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    磁碟阵列RAID原理及阶层介绍

    点击:   发布日期:2013-04-06

    本文来自 www.020fix.com

    现在己经有很多主机板都内建了IDE RAID晶片,除了提供ATA/133功能外,也提供了磁碟阵列功能,给使用者一个完整的IDE周边解决方案。不过,应该还有很多人弄不清楚磁碟阵列是什么,对磁碟阵列的使用及工作原理也有很多疑问。在这里我们就来介绍一下磁碟阵列(RAID)的概念与工作原理,相信对各位会有所帮助。
    什么是磁碟阵列?
    磁碟阵列简称RAID(Redundant Arrays of Inexpensive Disks),有”价格便宜且多馀的磁碟阵列”之意。其原理是利用阵列方式来作磁碟组,配合资料分散排列的设计,提升资料的安全性。磁碟阵列主要针对硬碟,在容量及速度上,无法跟上CPU及记忆体的发展,提出改善方法。磁碟阵列是由很多便宜、容量较小、稳定性较高、速度较慢磁碟,组合成一个大型的磁碟组,利用个别磁碟提供资料所产生的加成效果来提升整个磁碟系统的效能。同时,在储存资料时,利用这项技术,将资料切割成许多区段,分别存放在各个硬碟上。
     磁碟阵列还能利用同位元检查(Parity Check)的观念,在阵列中任一颗硬碟故障时,仍可读出资料,在资料重建时,将故障硬碟内的资料,经计算后重新置入新硬碟中。
    磁碟阵列的由来:
    由美国柏克莱大学(University of California-Berkeley)在1987年,发表的文章:”A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks”。文章中,谈到了RAID这个字汇,而且定义了RAID的5层级。柏克莱大学研究其研究目的为,反应当时CPU快速的性能。CPU效能每年大约成长30~50%,而硬磁机只能成长约7%。研究小组希望能找出一种新的技术,在短期内,立即提升效能来平衡电脑的运算能力。在当时,柏克莱研究小组的主要研究目的是效能与成本。
     另外,研究小组也设计出容错(fault-tolerance),逻辑资料备份(logical data redundancy),而产生了RAID 理论。研究初期,便宜(Inexpensive)的磁碟也是主要的重点,但后来发现,大量便宜磁碟组合并不能适用于现实的生产环境,后来Inexpensive被改为independence,许多独立的磁碟组。

    磁碟阵列,未来趋势:
     自有PC以来,硬碟是最常使用的储存装置。但在整个电脑系统架构中,跟CPU与RAM来比,硬碟的速度是PC中最弱的设备之一。所以,为了加速电脑整体的资料流量,增加储存的吞吐量,进阶改进硬碟资料的安全,磁碟阵列的设计因应而生。
     硬碟随着科技的日新月异,现在其容量已达40GB以上,转速到了1万转,甚至15000转,而且价格实在是很便宜,再加现在企业流行,人力资源规画(Enterprise Resource Planning:ERP)是每个公司建构网路的主要目标。所以,利用区域网路来传递资料,伺服器所使用的硬碟显得非常重要,除了容量大、速度快之外,稳定更是基本要求。基于此因,磁碟阵列开始广泛的应用在个人电脑上。
    磁碟阵列其样式有三种 ,
    一是外接式磁碟阵列柜
    外接式磁碟阵列柜最常被使用大型伺服器上,具可热抽换(Hot Swap)的特性,
    不过这类产品的价格都很贵。
    二是内接式磁碟阵列卡
    内接式磁碟阵列卡,因为价格便宜,但需要较高的安装技术,
    适合技术人员使用操作。
    三是利用软体来模拟
    利用软体模拟的方式,由于会拖累机器的速度,不适合大资料流量的伺服器。
    由上述可知,现在IDE磁碟阵列大行其道的道理;IDE介面硬碟的稳定度与效能表现已有很大的提升,加上成本考量,所以采用IDE介面硬碟来作为磁碟阵列的决解方案,可说是最佳的方式。
    磁碟阵列有那些优点 :
     1.传输速率快
     2.储存容量可提升
     3.提升I/O每秒的数量
     4.增加资料安全性及稳定性
     5.大量资料快速及简易管理
     6.增加可用运时间,减少维护
    各阶层磁碟阵列(RAID)介绍 :
    磁碟阵列是由2个以上的硬碟,模拟一个逻辑硬碟出现在系统中;使用磁碟阵列控制器以达成其存在,利用不同阵列形式,模拟各种层级。现在我们先来了解磁碟阵列(RAID)到底有几种模式,一般最常提到及应用的RAID层级分为0、1、0+1、3及5。另外还有一些极少用到的RAID 4及RAID 6在此我们就不提它了。
    以下就是各个阶层的介绍及图解:
    RAID 0:Striping/Span (切分/延展)
    RAID 0,它是将资料储存在2个以上的硬碟机,其将全部磁碟机的储存容量合併,藉由将资料切分到全部的磁碟机上,进行平行读写,而达到提高效能增加容量。但是缺点是完全没有容错能力,只要有一个磁碟故障,就会导致阵列磁碟的所有资料,毁于一旦无法挽回。


    RAID 1:Mirroring (磁碟镜射)
    RAID 1,必须由2个以上的硬碟所组成,由磁碟阵列(RAID)来控制,将资料同时写入第1个与第2个硬碟,其2组硬碟上的资料完全相同,也就是其中一个硬碟是用来作备份用途;当其中有一个硬碟故障时,系统照常运作正常。RAID 1是所有RAID阶层上,经济效益最好,效能很高,极佳的资料安全性。是所有阶层中使用最多最广最符合当初RAID设计概念的一种。唯一小缺点是,其阵列磁碟容量是全部硬碟容量的一半。

    RAID 0+1:Mirror + Striping (磁碟镜射+切分/延展)
    RAID 0+1,是结合了RAID 0与1两种模式,这个阶层须具备4个或以上的双数硬碟所组成。这个模式是由2个硬碟遵守RAID 0规范,设定成一组,再由每组间遵循RAID 1的规范,使RAID 0+1拥有容错力及整体读写速度与资料安全性。不过,缺点是成本很高。

    RAID 3:Parallel with Parity (平行同位元检查)
    RAID 3,最少须3个硬碟或以上,这个阶层的磁碟阵列具备了同位元高阶智慧型演算法,利用一个硬碟来储存其运算出来的同位元值的资料。当阵列磁碟中有一个硬碟发生故障时(当然不能是同位元碟),只要换上新硬碟后,磁碟阵列控制器就能利用同位元碟的资料,重新演算得到其旧有资料并回写建立。因为其同位元检查资料是将资料切割成数个区段,利用XOR演算法计算出同位元资料;而其区段以Bytes计算时,称为RAID 3,如果是以Block计算时,就称为RAID 4。所以RAID 3在整体读写效能会较慢较差,但在成本上会比RAID 0+1还省一点,其阵列磁碟整体容量计算公式为N-1。

    RAID 5:Striping with Rotating Parity (切分/延展+轮转同位元)
    RAID 5,最少须3个硬碟,其工作原理与RAID 3相似,主要差别是其同位元资料没有固定在同个硬碟,是以轮流方式储存在每个硬碟上,故称轮转同位元。当磁碟阵列控制器利用XOR演算出同位元检查资料后,会随着资料分别写入各台硬碟上,因此整体读写效能比RAID 3要好一些,当然比RAID 0要差。不过在大型资料处理时,需同时读写多个硬碟,而同位元检查是由磁碟阵列控制器的XOR逻辑所控制的,所以资料处理越大越多时,一定会有所遗失,但这个阶层的RAID还是可以提供很高的容错能力。