网络存储技术及应用 第2版 课件 项目二 RAID配置

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-RAIDConfiguration网络存储技术及应用NetworkStorageTec.&App.目录任务1认识RAID任务2软件RAID配置任务3主机BIOSRAID配置任务4RAID卡配置项目小结RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►概念

RAID是独立硬盘冗余阵列，简称硬盘阵列。其基本思想就是把多个相对便宜的硬盘组合起来，成为一个冗余的硬盘阵列组，看起来就像一个单独的硬盘或逻辑存储单元。►►SNIA官方给出的定义是：RAID是一种硬盘阵列，部分物理存储空间用来记录保存在剩余空间上的用户数据的冗余信息。当其中某一个硬盘或访问路径发生故障时，冗余信息可用来重建用户数据。所谓“冗余”就是同一个数据（块）单元被存放在不同的RAID成员硬盘上，只有在数据发生错误、损坏、丢失等特殊情况下才被使用，正常情况下而不被使用，貌似对于系统而言是“冗余”的信息。►►由廉价冗余硬盘阵列进化为独立硬盘冗余阵列。RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID的组成一般由物理硬盘阵列、缓冲器和RAID控制器几部分组成。►RAID的发展

目前业界公认的标准是RAID0～RAID5，除RAID2外的四个等级被定为工业标准，而在实际应用领域中使用最多的RAID等级是RAID0、RAID1、RAID3、RAID5、RAID6和RAID10。►►RAID每一个等级就代表一种实现方法和技术，等级之间并无高低之分。在实际应用中，到底采用哪一个等级的技术，应当根据用户的数据应用特点，综合考虑可用性、性能和成本来选择合适的RAID等级。RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID的实现方式

有软RAID、硬RAID以及软硬混合RAID三种。►►软RAID由操作系统和CPU来完成，没有独立的RAID控制/处理芯片和I/O处理芯片。现代操作系统基本上都提供软RAID支持，通过在硬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RAID等级有RAID0、RAID1、RAID10、RAID01、RAID5等。►►硬RAID配备了专门的RAID控制/处理芯片和I/O处理芯片及阵列缓冲，不占用CPU资源，但成本很高。硬RAID通常都支持热交换技术，可以在系统运行时更换故障硬盘。硬RAID有RAID卡和主板上集成的RAID芯片两种解决方案，服务器平台多采用RAID卡。►►软硬混合RAID为了节省成本，采用廉价且处理能力较弱的处理控制芯片，RAID的任务处理大部分还是通过固件驱动程序由CPU来完成的，性能和成本介于软RAID和硬RAID之间。RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►

数据条带（DataStrip）是硬盘中进行一次数据读写的最小单元，可能由一个或多个连续的扇区构成。数据写入RAID时会被分成多个数据单元来并行写入多块（相同规格的）硬盘中，这些数据单元在不同硬盘上的地址相同；数据读取时会并行从多块硬盘读取条带数据，最后完整输出。这种使用大小一致的数据单元组织数据的方式称作条带化。条带用条带深度来表示，又叫条带大小。这个参数指的是写在每块硬盘上的条带数据块的大小。RAID的数据块大小一般在2～512KB（或更大），其数值是2的次方，即2KB、4KB、8KB、16KB、64KB等。在同一个阵列中，多个硬盘驱动器上相同位置（或说相同编号）的条带我们使用分条（Stipe）来表示，即分条是由同一硬盘柱面上的条带组成的。关键技术2数据条带：镜像：数据校验：

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认识RAIDTask1UnderstandRAID1RAID分条宽度是指同时可以并发读或写的条带数量。这个数量等于RAID中的物理成员硬盘数量。条带化本质上是把连续的数据分割成相同大小的数据块，把每段数据分别写入阵列中的不同硬盘上的一种方法。简而言之，是一种将多个硬盘驱动器合并为一个卷的方法。

