让我们都来了解一下RAID.docx
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让我们都来了解一下RAID
让我们都来了解一下
RAID
1前言
在我们的服务器系统中，经常会用到RAID，也就是磁盘阵列。
比如我们电厂机房、公司机房的服务器中基本上都存在磁盘阵列，这方面的知识，如果没有接触过服务器系统，或许知道的不多，借此机会，通过此文档简单、系统地介绍一下磁盘阵列。
2为什么需要磁盘阵列
磁盘阵列，也就是RAID，到底是什么？
我们先从历史的发展沿革来看看我们为什么需要磁盘阵列。
如何增加磁盘的存取（access）速度,如何防止数据因磁盘的故障而失落及如何有效的利用磁盘空间,一直是电脑专业人员和用户的困扰;而大容量磁盘的价格非常昂贵,对用户形成很大的负担。
磁盘阵列技术的产生一举解决了这些问题。
过去十年来,CPU的处理速度增加了五十倍有多,内存（memory）的存取速度亦大幅增加,而数据储存装置--主要是磁盘（harddisk）--的存取速度只增加了三、四倍,形成电脑系统的瓶颈,拉低了电脑系统的整体性能（throughput）,若不能有效的提升磁盘的存取速度,CPU、内存及磁盘间的不平衡将使CPU及内存的改进形成浪费。
目前改进磁盘存取速度的的方式主要有两种。
一是磁盘快取控制（diskcachecontroller）,它将从磁盘读取的数据存在快取内存（cachememory）中以减少磁盘存取的次数,数据的读写都在快取内存中进行,大幅增加存取的速度,如要读取的数据不在快取内存中,或要写数据到磁盘时,才做磁盘的存取动作。
这种方式在单工环境（single-taskingenvironment）如DOS之下,对大量数据的存取有很好的性能（量小且频繁的存取则不然）,但在多工（multi-tasking）环境之下（因为要不停的作数据交换（swapping）的动作）或数据库（database）的存取（因为每一记录都很小）就不能显示其性能。
这种方式没有任何安全保障。
其二是使用磁盘阵列的技术。
磁盘阵列是把多个磁盘组成一个阵列,当作单一磁盘使用,它将数据以分段（striping）的方式储存在不同的磁盘中,存取数据时,阵列中的相关磁盘一起动作,大幅减低数据的存取时间,同时有更佳的空间利用率。
磁盘阵列所利用的不同的技术,称为RAIDlevel,不同的level针对不同的系统及应用,以解决数据安全的问题。
一般高性能的磁盘阵列都是以硬件的形式来达成,进一步的把磁盘快取控制及磁盘阵列结合在一个控制器（RAIDcontroller）或控制卡上,针对不同的用户解决人们对磁盘输出入系统的四大要求:
（1）增加存取速度,
（2）容错（faulttolerance）,即安全性
（3）有效的利用磁盘空间;
（4）尽量的平衡CPU,内存及磁盘的性能差异,提高电脑的整体工作性能。
3磁盘阵列原理
通过上一节，大家应该简单了解了raid。
下面来讲讲它的原理。
磁盘阵列中针对不同的应用使用的不同技术,称为RAIDlevel,RAID是RedundantArrayofInexpensiveDisks的缩写,而每一level代表一种技术,目前业界公认的标准是RAID0~RAID5。
这个level并不代表技术的高低,level5并不高于level3,level1也不低过level4,至于要选择那一种RAIDlevel的产品,纯视用户的操作环境（operatingenvironment）及应用（application）而定,与level的高低没有必然的关系。
RAID0及RAID1适用于PC及PC相关的系统如小型的网络服务器（networkserver）及需要高磁盘容量与快速磁盘存取的工作站等,因为比较便宜,但因一般人对磁盘阵列不了解,没有看到磁盘阵列对他们价值,市场尚未打开;RAID2及RAID3适用于大型电脑及影像、CAD/CAM等处理;RAID5多用于OLTP,因有金融机构及大型数据处理中心的迫切需要,故使用较多而较有名气,但也因此形成很多人对磁盘阵列的误解,以为磁盘阵列非要RAID5不可;RAID4较少使用,因为两者有其共同之处,而RAID4有其先天的限制。
其他如RAID6,RAID7,乃至RAID10等,都是厂商各做各的,并无一致的标准,在此不作说明。
介绍各个RAIDlevel之前,先看看形成磁盘阵列的两个基本技术:
