廉价冗余磁盘阵列

1、廉价冗余磁盘阵列 作为高性能的存储系统，已经得到了越来越广泛的应用。RAID的级别从RAID概念的提出到现在，已经发展了六个级别，其级别分别是0、1、2、3、4、5等。但是最常用的是0、1、3、5四个级别。下面就介绍这四个级别。 RAID 0：将多个的磁盘合并成一个大的磁盘，不具有冗余，并行I/O，速度最快。RAID 0亦称为带区集。它是将多个磁盘并列起来，成为一个大硬盘。在存放数据时，其将数据按磁盘的个数来进行分段，然后同时将这些数据写进这些盘中。所以，在所有的级别中，RAID 0的速度是最快的。但是RAID 0没有冗余功能的，如果一个磁盘（物理）损坏，则所有的数据都无法使用。 RAID1

2、把磁盘阵列中的硬盘分成相同的两组，互为镜像，当任一磁盘介质出现故障时，可以利用其镜像上的数据恢复，从而提高系统的容错能力。对数据的操作仍采用分块后并行传输方式。所有RAID 1不仅提高了读写速度，也加强系统的可靠性。但其缺点是硬盘的利用率低，冗余度为50。 RAID 3 ：RAID 3存放数据的原理和RAID0、RAID1不同。RAID 3是以一个硬盘来存放数据的奇偶校验位，数据则分段存储于其余硬盘中。它像RAID 0一样以并行的方式来存放数，但速度没有RAID 0快。如果数据盘（物理）损坏，只要将坏的硬盘换掉，RAID控制系统则会根据校验盘的数据校验位在新盘中重建坏盘上的数据。不过，如果校验

3、盘（物理）损坏的话，则全部数据都无法使用。利用单独的校验盘来保护数据虽然没有镜像的安全性高，但是硬盘利用率得到了很大的提高，为n-1。 RAID 5：向阵列中的磁盘写数据，奇偶校验数据存放在阵列中的各个盘上，允许单个磁盘出错。RAID 5也是以数据的校验位来保证数据的安全，但它不是以单独硬盘来存放数据的校验位，而是将数据段的校验位交互存放于各个硬盘上。这样任何一个硬盘损坏，都可以根据其它硬盘上的校验位来重建损坏的数据。硬盘的利用率为n-1。6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID 廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列 RedundantArray of Inexpensive Disks Redundan

4、tArray of Inexpensive Disks 独立磁盘冗余阵列独立磁盘冗余阵列 Redundant Array of Independent Disks Redundant Array of Independent Disks 简称简称盘阵列技术盘阵列技术 19881988年，年，PattersonPatterson教授首先提出。教授首先提出。 优点优点 容量大、速度快、可靠性高、造价低廉容量大、速度快、可靠性高、造价低廉第六章 输入/输出系统1. 各级RAID的结构特点RAID级级数据磁数据磁盘数盘数可正常工作的最多失可正常工作的最多失效盘数效盘数检测磁盘检测磁盘数数0 非冗余非冗

5、余8001 镜像镜像8182 存储器式存储器式ECC8143 位交叉奇偶校验位交叉奇偶校验8114 块交叉奇偶校验块交叉奇偶校验8115 块交叉分布奇偶块交叉分布奇偶校验校验8116 P+Q冗余冗余8227 Cache + 异步异步8222. 各级RAID的共性 RAID RAID由一组物理磁盘驱动器组成，操作系统由一组物理磁盘驱动器组成，操作系统 视之为一个逻辑驱动器；视之为一个逻辑驱动器； 数据分布在一组物理磁盘上；数据分布在一组物理磁盘上； 冗余信息被存储在冗余磁盘空间中，保证磁冗余信息被存储在冗余磁盘空间中，保证磁 盘在万一损坏时可以恢复数据；盘在万一损坏时可以恢复数据； 其中第其中第

6、2 2、3 3个特性在不同的个特性在不同的RAIDRAID级别中的表级别中的表 现不同，现不同，RAID0RAID0不支持第不支持第3 3个特性。个特性。6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID 3. 有关RAID的几个问题 (1) (1) 关键问题：关键问题：如何发现磁盘的失效如何发现磁盘的失效 磁盘技术提供了故障检测操作的信息。磁盘技术提供了故障检测操作的信息。 (2) (2) 设计的设计的另一个问题另一个问题 如何减少平均修复时间如何减少平均修复时间MTTRMTTR 典型的做法：在系统中增加热备份盘典型的做法：在系统中增加热备份盘 (3) (3) 热切换技术热切换技术 与热备份盘相关的一种技术与

7、热备份盘相关的一种技术6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID 6.4.1 RAID0 数据分块，即把数据分布在多个盘上。数据分块，即把数据分布在多个盘上。 非冗余阵列、无冗余信息。非冗余阵列、无冗余信息。 严格地说，它不属于严格地说，它不属于RAIDRAID系列。系列。MNOetc.IJKLEFGHABCD6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID 6.4.2 RAID1 亦称亦称镜像盘镜像盘，使用双备份磁盘。，使用双备份磁盘。 每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写 到另一个冗余盘，形成信息的两份复制品。到另一个冗余盘，形成信息的两份复制品。GGHHEEFFCCDDAABB