为什么能够提高磁盘的I/O性能？关键技术2数据条带：镜像：数据校验：

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认识RAIDTask1UnderstandRAID1►镜像（Mirror）同时在硬盘阵列中产生两个（甚至多个）完全相同的数据副本，分布在两个（甚至多个）不同的硬盘驱动器组上。提供完全的数据冗余能力，当一个数据副本失效不可用时，外部系统仍可正常访问另外的副本，不会对应用系统运行和性能产生影响。镜像不需要额外的计算和校验，直接复制即可。镜像技术可以从多个副本进行并发同时读取数据，不仅提供更高了数据的可用性，也提高了数据的的读I/O性能。写数据是不能并行的，因此写多个副本会导致I/O性能降低。镜像技术提供了非常高的数据安全性，其代价需要至少双倍的存储空间。高成本限制了镜像的广泛应用，主要应用于至关重要的数据保护。关键技术2数据条带：镜像：数据校验：

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认识RAIDTask1UnderstandRAID1►数据校验（DataParity）通过算法检测数据错误，并在能力允许的前提下进行数据重构，用较小的数据冗余代价换取了极佳的数据完整性和可靠性，为数据提供安全性保障。采用数据校验时，RAID要在写入数据的同时进行校验计算，并将得到的校验数据存储在RAID的成员硬盘中。校验数据可以集中保存在某个硬盘或分散存储在多个不同硬盘中。不同RAID等级的校验实现各不相同。当其中一部分数据出错时，通过反校验计算，以重建丢失的数据。校验技术相对镜像技术的优势在于节省了大量开销，但由于每次数据读写都要进行大量的校验运算，对计算机的运算速度要求很高，所以必须使用硬件RAID控制器。关键技术2数据条带：镜像：数据校验：

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认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID0是一种简单的、无数据校验的数据条带化技术，是把数据分成若干相等大小的块，并把它们写到阵列的不同的硬盘上，第0块被写到硬盘0中，第1块被写到硬盘1中，依次类推，直到所有数据分布完毕。从系统管理维度看，这些物理硬盘组成了一个更大的逻辑硬盘。关键技术2常用RAID级别3RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID0是一种简单的、无数据校验的数据条带化技术，是把数据分成若干相等大小的块，并把它们写到阵列的不同的硬盘上，第0块被写到硬盘0中，第1块被写到硬盘1中，依次类推，直到所有数据分布完毕。从系统管理维度看，这些物理硬盘组成了一个更大的逻辑硬盘。关键技术2常用RAID级别3RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID0是一种简单的、无数据校验的数据条带化技术，是把数据分成若干相等大小的块，并把它们写到阵列的不同的硬盘上，第0块被写到硬盘0中，第1块被写到硬盘1中，依次类推，直到所有数据分布完毕。从系统管理维度看，这些物理硬盘组成了一个更大的逻辑硬盘。►►在实际中，RAID0将所在硬盘条带化后组成大容量的存储空间，将数据分散存储在所有硬盘中，这实际上不是一种真正的RAID，因为它并不提供任何形式的冗余策略，任何一块硬盘毁损都将导致整个RAID中的所有数据丢失，因此RAID0的可靠性最差。►►RAID0具有低成本、极高的读写性能、高存储空间利用率等特性，适用于对速度要求严格，但对可靠性要求不高、数据保护不重要的应用，如视频处理、图像处理、临时文件的转储等场合。关键技术2常用RAID级别3RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID1

采用镜像冗余来提高可靠性，即每一个工作盘都有一个镜像盘。数据块D0和D1的副本同时写入两个硬盘中（硬盘1和硬盘2），其他数据块也以相同的方式（镜像）写入RAID1硬盘组中。写入时，数据会被同时写入工作硬盘和镜像硬盘，而读数据时只从工作盘读出，一旦工作盘发生故障，系统将立即把镜像盘调整为工作盘，从镜像盘中读出数据。关键技术2常用RAID级别3RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID1

采用镜像冗余来提高可靠性，即每一个工作盘都有一个镜像盘。数据块D0和D1的副本同时写入两个硬盘中（硬盘1和硬盘2），其他数据块也以相同的方式（镜像）写入RAID1硬盘组中。写入时，数据会被同时写入工作硬盘和镜像硬盘，而读数据时只从工作盘读出，一旦工作盘发生故障，系统将立即把镜像盘调整为工作盘，从镜像盘中读出数据。关键技术2常用RAID级别3RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID1

