磁盘整列的研究与分析

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摘要：计算机存储系统的主要部件硬盘，由于其使用机械结构方面的原因，导致存储性能一直难以得到明显的提升，以至于其性能己成为计算机整机性能的瓶颈，特别是在服务器方面，普通的机械硬盘已经不能满足大量数据交换的要求。要改善计算机外存储器的性能，目前可行的方法是组建磁盘阵列。磁盘整列英文为RAID， 是Redundant Arrays of Independent Disks的简称，中文为廉价冗余磁盘阵列。RAID有多种实现方案，常见的有RAID0、RAID1、RAID5、RAID0+1等。RAID作为一种廉价的磁盘冗余阵列，能够提供一个独立的大型存储设备解决方案。在提高硬盘容量的同时，还能够充分提高硬盘的速度，使数据更加安全，更加易于磁盘的管理。

关键词：磁盘整列 RAID

RAID的几种常见工作模式

一、RAID 0 的工作模式

RAID 0是最早出现的RAID模式， 即Data Stripping数据分条技术。RAID 0是组建磁盘阵列中最简单的一种形式，只需要2块以上的硬盘即可，成本低，可以提高整个磁盘的性能和吞吐量。RAID 0方式至少由两块磁盘组成，它使用一种称为/条带0（striping）的技术把数据分布到各个磁盘上"在那里每个/条带0被分散到连续/块0（block）上，数据被分成从512字节到数兆字节的若干块后，再交替写到磁盘中"第1块被写到磁盘A中，第2块被写到磁盘B中，当系统到达阵列中的最后一个磁盘时，就写到磁盘A的下一分段，这样一来，所有的I/O访问将会被分担到每个磁盘驱动器上，从而大大提高了输入输出的效率"但是RAID 0没有提供冗余或错误修复能力，实现成本是最低的。

RAID 0方式是一种无容错机制的盘组方式，因此它结构简单，易于实施，但同时也带来了它几乎没有容灾性能的致命弱点，在RAID 0盘组中，任何一块磁盘的损坏都将导致整个存储子系统无法工作，这在很多大型系统中几乎是不能容忍的，所以，RAID 0一般只是在那些对数据安全性要求不高的情况下才被人们使用。

二、RAID 1 的工作模式

RAID 1称为磁盘镜像，原理是把一个磁盘的数据镜像到另一个磁盘上，也就是说数据在写入一块磁盘的同时，会在另一块闲置的磁盘上生成镜像文件，在不影响性能的情况下，最大限度的保证系统的可靠性和可修复性上，只要系统中任何一对镜像盘中至少有一块磁盘可以使用，甚至可以在一半数量的硬盘出现问题时系统都可以正常运行，当一块硬盘失效时，系统会忽略该硬盘，转而使用剩余的镜像盘读写数据，具备很好的磁盘冗余能力。与RAID O截然不同的是RAID 1采用了镜像方式，将磁盘两两配对，形成全冗余的组合，确保数据的稳定可靠. 因为一个磁盘上的数据被完全复制到另一个磁盘上，如果一个磁盘的数据发生错误，或者硬盘出现了坏道，那么另一个硬盘可以补救回磁盘故障而造成的数据损失和系统中断，因此，RAID 1最多可以容忍一半的磁盘发生故障（当然，不能有同一镜像的两块磁盘同时发生故障），RAID 1主要是通过二次读写实现磁盘镜像，所以磁盘控制器的负载也相当大，尤其是在需要频繁写入数据的环境中。为了避免出现性能瓶颈，使用多个磁盘控制器就显得很有必要。

三、RAID 5的工作模式

RAID 5称为分布式奇偶校验阵列，原理就是把奇偶位信息分布在所有的磁盘上，而并非一个磁盘上，大大减轻了奇偶校验盘的负担，构成阵列的磁盘不再有校验盘与数据盘之分，这种方式很好地保证了阵列的负载平衡，因此具有很好的集合数据传输率，RAID 5可以理解为是RAID 0和RAID 1的折中方案。RAID 5结构同样支持多盘的并发读写，RAID 5也具有良好的容灾性能，在单盘发生故障的情况下，可以根据校验数据计算故障盘上的相关数据，更换磁盘后重新进行数据重建，但同时性能也会受到一定影响。RAID 5的磁盘空间利用率要比RAID 1高，存储成本相对较低。RAID 5能提供较为完美的整体性能，因而也是被广泛应用的一种磁盘阵列方案，它适合于输入/输出密集、高读/写比率的应用程序，如事务处理等。大部分文件服务器、应用服务器、数据库服务器、WWW、Email、新闻服务器等都适用于RAID 5。

四、RAID 0+1 的工作模式

RAID 0+1是高数据传输性能的磁盘阵列，组建RAID O+l需要至少4个磁盘，它实际上是将2个RAID O系统进行镜像，综合了RAIDO和RAIDI的技术，其容错性能等同RAID5，冗余度等同于RAID 1，由于具有RAID 0的性能，它具有很高的I/O速度。从RA ID 0+1名称上我们便可以看出是RAID 0与RAID 1的结合体。在我们单独使用RAID 1也会出现类似单独使用RAID 0那样的问题，即在同一时间内只能向一块磁盘写人数据，不能充分利用所有的资源。为了解决这一问题，我们可以在磁盘镜像中建立带区集。因为这种配置方式综合了带区集和镜像的优势，所以被称为RAID 0+1。把RAID 0和RAID 1技术结合起来，数据除分布在多个盘上外，每个盘都有其物理镜像盘，提供全冗余能力，允许一个以下磁盘故障，而不影响数据可用性，并具有快速读/写能力。RAID 0+1要在磁盘镜像中建立带区集至少4个硬盘。目前，主流的主板也都提供了这三种组建模式。

结论：

本章主要介绍了各种RAID方案的构建原理及其性能的优缺点.以上所列举的方案虽多，但由于其中一些方案要求有较多数量的硬盘，或者对RAID控制芯片有较高的要求，致使实现的成本较高，限制了RAID技术的普及。纵观各种RAID方式，我们可以看出，RAID级别的选择有几个主要因素：可靠性（数据冗余）、性能、成本和可扩展性、如果不要求可靠性，选择RAID O以获得最佳性能，如果可靠性和性能是重要的而成本不是一个重要因素，则根据硬盘数量选择RAID 1+0方案。如果可靠性和成本是重要的而性能不是一个主要因素，则根据硬盘数量选择RAID 1或RAID 5.如果可靠性、成本和性能都同样重要，则根据一般的数据传输和硬盘的数量可考虑选择RAID 5。

参考文献

[2] 鲁士文 编著 《网络存储技术与应用》 清华大学出版社 2010年02月

[3]汪中夏， 张京生， 刘伟编著《RAID数据恢复技术揭秘》清华大学出版社2010