8、=6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID 1. RAID1的特点 读性能好读性能好 RAID1RAID1的性能能够达到的性能能够达到RAID0RAID0性能的两倍。性能的两倍。 写性能由写性能最差的磁盘决定。相对以后写性能由写性能最差的磁盘决定。相对以后 各级各级RAIDRAID来说，来说，RAID1RAID1的写速度较快。的写速度较快。 可靠性很高可靠性很高 最昂贵的解决方法，物理磁盘空间是逻辑磁最昂贵的解决方法，物理磁盘空间是逻辑磁 盘空间的两倍。盘空间的两倍。 6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID 3. RAID2特点 并行存取，各个驱动器同步工作。并行存取，各个驱动器同步工作。 使用海明编码来进

9、行错误检测和纠正，数据使用海明编码来进行错误检测和纠正，数据 传输率高。传输率高。 需要多个磁盘来存放海明校验码信息，冗余需要多个磁盘来存放海明校验码信息，冗余 磁盘数量与数据磁盘数量的对数成正比。磁盘数量与数据磁盘数量的对数成正比。 是一种在多磁盘易出错环境中的有效选择。是一种在多磁盘易出错环境中的有效选择。 并未被广泛应用，目前还没有商业化产品。并未被广泛应用，目前还没有商业化产品。6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID 6.4.4 RAID31. 位交叉奇偶校验盘阵列2. 单盘容错并行传输：数据以位或字节交叉存储， 奇偶校验信息存储在一台专用盘上。D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B

10、3A0A1A2A3A校验码校验码B校验码校验码C校验码校验码D校验码校验码校验码校验码产生器产生器位或字节位或字节6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID 3. RAID3特点 将磁盘分组，读写要访问组中所有盘，每将磁盘分组，读写要访问组中所有盘，每 组中有一个盘作为校验盘。组中有一个盘作为校验盘。 校验盘一般采用奇偶校验。校验盘一般采用奇偶校验。 简单理解：简单理解：先将分布在各个数据盘上的一先将分布在各个数据盘上的一 组数据加起来，将和存放在冗余盘上。一组数据加起来，将和存放在冗余盘上。一 旦某一个盘出错，只要将冗余盘上的和减旦某一个盘出错，只要将冗余盘上的和减 去所有正确盘上的数据，得到的差就是

11、出去所有正确盘上的数据，得到的差就是出 错的盘上的数据。错的盘上的数据。 缺点：缺点：恢复时间较长。恢复时间较长。6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID 6.4.5 RAID41. 专用奇偶校验独立存取盘阵列2. 数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘， 奇偶校验信息存在一台专用盘上。D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3A校验码校验码B校验码校验码C校验码校验码D校验码校验码校验码校验码产生器产生器数据块数据块6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID 3. RAID4特点 冗余代价与冗余代价与RAID3RAID3相同相同 访问数据的方法与访问数据的方法与RAID3RAID3不同

12、不同l 在在RAID3RAID3中，一次磁盘访问将对磁盘阵列中，一次磁盘访问将对磁盘阵列 中的所有磁盘进行操作。中的所有磁盘进行操作。l RAID4RAID4出现的原因：出现的原因：希望使用较少的磁盘希望使用较少的磁盘 参与操作，以使磁盘阵列可以并行进行多参与操作，以使磁盘阵列可以并行进行多 个数据的磁盘操作。个数据的磁盘操作。 6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID 6.4.6 RAID51. 块交叉分布式奇偶校验盘阵列2. 数据以块交叉的方式存于各盘，无专用冗余盘， 奇偶校验信息均匀分布在所有磁盘上。 6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID 3. RAID4和RAID5中的信息分布RAID3 和 RA

13、ID4159131721.2610141822.3711151925.P0P1P2P3P4P5.04812P420.159P31621.26P2131722.3P110141825.P07111519P5.RAID5048121620.6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID 3. RAID6特点 写入数据要访问写入数据要访问1 1个数据盘和个数据盘和2 2个冗余盘；个冗余盘； 可容忍双盘出错；可容忍双盘出错； 存储开销是存储开销是RAID5RAID5的两倍，的两倍，RAID6RAID6的写过的写过 程需要程需要6 6次磁盘操作。次磁盘操作。 6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID 6.4.9 RAID的实现与发展1. 实现盘阵列的方式主要有三种 软件方式：软件方式：阵列管理软件由主机来实现阵列管理软件由主机来实现 优点：成本低优点：成本低 缺点：过多地占用主机时间，并且带宽指缺点：过多地占用主机时间，并且带宽指 标上不去。标上不去。 阵列卡方式：阵列卡方式：把把RAIDRAID管理软件固化在管理软件固化在I/OI/O控制控制 卡上，从而可不占用主机时间，一般用于工作卡上，从而可不占用主机时间，一般用于工作 站和站和PCPC机。机。6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID 子系统方式：子系统方式：这是一种基于通用接口总线这是一种基于通用接口总线 的开放式平台，可用