采用镜像冗余来提高可靠性，即每一个工作盘都有一个镜像盘。数据块D0和D1的副本同时写入两个硬盘中（硬盘1和硬盘2），其他数据块也以相同的方式（镜像）写入RAID1硬盘组中。写入时，数据会被同时写入工作硬盘和镜像硬盘，而读数据时只从工作盘读出，一旦工作盘发生故障，系统将立即把镜像盘调整为工作盘，从镜像盘中读出数据。►►RAID1在数据写入时，响应时间会有所影响，但是读数据的时候没有影响，因此其读取性能几乎与RAID0接近。RAID1提供了最佳的数据保护，一旦工作硬盘发生故障，系统会自动从镜像硬盘读取数据，不会影响用户工作。►►RAID1由于工作硬盘和镜像硬盘保存了相同的信息，可靠性很高，但是因为其逻辑硬盘的总容量等于所有物理硬盘容量的一半，所以硬盘的空间利用率仅有50%，成本很高。因此RAID1常用于读写性能要求高、对出错率要求极严的数据应用场合，关键技术2常用RAID级别3RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID10

RAID1+RAID0

，是将镜像和条带进行组合的RAID级别，先进行镜像（RAID1）然后再做条带（RAID0）。关键技术2常用RAID级别3RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID3和RAID4

RAID3采用单硬盘容错和并行数据传输，先采用分条技术将数据分块，然后再将这些块进行异或运算得到奇偶校验结果，最后把结果写到最后一个盘，这个盘是RAID3组的奇偶校验硬盘。关键技术2常用RAID级别3RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID3和RAID4

RAID3采用单硬盘容错和并行数据传输，先采用分条技术将数据分块，然后再将这些块进行异或运算得到奇偶校验结果，最后把结果写到最后一个盘，这个盘是RAID3组的奇偶校验硬盘。关键技术2常用RAID级别3RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID3和RAID4

RAID3采用单硬盘容错和并行数据传输，先采用分条技术将数据分块，然后再将这些块进行异或运算得到奇偶校验结果，最后把结果写到最后一个盘，这个盘是RAID3组的奇偶校验硬盘。RAID3完好时读性能与RAID0完全一致，并行从多个硬盘条带读取数据，性能非常高，同时还提供了数据容错能力。不足是校验盘很容易成为整个系统的瓶颈，这种情况被称为RAID3的“写惩罚”。RAID3会把数据的写入操作分散到多个硬盘上进行，然而不管是向哪一个数据盘写入数据，都需要同时重写校验盘中的相关信息。因此，对于那些经常需要执行大量写入操作的应用来说，校验盘的负载将会很大，无法满足程序的运行速度，从而导致整个RAID系统性能下降。关键技术2常用RAID级别3RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID3和RAID4

RAID4与RAID3的原理大致相同，区别在于条带化的方式不同。RAID4按照块的方式来组织数据，写操作只涉及当前数据盘和校验盘两个盘，多个I/O请求可以同时得到处理，提高了系统性能。RAID4

按块存储可以保单证块的完整性，可以避免受到其他硬盘上同条带产生的不利影响。RAID4

提供了非常好的读性能，但单一的校验盘往往成为系统性能的瓶颈。对于写操作，RAID4

只能逐个硬盘进行写操作，包括写入校验数据，因此写性能比较差。而且随着成员硬盘数量的增加，校验盘的系统瓶颈将更加突出。正是由于如上这些限制和不足，所以RAID4在实际应用中很少见，主流存储产品也很少使用RAID4保护。关键技术2常用RAID级别3RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID5

是改进版的RAID3。不同的是，RAID5把校验数据按照循环的方式有规律地均匀分布在各数据硬盘上，每个RAID成员硬盘同时保存了数据和校验信息，很好地解决了RAID3出现的写瓶颈或热点问题。关键技术2常用RAID级别3RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID5