译为磁盘延伸,能确切的表示diskspanning这种技术的含义。
如下图所示,DFTraid磁盘阵列控制器,联接了四个磁盘:
这四个磁盘形成一个阵列（array）,而磁盘阵列的控制器（RAIDcontroller）是将此四个磁盘视为单一的磁盘,如DOS环境下的C:
盘。
这是diskspanning的意义,因为把小容量的磁盘延伸为大容量的单一磁盘,用户不必规划数据在各磁盘的分布,而且提高了磁盘空间的使用率。
DFTraid的SCSI磁盘阵列更可连接几十个磁盘，形成数十GB到数百GB的阵列,使磁盘容量几乎可作无限的延伸;而各个磁盘一起作取存的动作,比单一磁盘更为快捷。
很明显的,有此阵列的形成而产生RAID的各种技术。
我们也可从上图看出inexpensive（便宜）的意义,因为四个250MBbytes的磁盘比一个1GBytes的磁盘要便宜,尤其以前大磁盘的价格非常昴贵,但在磁盘越来越便宜的今天,inexpensive已非磁盘阵列的重点,虽然对于需要大磁盘容量的系统,仍是考虑的要点。
磁盘因为磁盘阵列是将同一阵列的多个磁盘视为单一的虚拟磁盘（virtualdisk）,所以其数据是以分段（blockorsegment）的方式顺序存放在磁盘阵列中,如下图:
磁盘0
磁盘1
磁盘2
磁盘3
A0-A1
B0-B1
C0-C1
D0-D1
A2-A3
B2-B3
C2-C3
D2-D3
A4-A5
B4-B5
C4-C5
D4-C5
A6-A7
B6-B7
C6-C7
D6-D7
数据按需要分段,从第一个磁盘开始放,放到最後一个磁盘再回到第一个磁盘放起,直到数据分布完毕。
至于分段的大小视系统而定,有的系统或以1KB最有效率,或以4KB,或以6KB,甚至是4MB或8MB的,但除非数据小于一个扇区（sector,即521bytes）,否则其分段应是512byte的倍数。
因为磁盘的读写是以一个扇区为单位,若数据小于512bytes,系统读取该扇区后,还要做组合或分组（视读或写而定）的动作,浪费时间。
从上图我们可以看出,数据以分段于在不同的磁盘,整个阵列的各个磁盘可同时作读写,故数据分段使数据的存取有最好的效率,理论上本来读一个包含四个分段的数据所需要的时间约=（磁盘的accesstime+数据的transfertime）X4次,现在只要一次就可以完成。
若以N表示磁盘的数目,R表示读取,W表示写入,S表示可使用空间,则数据分段的性能为:
R:
N（可同时读取所有磁盘）
W:
N（可同时写入所有磁盘）
S:
N（可利用所有的磁盘,并有最佳的使用率）
Diskstriping也称为RAID0,很多人以为RAID0没有甚么,其实这是非常错误的观念,因为RAID0使磁盘的输出入有最高的效率。
而磁盘阵列有更好效率的原因除数据分段外,它可以同时执行多个输出入的要求,因为阵列中的每一个磁盘都能独立动作,分段放在不同的磁盘,不同的磁盘可同时作读写,而且能在快取内存及磁盘作并行存取（parallelaccess）的动作,但只有硬件的磁盘阵列才有此性能表现。
从上面两点我们可以看出,diskspanning定义了RAID的基本形式,提供了一个便宜、灵活、高性能的系统结构,而diskstriping解决了数据的存取效率和磁盘的利用率问题,RAID1至RAID5是在此基础上提供磁盘安全的方案。
3.1RAID1
RAID1是使用磁盘镜像（diskmirroring）的技术。
磁盘镜像应用在RAID1之前就在很多系统中使用,它的方式是在工作磁盘（workingdisk）之外再加一额外的备份磁盘（backupdisk）,两个磁盘所储存的数据完全一样,数据写入工作磁盘的同时亦写入备份磁盘。
磁盘镜像不见得就是RAID1,如NovellNetWare亦有提供磁盘镜像的功能,但并不表示NetWare有了RAID1的功能。
一般磁盘镜像和RAID1有二点最大的不同:
RAID1无工作磁盘和备份磁盘之分,多个磁盘可同时动作而有重叠（overlapping）读取的功能,甚至不同的镜像磁盘可同时作写入的动作,这是一种最佳化的方式,称为负载平衡（load-balance）。
例如有多个用户在同一时间要读取数据,系统能同时驱动互相镜像的磁盘,同时读取数据,以减轻系统的负载,增加I/O的性能。
RAID1的磁盘是以磁盘延伸的方式形成阵列,而数据是以数据分段的方式作储存,因而在读取时,它几乎和RAID0有同样的性能。
