分散写入到各个成员磁盘驱动器，脱离如RAID 4单一专属Parity Disk的写入瓶颈。但是，RAID 5在做数据写入时，仍然稍微受到读、改、写过程的拖累。RAID6：带有两种分布存储的奇偶校验码的独立磁盘结构，几乎没有进行商用。它使用一种分配在不同的驱动器上的第二种奇偶方案，扩展了RAID5。它能承受多个驱动器同时出现故障，但是，性能尤其是写操作却很差，而且，系统需要一个极为复杂的控制器。当然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，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。 RAID 7：磁盘阵列新标准RAID 7。其实，RAID 7不仅仅是一种技术，还是一种存储计算机（Storage Computer）。因为它与RAID0、1、5标准有明显区别，RAID 7自身带有智能化实时操作系统和用于存储管理的软件工具，可完全独立于主机运行，不占用主机CPU资源。RAID7不仅具有更高的性能和卓越的存储管理能力，而且集普通RAID标准的所有优点于一身，因而RAID 7系统整体性能极佳。RAID7存储计算机操作系统（Storage Computer Operating System）是一套实时事件驱动操作系统，主要用来进行系统初始化和安排RAID7磁盘阵列的所有数据传输，并把它们转换到相应的物理存储驱动器上。通过自身系统中阵列电脑板来设定和控制读写速度，存储计算机操作系统可使主机I/O传递性能达到最佳。如果一个磁盘出现故障，还可自动执行恢复操作，并可管理备份磁盘的重建过程。RAID 10：即RAID 0+1，它综合了RAID 0和RAID 1的优点，适合用在速度需求高、又要完全容错的应用。做RAID10至少需要4块硬盘，并且是偶数个，N个硬盘做成RAID 10后的容量为单个硬盘的N/2倍。RAID 0和RAID1的原理很简单，合起来之后还是很简单，但RAID 0+1到底应该是RAID 0 over RAID 1，RAID产品的类型 长期以来，提到阵列产品，人们自然想到SCSI硬盘和SCSI接口，很长一段时期内确实如此，然而随着IDE硬盘的兴起，以其廉价、易用、日益可靠的性能，在阵列市场也占据了一席之地。简单的阵列产品以插入到计算机插槽的一张RAID卡来实现，更简单的甚至将RAID卡集成到计算机主板上，高档应用是阵列柜，特别是FC(光接口)硬盘的出现，使阵列柜的形式更加丰富多采。普通的陈列采用RAID卡方法实现，一般最多能实现RAID 0、1、5功能，按接口类型可以分为IDE RAID卡和SCSI RAID卡，主要应用在图形工作和PC服务器上，由于价格相对低廉，应用在普通中小学的校园网络作网络存储设备，也是一种较好的选择。专业的陈列产品即是阵列柜，阵列柜自带有CPU和大容量的CACHE，主要应用在大型的网络中心，性能远高于普通的陈列产品，下面介绍几种接口的阵列柜： IDE-IDE RAID 第一个IDE表示硬盘接口，第二个表示磁盘阵列柜的接口，以下类同(各公司表达不一致)。RAID阵列柜用IDE硬盘，与主机或服务器的连接用IDE连线。这种产品简单有效。IDE硬盘使用方便，价位低廉，质量和性能进步神速，IDE硬盘构成的阵列顺应了时代的需求。 IDE-SCSI RAID 为小型工作站特别设计，是高可靠高性能，低价格RAID系统解决方案。采用IDE硬盘，可以挂接6只硬盘，一般支持RAID0、1、10、5等。由于具备低廉的价格和较高的可靠性，其市场前景看好。 RAID的实现方式 RAID功能在一般的实际应用中，是以RAID卡（硬件）的方式实现的，按接口可分为：SCSI RAID卡、IDE RAID卡，在部份操作系统中，也可以使用操作系统的软件功能来实现RAID功能，所以RAID系统又可以分为硬件RAID和软件RAID两大类。 1、硬件RAID系统 SCSI RAID卡用于连接SCSI硬盘，SCSI RAID卡的性能稳定，功能强大，一般的SCSI RAID卡就具有RAID 0、1、10、5功能，但SCSI RAID卡价格昂贵，一般的SCSI RAID卡都要近万元。IDE RAID卡用于连接IDE硬盘做成RAID系统，一般的IDE RAID卡只具有RAID 0、1功能，功能强的具有RAID 10功能，IDE RAID卡是在近年才推出的，IDE RAID卡价格低廉，一般只要几百元，市面上的许多计算机主板上就已经集成了IDERAID卡，加上IDE硬盘低廉的价格，部份服务器厂商也开始提供廉价的具有IDE RAID功能的服务器。顺便提一下，有部份廉价的IDE RAID卡，其实是软件RAID。 