是改进版的RAID3。不同的是，RAID5把校验数据按照循环的方式有规律地均匀分布在各数据硬盘上，每个RAID成员硬盘同时保存了数据和校验信息，很好地解决了RAID3出现的写瓶颈或热点问题。关键技术2常用RAID级别3RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID5

是改进版的RAID3。不同的是，RAID5把校验数据按照循环的方式有规律地均匀分布在各数据硬盘上，每个RAID成员硬盘同时保存了数据和校验信息，很好地解决了RAID3出现的写瓶颈或热点问题。RAID5是最常用的RAID方式之一，是RAID0和RAID1的折中方案。RAID5要求最少三块硬盘，其中一块硬盘作为冗余存放校验数据，另外两块物理硬盘存放原始数据，即该RAID5的有效数据空间是两块物理硬盘空间的和。RAID5读取速度和RAID0相同，但写入速度不及RAID0，因为1/3空间是校验数据。RAID5允许在最多损坏一块硬盘的情况下实现数据完全恢复，安全性比RAID0高出很多。RAID5适合用于对性能和安全有一定要求但又不太高的情况。关键技术2常用RAID级别3RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID50

是将RAID5和RAID0进行两级组合的RAID级别，第一级是RAID5，第二级为RAID0。两个子组被配置成RAID5，这两个子组再形成RAID0。每个RAID5子组完全独立于对方。RAID50需要至少六个硬盘，因为一个RAID5组最少需要三个硬盘。关键技术2常用RAID级别3RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID6

引入了双重独立的校验算法（P和Q校验算法），它可以保证在阵列中同时出现两个硬盘失效时，阵列仍能够继续工作，不会发生数据丢失。RAID6等级是在RAID5的基础上为了进一步增强数据保护而设计的一种RAID方式，它可以看作是一种扩展的RAID5等级。在RAID6中，每个数据块都会被分成若干个子块，其中包括数据块本身（例如D0）、P校验块（例如P1和Q校验块（例如Q1）。P校验块是通过对同一分条内所有用户数据块的简单异或运算得到的；而Q校验块需要对用户数据进行GF（“伽罗华域”）变换得出里德·所罗门（ReedSolomon）码，得到一系列系数Ki、Kj、Km、…，再通过Q=（Ki⊕数据块1）⊕（Kj⊕数据块2）⊕（Km⊕数据块3）⊕…求出。关键技术2常用RAID级别3RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：

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认识RAIDTask1UnderstandRAID1►RAID6

在RAID6的实现中，用户数据和校验数据分布在同一分条的所有硬盘上。当两个硬盘同时失效时，即可通过求解两元方程来重建两个硬盘上的数据。下图展示了五个物理硬盘组成的RAID6原理图。关键技术2常用RAID级别3图中，P1是通过对D0，D1，D2所在的分条0进行异或操作获得的，P2是对D3，D4，D5所在的分条1异或操作实现的，其他的分条依次类推。Q1是对D0，D1，D2所在的分条0条进行GF变换再异或操作实现的，Q2是对D3，D4，D5所在的分条1进行GF变换再异或运算，其他的分条也依次类推。RAID0：RAID1：RAID10：RAID3和RAID4：RAID5：RAID50：RAID6：

RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►

每一种RAID硬盘阵列都有它的优缺点，选择适合的RAID主要根据应用从数据可靠性、I/O性能和成本三个方面综合权衡。关键技术2常用RAID级别3RAID应用选择4RAID

等级RAID0RAID1RAID3RAID5RAID6RAID10技术条带镜像专用奇偶校验条带分布奇偶校验条带双重奇偶校验条带镜像加条带容错性无有有有有有冗余类型无有有有有有热备份选择无有有有有有读性能高低高高高高随机写性能高低低一般低一般连续写性能高低低低低一般需要硬盘数n≥12n(n≥1)n≥3n≥3n≥42n(n≥2)≥4可用容量全部50%(n-1)/n(n-1)/n(n-2)/n50%RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►大容量

这是RAID的一个显著优势，它扩大了硬盘的容量。现在单个硬盘的容量就可以到32TB及以上，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