从RAID的结构就可以很清楚的看出RAID1和一般磁盘镜像的不同。
下图为RAID1,每一笔数据都储存两份
磁盘0
磁盘1
磁盘0
磁盘1
A0
A2
A4
B1
A1
A3
B0
B2
A0
A2
A4
B1
A1
A3
B0
B2
从上图可以看出:
R:
N（可同时读取所有磁盘）
W:
N/2（同时写入磁盘数）
S:
N/2（利用率）
读取数据时可用到所有的磁盘,充分发挥数据分段的优点;写入数据时,因为有备份,所以要写入两个磁盘,其效率是N/2,磁盘空间的使用率也只有全部磁盘的一半。
很多人以为RAID1要加一个额外的磁盘,形成浪费而不看好RAID1,事实上磁盘越来越便宜,并不见得造成负担,况且RAID1有最好的容错（faulttolerance）能力,其效率也是除RAID0之外最好的。
我们可视应用的不同,在同一磁盘阵列中使用不同的RAIDlevel,如华艺科技公司的DFTraid系列都可同一磁盘阵列中定义八个逻辑磁盘（logicdisk）,分别使用不同的RAIDlevel,分为C:
D:
及E:
三个逻辑磁盘（或LUN0,LUN1,LUN2）.
RAID1完全做到了容错包括不停机（non-stop）,当某一磁盘发生故障,可将此磁盘拆下来而不影向其他磁盘的操作;待新的磁盘换上去之后,系统即时做镜像,将数据重新复上去,RAID1在容错及存取的性能上是所有RAIDlevel之冠。
在磁盘阵列的技术上,从RAID1到RAID5,不停机的意思表示在工作时如发生磁盘故障,系统能持续工作而不停顿,仍然可作磁盘的存取,正常的读写数据;而容错则表示即使磁盘故障,数据仍能保持完整,可让系统存取到正确的数据,而SCSI的磁盘阵列更可在工作中抽换磁盘,并可自动重建故障磁盘的数据。
磁盘阵列之所以能做到容错及不停机,是因为它有冗余的磁盘空间可资利用,这也就是Redundant的意义。
3.2RAID2
RAID2是把数据分散为位元（bit）或块（block）,加入海明码HammingCode,在磁盘阵列中作间隔写入（interleaving）到每个磁盘中,而且地址（address）都一样,也就是在各个磁盘中,其数据都在相同的磁道（cylinderortrack）及扇区中。
RAID2的设计是使用共轴同步（spindlesynchronize）的技术,存取数据时,整个磁盘阵列一起动作,在各作磁盘的相同位置作平行存取,所以有最好的存取时间（accesstime）,其总线（bus）是特别的设计,以大带宽（bandwide）并行传输所存取的数据,所以有最好的传输时间（transfertime）。
在大型档案的存取应用,RAID2有最好的性能,但如果档案太小,会将其性能拉下来,因为磁盘的存取是以扇区为单位,而RAID2的存取是所有磁盘平行动作,而且是作单位元的存取,故小于一个扇区的数据量会使其性能大打折扣。
RAID2是设计给需要连续且大量数据的电脑使用的,如大型电脑（mainframetosupercomputer）、作影像处理或CAD/CAM的工作站（workstation）等,并不适用于一般的多用户环境、网络服务器（networkserver）,小型机或PC。
RAID2的安全采用内存阵列（memoryarray）的技术,使用多个额外的磁盘作单位错误校正（single-bitcorrection）及双位错误检测（double-bitdetection）;至于需要多少个额外的磁盘,则视其所采用的方法及结构而定,例如八个数据磁盘的阵列可能需要三个额外的磁盘,有三十二个数据磁盘的高档阵列可能需要七个额外的磁盘。
3.3RAID3
RAID3的数据储存及存取方式都和RAID2一样,但在安全方面以奇偶校验（paritycheck）取代海明码做错误校正及检测,所以只需要一个额外的校检磁盘（paritydisk）。
奇偶校验值的计算是以各个磁盘的相对应位作XOR的逻辑运算,然后将结果写入奇偶校验磁盘,任何数据的修改都要做奇偶校验计算,如下图:
磁盘0
磁盘1
磁盘2
磁盘3
磁盘4
A0
A4
B3
C2
A1
B0
B4
C3
A2
A1
C0
C4
A3
A2
C1
D0
P
P
P
P
如某一磁盘故障,换上新的磁盘后,整个磁盘阵列（包括奇偶校验磁盘）需重新计算一次,将故障磁盘的数据恢复并写入新磁盘中;如奇偶校验磁盘故障,则重新计算奇偶校验值,以达容错的要求.