通过本人的应用比较，IDE RAID系统性能相对较差，两个IDE硬盘组成的RAID 0系统，数据存取速度比单个硬盘大约提升30%，而且稳定性也明显不如SCSI RAID系统。而两个SCSI硬盘组成的RAID 0系统，数据存取速度比单个硬盘大约提升85%，而且性能稳定。但相同容量的RAID系统，SCSI RAID系统的价格是IDE RAID系统的10倍，这自然只是低档RAID系统的比较，高档的RAID系统是不会使用IDE RAID的。 2、软件RAID系统 在部分操作系统支持下，也可以使用操作系统本身的软件功能来实现RAID功能，下面以Windows 2000系统来作简单的介绍。Windows 2000能不依赖于RAID卡，提供类似于RAID 0、RAID 1和RAID 5的阵列支持，分别被称为“带区卷”、“镜像卷”和“RAID5卷”，Windows 2000 Server版能提供上述三种阵列的支持，而Windows 2000 Professional仅支持类似RAID 0的带区卷。Windows 2000能不依赖于RAID卡，提供类似于RAID 0、RAID 1和RAID5的阵列支持，分别被称为“带区卷”、“镜像卷”和“RAID5卷”，Windows 2000 Server版能提供上述三种阵列的支持，Windows 2000Professional仅支持类似RAID 0的带区卷。 一、创建Windows 2000软件RAID的条件 要创建Windows 2000软件RAID，需要有两块以上的物理硬盘并安装Windows2000操作系统。 二、动态磁盘上的五种卷 1、简单卷：构成单个物理磁盘空间的卷。它可以由磁盘上的单个区域或同一磁盘上连接在一起的多个区域组成，可以在同一磁盘内扩展简单卷。 2、跨区卷：简单卷也可以扩展到其它的物理磁盘，这样由多个物理磁盘的空间组成的卷就称为跨区卷。简单卷和跨区卷都不属于RAID范畴。 3、带区卷：以带区形式在两个或多个物理磁盘上存储数据的卷。带区卷上的数据被交替、平均（以带区形式）地分配给这些磁盘，带区卷是所有Windows2000可用的卷中性能最佳的，但它不提供容错。如果带区卷上的任何一个磁盘数据损坏或磁盘故障，则整个卷上的数据都将丢失。带区卷可以看作硬件RAID中的RAID0。 4、镜像卷：在两个物理磁盘上复制数据的容错卷。它通过使用卷的副本（镜像）复制该卷中的信息来提供数据冗余，镜像总位于另一个磁盘上。如果其中一个物理磁盘出现故障，则该故障磁盘上的数据将不可用，但是系统可以使用未受影响的磁盘继续操作。镜像卷可以看作硬件RAID中的RAID1。 5、RAID5卷：具有数据和奇偶校验的容错卷，有时分布于三个或更多的物理磁盘，奇偶校验用于在阵列失效后重建数据。如果物理磁盘的某一部分失败，您可以用余下的数据和奇偶校验信息重新创建磁盘上失败的那一部分上的数据。类似硬件RAID中的RAID 5，在硬件IDE RAID中，RAID 5是很少见的，通常在SCSI RAID卡和高档IDE RAID卡中才能提供。 RAID技术在校园网络中的应用 在校园网络中，数据的类型比较复杂，数据库、音视频文件、网页文件、教师自己的文件等。文件数量众多，大小不一，所以在进行网络服务器的配置的时，需要进行全面的考虑，教师自己的文件需要有较高的安全性，不能造成文件损失，对于数据库文件，需要考虑大文件的多用户访问特性，而音视频文件需要数据流的实时的高速传输、不能有延迟，对于网页文件又需要考虑大量的小文件在多用户访问下的高速读取性能。 一、主域控制器 对于主域控制器，是整个校园网络的核心，其性能将影响到整个网络，在设计主域控制器时，要从多方面进行综合考虑，因为集中管理着整个网络数千个用户帐号，还有数百台计算机的帐号，要求其性能要稳定，数据需要高度的安全，网络数据存取速度要快。本人在实践中，采用了一台双CPU的服务器，1G的内存，并配置了4块高速SCSI硬盘，做成RAID10磁盘，有效的提高了服务器的处理能力和数据的存取速度，同时保障了网络上关键数据的安全性，结合1G的网络接口速度，可以保证大量的网络数据吞吐量。 二、代理服务器 代理服务器的性能，主要考虑的是服务器的数据处理能力，以满足众多用户的Internet代理服务，数据的安全性可放在第二位。为了满足高速数据处理服务和大量的小文件存取服务，代理服务器设计为双CPU服务器，1G的内存，并配置了2块15K转的高速SCSI硬盘，做成RAID0磁盘，并设计了10G的Internet高速缓存。 三、资源服务器 资源服务器中的文件类型最复杂，各种类型的数据都有：数据库服务、海量的网页文件、大量的音视频文件等等