受益于数据条带化技术，RAID将数据I/O分散到各个成员硬盘上，从而获得与单个硬盘相比成倍增长的聚合I/O性能。►可靠性

可用性和可靠性是RAID的另一个重要特征。RAID冗余技术大幅提升了数据可用性和可靠性，保证了若干硬盘出错时，不会导致数据丢失，不影响系统的连续运行。►可管理性

实际上，RAID是一种虚拟化技术，它将多个物理硬盘驱动器虚拟成一个大容量的逻辑驱动器。用户就可以在这个虚拟驱动器上来组织和存储应用系统数据，大大简化管理工作。关键技术2常用RAID级别3RAID应用选择4RAID的优势5RAID简介任务1

认识RAIDTask1UnderstandRAID1►

围绕RAID是什么、能干什么两个主题：介绍了RAID的概念和组成，回答了RAID是什么。然后针对能干什么，从RAID关键技术入手，说清楚技术内涵，以七种不同等级的RAID为例，详细介绍了技术的应用，给出了实际应用时RAID的选择策略。需要明确的是：RAID是一种历久弥新的技术，关键目标是提高数据可靠性和I/O性能，主要用在网络服务器、高性能桌面系统和工作站中，可以在部分硬盘（单块或多块）损坏的情况下，仍能保证系统不中断地连续运行。关键技术2常用RAID级别3RAID应用选择4RAID的优势5任务小结6配置准备工作任务2软件RAID配置Task2SoftwareRAIDConfiguration1►硬、软件环境►►DellLatitute5310（Core(TM)i7CPU/16GB内存/1TSSD）便携式电脑►►虚拟机VMware（VMware官网下载虚拟机软件VMware17.0pro）►►Windows10x64（教育版）操作系统►►第三方的计算机硬盘检测工具CrystalDiskMark配置准备工作任务2软件RAID配置Task2SoftwareRAIDConfiguration1配置过程2►配置过程（详见教材内容）第一步，按照虚拟机VMware向导在主机上成功安装Windows10×64虚拟机（2G内存/2个处理器/60GB硬盘NVMe）；第二步，创建虚拟硬盘；第三步，初始化创建的虚拟硬盘；第四步，创建RAID0；第五步，创建RAID1；第六步，性能测试。配置过程总结。配置准备工作任务2软件RAID配置Task2SoftwareRAIDConfiguration1配置过程2►软RAID使用主机操作系统实现，依赖电脑CPU的能力和RAID算法，以系统性能些许降低为代价实现数据冗余。本任务使用Windows10虚拟机，实现了RAID0和RAID1两种等级软RAID的配置。软RAID易于管理和维护，可以在不同的硬件平台上使用。在更换硬盘或升级存储容量时，软RAID可以更方便地实现数据迁移和重新构建阵列。不足之处在于对于不同的硬件平台和操作系统兼容性要求较高。尽管软RAID0是一种非常有效的RAID解决方案，但其写入性能却比硬件RAID0差很多。这是由于软RAID0需要CPU在处理数据时进行额外计算，而硬RAID0则可以直接通过I/O控制器来操作数据。任务小结3配置准备工作任务3主机BIOSRAID配置Task3HostBIOSRAIDConfiguration1►硬、软件环境►►选择华硕（ASUS）ROGSTRIXZ790-AGAMING主板（型号：Z790-A吹雪D5），这个主板上板载总共有4个M.2接口，其中M.2_1为CPU通道支持，其他三个均为Z790芯片组支持：主板上安装三条256GB的M.2NVMeSSD，其中一个安装到M.2_1上，另外两个安装到M.2_3和M.2_4位置上。►►主板上自带的UEFIBIOSUtility。

配置准备工作任务3主机BIOSRAID配置Task3HostBIOSRAIDConfiguration1►配置过程（详见教材内容）第一步，开机进入BIOS。第二步，兼容性支持模块（CompatibilitySupportModule，CSM）设置。第三步，系统代理（SA）配置。第四步，BIOS重启。第五步，进入创建的RAID。第六步，配置RAID