较之RAID1及RAID2,RAID3有85%的磁盘空间利用率,其性能比RAID2稍差,因为要做奇偶校验计算;共轴同步的平行存取在读档案时有很好的性能,但在写入时较慢,需要重新计算及修改奇偶校验磁盘的内容。
RAID3和RAID2有同样的应用方式,适用大档案及大量数据输出入的应用,并不适用于PC及网络服务器。
3.4RAID4
RAID4也使用一个校验磁盘,但和RAID3不一样,如下图:
磁盘0
磁盘1
磁盘2
磁盘3
磁盘4
A0-A1
B3-B4
D1-D2
E4-F0
A2-A3
C0-C1
D3-D4
F1-F2
A4-B0
C2-C3
B0-B1
F3-F4
B1-B2
C4-D0
B2-B3
G0-G1
P
P
P
P
RAID4是以扇区作数据分段,各磁盘相同位置的分段形成一个校验磁盘分段（parityblock）,放在校验磁盘。
这种方式可在不同的磁盘平行执行不同的读取命今,大幅提高磁盘阵列的读取性能;但写入数据时,因受限于校验磁盘,同一时间只能作一次,启动所有磁盘读取数据形成同一校验分段的所有数据分段,与要写入的数据做好校验计算再写入。
即使如此,小型档案的写入仍然比RAID3要快,因其校验计算较简单而非作位（bitlevel）的计算;但校验磁盘形成RAID4的瓶颈,降低了性能,因有RAID5而使得RAID4较少使用。
3.5RAID5
RAID5避免了RAID4的瓶颈,方法是不用校验磁盘而将校验数据以循环的方式放在每一个磁盘中,如下图:
磁盘0
磁盘1
磁盘2
磁盘3
磁盘4
P
B3-B4
D1-D2
E4-F0
A0-A1
P
D3-D4
F1-F2
A2-B3
C0-C1
P
F3-F4
A4-B0
C2-C3
B0-B1
P
B2-B2
C4-D0
B2-B3
G0-G1
磁盘阵列的第一个磁盘分段是校验值,第二个磁盘至后一个磁盘再折回第一个磁盘的分段是数据,然后第二个磁盘的分段是校验值,从第三个磁盘再折回第二个磁盘的分段是数据,以此类推,直到放完为止。
图中的第一个parityblock是由A0,A1...,B1,B2计算出来,第二个parityblock是由B3,B4,...,C4,D0计算出来,也就是校验值是由各磁盘同一位置的分段的数据所计算出来。
这种方式能大幅增加小档案的存取性能,不但可同时读取,甚至有可能同时执行多个写入的动作,如可写入数据到磁盘1而其parityblock在磁盘2,同时写入数据到磁盘4而其parityblock在磁盘1,这对联机交易处理（OLTP,on-lineTransactionProcessing）如银行系统、金融、股市等或大型数据库的处理提供了最佳的解决方案（solution）,因为这些应用的每一笔数据量小,磁盘输出入频繁而且必须容错。
事实上RAID5的性能并无如此理想,因为任何数据的修改,都要把同一parityblock的所有数据读出来修改后,做完校验计算再写回去,也就是RMWcycle（Read-Modify-Writecycle,这个cycle没有包括校验计算）;正因为牵一而动全身,所以:
R:
N（可同时读取所有磁盘）
W:
1（可同时写入磁盘数）
S:
N-1（利用率）
RAID5的控制比较复杂,尤其是利用硬件对磁盘阵列的控制,因为这种方式的应用比其他的RAIDlevel要掌握更多的事情,有更多的输出入需求,既要速度快,又要处理数据,计算校验值,做错误校正等,所以价格较高;其应用最好是OLTP,至于用于PC等,不见得有最佳的性能。
RAID的对比
下面几个表列是RAID的一些性质:
操作
工作模式
最少硬盘需求量
可用容量
RAID0
磁盘延伸和数据分布
2
T
RAID1
数据分布和镜像
2
T/2
RAID2
共轴同步,并行传输,ECC
3
T*（n-1）/n
RAID3
共轴同步,并行传输,Parity
3
T*（n-1）/n
RAID4
数据分布，固定Parity
3
