磁盤陣列RAID技術簡述

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上磁盤陣列RAID技術簡述(轉) 在計算機發(fā)展的初期，“大容量”硬盤的價格還相當高，解決數(shù)據(jù)存儲安全性問題的主要方法是使用磁帶機等設備進行備份，這種方法雖然可以保證數(shù)據(jù)的安全，但查閱和備份工作都相當繁瑣。1987年， Patterson、Gibson和Katz這三位工程師在加州大學伯克利分校發(fā)表了題為A Case of Redundant Array of Inexpensive Disks（廉價磁盤冗余陣列方案）的論文，其基本思想就是將多只容量較小的、相對廉價的硬盤驅動器進行有機組合，使其

2、性能超過一只昂貴的大硬盤。這一設計思想很快被接受，從此RAID技術得到了廣泛應用，數(shù)據(jù)存儲進入了更快速、更安全、更廉價的新時代。  磁盤陣列對于個人電腦用戶，還是比較陌生和神秘的。印象中的磁盤陣列似乎還停留在這樣的場景中：在寬闊的大廳里，林立的磁盤柜，數(shù)名表情陰郁、早早謝頂?shù)墓こ處熍腔苍谄渲?，不斷從中抽出一塊塊沉重的硬盤，再插入一塊塊似乎更加沉重的硬盤終于，隨著大容量硬盤的價格不斷降低，個人電腦的性能不斷提升，IDE-RAID作為磁盤性能改善的最廉價解決方案，開始走入一般用戶的計算機系統(tǒng)。 一、RAID技術規(guī)范簡介 RAID技術主要包含RAID 0RAID 7等數(shù)

3、個規(guī)范，它們的側重點各不相同，常見的規(guī)范有如下幾種： RAID 0：RAID 0連續(xù)以位或字節(jié)為單位分割數(shù)據(jù)，并行讀/寫于多個磁盤上，因此具有很高的數(shù)據(jù)傳輸率，但它沒有數(shù)據(jù)冗余，因此并不能算是真正的RAID結構。RAID 0只是單純地提高性能，并沒有為數(shù)據(jù)的可靠性提供保證，而且其中的一個磁盤失效將影響到所有數(shù)據(jù)。因此，RAID 0不能應用于數(shù)據(jù)安全性要求高的場合。 RAID 1：它是通過磁盤數(shù)據(jù)鏡像實現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余，在成對的獨立磁盤上產(chǎn)生互 為備份的數(shù)據(jù)。當原始數(shù)據(jù)繁忙時，可直接從鏡像拷貝中讀取數(shù)據(jù)，因此RAID 1可以提高讀取

4、性能。RAID 1是磁盤陣列中單位成本最高的，但提供了很高的數(shù)據(jù)安全性和可用性。當一個磁盤失效時，系統(tǒng)可以自動切換到鏡像磁盤上讀寫，而不需要重組失效的數(shù)據(jù)。 RAID 0+1: 也被稱為RAID 10標準，實際是將RAID 0和RAID 1標準結合的產(chǎn)物，在連續(xù)地以位或字節(jié)為單位分割數(shù)據(jù)并且并行讀/寫多個磁盤的同時，為每一塊磁盤作磁盤鏡像進行冗余。它的優(yōu)點是同時擁有RAID 0的超凡速度和RAID 1的數(shù)據(jù)高可靠性，但是CPU占用率同樣也更高，而且磁盤的利用率比較低。 RAID 2：將數(shù)據(jù)條塊化地分布于不

5、同的硬盤上，條塊單位為位或字節(jié)，并使用稱為“加重平均糾錯碼（海明碼）”的編碼技術來提供錯誤檢查及恢復。這種編碼技術需要多個磁盤存放檢查及恢復信息，使得RAID 2技術實施更復雜，因此在商業(yè)環(huán)境中很少使用。 RAID 3：它同RAID 2非常類似，都是將數(shù)據(jù)條塊化分布于不同的硬盤上，區(qū)別在于RAID 3使用簡單的奇偶校驗，并用單塊磁盤存放奇偶校驗信息。如果一塊磁盤失效，奇偶盤及其他數(shù)據(jù)盤可以重新產(chǎn)生數(shù)據(jù)；如果奇偶盤失效則不影響數(shù)據(jù)使用。RAID 3對于大量的連續(xù)數(shù)據(jù)可提供很好的傳輸率，但對于隨機數(shù)據(jù)來說，奇偶盤會成為寫操作的瓶頸。 RAID

6、60;4：RAID 4同樣也將數(shù)據(jù)條塊化并分布于不同的磁盤上，但條塊單位為塊或記錄。RAID 4使用一塊磁盤作為奇偶校驗盤，每次寫操作都需要訪問奇偶盤，這時奇偶校驗盤會成為寫操作的瓶頸，因此RAID 4在商業(yè)環(huán)境中也很少使用。 RAID 5：RAID 5不單獨指定的奇偶盤，而是在所有磁盤上交叉地存取數(shù)據(jù)及奇偶校驗信息。在RAID 5上，讀/寫指針可同時對陣列設備進行操作，提供了更高的數(shù)據(jù)流量。RAID 5更適合于小數(shù)據(jù)塊和隨機讀寫的數(shù)據(jù)。RAID 3與RAID 5相比，最主要的區(qū)別在于RAID 

