磁盤(pán)陣列技術(shù)原理學(xué)習

硬盤(pán)鏡像（RAID 1）

硬盤(pán)鏡像（RAID 1）是容錯磁盤(pán)陣列技術(shù)最傳統的一種形式，在工業(yè)界中相對地最被了解，它最重要的優(yōu)點(diǎn)是百分之百的數據冗余。RAID 0通過(guò)簡(jiǎn)單地將一個(gè)盤(pán)上的所有數據拷貝到第二個(gè)盤(pán)上（或等價(jià)的存儲設備上）來(lái)實(shí)現數據冗余，這種方法雖然簡(jiǎn)單且實(shí)現起來(lái)相對較容易，但它的缺點(diǎn)是要比單個(gè)無(wú)冗余硬盤(pán)貴一倍，因為必須購買(mǎi)另一個(gè)硬盤(pán)用作第一個(gè)硬盤(pán)的鏡像。

　　

硬盤(pán)鏡像最簡(jiǎn)單的形式，是通過(guò)把二個(gè)硬盤(pán)連結在一個(gè)控制器上來(lái)實(shí)現的。圖4說(shuō)明了硬盤(pán)鏡像。數據寫(xiě)在某一硬盤(pán)上時(shí)，它同時(shí)被寫(xiě)在相應的鏡像盤(pán)上。當一個(gè)盤(pán)驅動(dòng)器發(fā)生故障，計算器系統仍能正常工作，因為它可以在剩下的那塊好盤(pán)上操作數據。
　
因為二個(gè)盤(pán)互為鏡像，哪個(gè)盤(pán)出故障都無(wú)關(guān)緊要，二是盤(pán)在任何時(shí)間都包含相同的數據，任何一個(gè)都可以當作工作盤(pán)。在硬盤(pán)鏡像這個(gè)簡(jiǎn)單的RAID方式中，仍能采用一些優(yōu)化速度的方法，例如平衡讀請求負荷。當多個(gè)用戶(hù)同時(shí)請求得到數據時(shí)，可以將讀數據的請示分散到二個(gè)硬盤(pán)中去，使讀負荷平均地分布在二個(gè)硬盤(pán)上。這種方法可觀(guān)地提高了讀數據的性能，因為二個(gè)硬盤(pán)在同一時(shí)刻讀取不同的數據片。但是硬盤(pán)鏡像不能改善寫(xiě)數據的性能。被“鏡像”的硬盤(pán)也可被鏡像到其它存儲設備上，例如可擦寫(xiě)光盤(pán)驅動(dòng)器，雖然以光盤(pán)作鏡像盤(pán)沒(méi)有用硬盤(pán)的速度快，但這種方法比沒(méi)有使用鏡像盤(pán)畢竟減少了丟失數據的危險性。
　
總之，鏡像系統容錯性能非常好，并可以提高讀數據的速度；它的缺點(diǎn)是需要雙份硬盤(pán)，因此價(jià)格較高。

硬盤(pán)分段和數據冗余（RAID2～5）

硬盤(pán)分段改善了硬盤(pán)子系統的性能，因為向硬盤(pán)讀寫(xiě)數據的速度與硬盤(pán)子系統中硬盤(pán)數目成正比地增加，但它的缺點(diǎn)是硬盤(pán)子系統中任一硬盤(pán)的故障都會(huì )導致整個(gè)計算器系統失敗。整個(gè)分段的硬盤(pán)子系統部能作鏡像，如果已經(jīng)用了4個(gè)硬盤(pán)進(jìn)行分段，我們可以再增加4個(gè)分段的硬盤(pán)作為原來(lái)4個(gè)硬盤(pán)的鏡像。很明顯這是昂貴的（雖然可能比鏡像一個(gè)昂貴的大硬盤(pán)來(lái)得便宜）?？梢圆挥苗R像而用其它數據冗余的方法來(lái)提供高容錯性能?？梢赃x擇一神奇偶碼模式來(lái)實(shí)現上述方法，可以外加一個(gè)專(zhuān)作奇偶校驗用的硬盤(pán)（如在RAID 3中），或者可把奇偶校驗數據分散分布在磁盤(pán)陣列的全部硬盤(pán)中。分布式奇偶校驗數據（RAID 5）的例子示于圖5中。

　　

不管用何種級別的RAID，磁盤(pán)陣列總是用異或（XOR）操作來(lái)產(chǎn)生奇偶數據，當子系統中有一個(gè)硬盤(pán)發(fā)生故障時(shí)，也是用異或操作重建數據。下列簡(jiǎn)單分析了XOR是怎樣工作的。

硬盤(pán) A B C 奇偶盤(pán) (A, B, C 異或的結果)