T*（n-1）/n
RAID5
数据分布，分布Parity
3
T*（n-1）/n
RAID的性能与可用性：
RAIDLevel
用户数据利用率
BandwidthPerformance
Transaction
Performance
数据可用性
RAID0
1
0.25
1
0.0005
RAID1
0.5
0.25
0.85
1
RAID2
0.67
1
0.25
0.9999
RAID3
0.75
1
0.25
0.9999
RAID4
0.75
0.25
0.61
0.9999
RAID5
0.75
0.25
0.61
0.9999
以上数据基于4个磁盘，传输块大小1K，75%的读概率，数据可用性的计算基于同样的损坏概率
3.6总结性概述
RAID0
没有任何额外的磁盘或空间作安全准备,所以一般人不重视它,这是误解,其实它有最好的效率及空间利用率,对于追求效率的应用,非常理想,可同时用其他的RAIDlevel或其他的备份方式以补其不足,保护重要的数据。
RAID1
有最佳的安全性,100%不停机,即使有一个磁盘损坏也能照常作业而不影向其效能（对能并行存取的系统稍有影响）,因为数据是作重复储存。
RAID1的并行读取几乎有RAID0的性能,因为可同时读取相互镜像的磁盘;写入也只比RAID0略逊,因为同时写入两个磁盘并没有增加多少工作。
虽然RAID1要增加一倍的磁盘做镜像,但作为采用磁盘阵列的进入点,它是最便宜的一个方案,是新设磁盘阵列的用户之最佳选择。
RAID5
在不停机及容错的表现都很好,但如有磁盘故障,对性能的影响较大,大容量的快取内存有助于维持性能,但在OLTP的应用上,因为每一笔数据或记录（record）都很小,对磁盘的存取频繁,故有一定程度的影响。
某一磁盘故障时,读取该磁盘的数据需把共用同一parityblock的所有数据及校验值读出来,再把故障磁盘的数据计算出来;写入时,除了要重覆读取的程序外,还要再做校验值的计算,然后再写入更新的数据及校验值;等换上新的磁盘,系统要计算整个磁盘阵列的数据以回复故障磁盘的数据,时间要很长,如系统的工作负载很重的话,有很多输出入的需求在排队等候时,会把系统的性能拉下来。
但如使用硬件磁盘阵列的话,其性能就可以得到大幅度的改进,因为硬件磁盘阵列如DFTraid系列本身有内置的CPU与主机系统并行运作,所有存取磁盘的输出入工作都在磁盘阵列本身完成,不花费主机的时间,配合磁盘阵列的快取内存的使用,可以提高系统的整体性能,而优越的总线控制更能增加数据的传输速率,即使在磁盘故障的情况下,主机系统的性能也不会有明显的降低。
RAID5要做的事情太多,所以价格较贵,不适于小系统,但如果是大系统使用大的磁盘阵列的话,RAID5却是最便宜的方案。
总而言之,RAID0及RAID1最适合PC及图形工作站的用户,提供最佳的性能及最便宜的价格,所以RAID0及RAID1多是使用IDE界面,以低成本符合PC市埸的需求。
RAID2及RAID3适用于大档案且输入输出需求不频繁的应用如影像处理及CAD/CAM等;而RAID5则适用于银行、金融、股市、数据库等大型数据处理中心的OLTP应用;RAID4与RAID5有相同的特性及应用方式,但有其先天的限制,所以并不受推荐。
4安装方法概述
综合上述，大家应该对RAID有了比较清楚的认识。
我们电厂和公司的服务器中多采用RAID5的方式，也有RAID1和RAID5相结合的方式。
对于其安装来讲，其实也比较简单，可以在服务器启动时直接根据界面的英文提示按指定的键进入RAID配置界面，进行配置，并且具体的配置方法也都有随机的文档说明。
另外，还有一种方法，就是在安装服务器操作系统时，如果使用相关厂家的引导盘安装，其中也会有一项步骤就是配置RAID，配置也很简单。
在此不再详述。
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