　　數據 1 0 1 0

首先記住在XOR操作中，2個(gè)數異或的結果是真（即“1”）時(shí)，這二個(gè)數中有且一個(gè)數為1（另一個(gè)為0）。我們假設A, B, C中B盤(pán)故障，此時(shí)可將A, C和奇偶數據XOR起來(lái)，得到B盤(pán)失去的數據0；同樣如C盤(pán)故障，我們可將A, B盤(pán)和奇偶盤(pán)的數據XOR，得到C盤(pán)原先的數據1。

如果推廣到7個(gè)盤(pán)的硬盤(pán)子系統：

硬盤(pán) A B C D E F 奇偶位

　　數據 0 0 0 1 0 1 0

如果丟失B盤(pán)數據，我們可以XOR A, C, D, E, F和奇偶位來(lái)得到失去的B盤(pán)數據0。而XOR A, B, C, D, E, F和奇偶位可恢復D盤(pán)的數據1。

采用專(zhuān)用的奇偶校驗盤(pán)（如上所述，即RAID 3），當同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)寫(xiě)操作時(shí)，每次操作都要對奇偶盤(pán)進(jìn)行寫(xiě)入。這將產(chǎn)生I/O瓶頸效應。

RAID 5把奇偶位信息分散分布在硬盤(pán)子系統的所有硬盤(pán)上（而不是使用專(zhuān)用的校驗盤(pán)0，這就改善了上述RAID 3中的奇偶盤(pán)瓶頸效應。圖5說(shuō)明了RAID 5的一種配置，圖中奇偶信息散布在子系統的每個(gè)硬盤(pán)上。利用每個(gè)硬盤(pán)的一部分來(lái)組成校驗盤(pán)，寫(xiě)入硬盤(pán)的奇偶位信息將較均勻地分布在所有硬盤(pán)上。所以某個(gè)用戶(hù)可能把它的一個(gè)數據段寫(xiě)在硬盤(pán)A，而將奇偶信息寫(xiě)在硬盤(pán)B，第二個(gè)用戶(hù)可能把數據寫(xiě)在硬盤(pán)C，而奇偶信息寫(xiě)在硬盤(pán)D。從這里也可看出RAID 5的性能會(huì )得到提高。

這種方法將提高硬盤(pán)子系統的事務(wù)處理速度。所謂事務(wù)處理，是指處理從許多不同用戶(hù)來(lái)的多個(gè)硬盤(pán)I/O操作，由于可能同時(shí)有很多用戶(hù)與硬盤(pán)打交道，迅速向硬盤(pán)寫(xiě)入數據，有時(shí)幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，這種情況下，用分布式奇偶盤(pán)的方式比起用專(zhuān)用奇偶盤(pán)，瓶頸效應發(fā)生的可能性要小。

對硬盤(pán)操作來(lái)說(shuō)，RAID 5的寫(xiě)性能比不上直接硬盤(pán)分段（指沒(méi)有校驗信息的RAID 0）。因為產(chǎn)生或存儲奇偶碼需要一些額外操作。例如，在修改一個(gè)硬盤(pán)上的數據時(shí)，其它盤(pán)上對應段的數據（即使是無(wú)關(guān)的數據）也要讀入主機，以便產(chǎn)生必要的奇偶信息。奇偶段產(chǎn)生后（這要花一些時(shí)間），我們要將更新的數據段和奇偶段寫(xiě)入硬盤(pán)，這通常稱(chēng)為讀－修改－寫(xiě)策略。因此，雖然RAID 5比RAID 0優(yōu)越，但就寫(xiě)性能來(lái)說(shuō)，RAID 5不如RAID 0。

鏡像技術(shù)（RAID 1）和數據奇偶位分段（RAID 5）用于上述的硬盤(pán)子系統中時(shí)，都產(chǎn)生冗余信息。但在RAID 1中，所有數據都被復制到第二個(gè)相同的硬盤(pán)上。在RAID 5，數據的XOR碼而不是數據本身被復制，因此可以用數據的非常緊湊的表現方式，來(lái)恢復由于某一硬盤(pán)故障而丟失的數據。

采用RAID 5時(shí)，對于5個(gè)硬盤(pán)的數組，有大約20%的硬盤(pán)空間用于存放奇偶碼，而十個(gè)硬盤(pán)的數組只有約10%的空間存放奇偶碼。在可用空間總的格式化空間的意義上來(lái)說(shuō)，硬盤(pán)系統中的硬盤(pán)越多該系統就越省錢(qián)。

總之，RAID 5把硬盤(pán)分段和奇偶冗余技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)結合在一起，這樣的硬盤(pán)子系統特別適合于事務(wù)處理環(huán)境，例如民航售票處，汽車(chē)出租站，銷(xiāo)售系統的終端，等等。在某些場(chǎng)合，可優(yōu)先考慮RAID 1（在那些寫(xiě)數據比讀數據更頻繁的情況）。但許多情況，RAID 5提供了將高性能，低價(jià)格和數據安全性綜合在一起的解決辦法。

RAID Level 10