7、3每進行一次數(shù)據(jù)傳輸就需涉及到所有的陣列盤；而對于RAID 5來說，大部分數(shù)據(jù)傳輸只對一塊磁盤操作，并可進行并行操作。在RAID 5中有“寫損失”，即每一次寫操作將產(chǎn)生四個實際的讀/寫操作，其中兩次讀舊的數(shù)據(jù)及奇偶信息，兩次寫新的數(shù)據(jù)及奇偶信息。 RAID 6：與RAID 5相比，RAID 6增加了第二個獨立的奇偶校驗信息塊。兩個獨立的奇偶系統(tǒng)使用不同的算法，數(shù)據(jù)的可靠性非常高，即使兩塊磁盤同時失效也不會影響數(shù)據(jù)的使用。但RAID 6需要分配給奇偶校驗信息更大的磁盤空間，相對于RAID 5有更大的“寫損失”，因此“寫性能”非

8、常差。較差的性能和復雜的實施方式使得RAID 6很少得到實際應用。 RAID 7：這是一種新的RAID標準，其自身帶有智能化實時操作系統(tǒng)和用于存儲管理的軟件工具，可完全獨立于主機運行，不占用主機CPU資源。RAID 7可以看作是一種存儲計算機（Storage Computer），它與其他RAID標準有明顯區(qū)別。除了以上的各種標準（如表1），我們可以如RAID 0+1那樣結合多種RAID規(guī)范來構筑所需的RAID陣列，例如RAID 5+3（RAID 53）就是一種應用較為廣泛的陣列形式。用戶一般可以通過靈活配置磁盤陣列來獲得更加

9、符合其要求的磁盤存儲系統(tǒng)。 開始時RAID方案主要針對SCSI硬盤系統(tǒng)，系統(tǒng)成本比較昂貴。1993年，HighPoint公司推出了第一款IDE-RAID控制芯片，能夠利用相對廉價的IDE硬盤來組建RAID系統(tǒng)，從而大大降低了RAID的“門檻”。從此，個人用戶也開始關注這項技術，因為硬盤是現(xiàn)代個人計算機中發(fā)展最為“緩慢”和最缺少安全性的設備，而用戶存儲在其中的數(shù)據(jù)卻常常遠超計算機的本身價格。在花費相對較少的情況下，RAID技術可以使個人用戶也享受到成倍的磁盤速度提升和更高的數(shù)據(jù)安全性，現(xiàn)在個人電腦市場上的IDE-RAID控制芯片主要出自HighPoint和Promise公司，此外還有一部分來自A

10、MI公司（如表2）。 面向個人用戶的IDE-RAID芯片一般只提供了RAID 0、RAID 1和RAID 0+1（RAID 10）等RAID規(guī)范的支持，雖然它們在技術上無法與商用系統(tǒng)相提并論，但是對普通用戶來說其提供的速度提升和安全保證已經(jīng)足夠了。隨著硬盤接口傳輸率的不斷提高，IDE-RAID芯片也不斷地更新?lián)Q代，芯片市場上的主流芯片已經(jīng)全部支持ATA 100標準，而HighPoint公司新推出的HPT 372芯片和Promise最新的PDC20276芯片，甚至已經(jīng)可以支持ATA 133標準的IDE硬盤。在主板廠商競爭加劇、

11、個人電腦用戶要求逐漸提高的今天，在主板上板載RAID芯片的廠商已經(jīng)不在少數(shù)，用戶完全可以不用購置RAID卡，直接組建自己的磁盤陣列，感受磁盤狂飆的速度 二.通過硬件控制芯片實現(xiàn)IDE RAID的方法 在RAID家族里，RAID 0和RAID 1在個人電腦上應用最廣泛，畢竟愿意使用4塊甚至更多的硬盤來構筑RAID 0+1或其他硬盤陣列的個人用戶少之又少，因此我們在這里僅就這兩種RAID方式進行講解。我們選擇支持IDE-RAID功能的升技KT7A-RAID主板，一步一步向大家介紹IDE-RAID的安裝。升技KT7A-RAID集成的是HighPoint

12、0;370芯片，支持RAID 0、1、0+1。 做RAID自然少不了硬盤，RAID 0和RAID 1對磁盤的要求不一樣，RAID 1（Mirror）磁盤鏡像一般要求兩塊（或多塊）硬盤容量一致，而RAID 0（Striping）磁盤一般沒有這個要求，當然，選用容量相似性能相近甚至完全一樣的硬盤比較理想。為了方便測試，我們選用兩塊60GB的希捷酷魚硬盤（Barracuda ATA 、編號STA）。系統(tǒng)選用Duron 750MHz的CPU，2×128MB樵風金條SDRAM，耕升GeForce2 Pro

13、顯卡，應該說是比較普通的配置，我們也希望借此了解構建RAID所需的系統(tǒng)要求。1.RAID 0的創(chuàng)建 第一步 首先要備份好硬盤中的數(shù)據(jù)。很多用戶都沒有重視備份這一工作，特別是一些比較粗心的個人用戶。創(chuàng)建RAID對數(shù)據(jù)而言是一項比較危險的操作，稍不留神就有可能毀掉整塊硬盤的數(shù)據(jù)，我們首先介紹的RAID 0更是這種情況，在創(chuàng)建RAID 0時，所有陣列中磁盤上的數(shù)據(jù)都將被抹去，包括硬盤分區(qū)表在內。因此要先準備好一張帶Fdisk與Format命令的Windows 98啟動盤，這也是這一步要注意的重要事項。 第二步 將兩塊硬盤的跳線設置為Master，分別接上升技K

14、T7A-RAID的IDE3、IDE4口（它們由主板上的HighPoint370芯片控制）。由于RAID 0會重建兩塊硬盤的分區(qū)表，我們就無需考慮硬盤連接的順序（下文中我們會看到在創(chuàng)建RAID 1時這個順序很重要）。 第三步 對BIOS進行設置，打開ATA RAID CONTROLLER。我們在升技KT7A-RAID主板的BIOS中進入INTEGRATED PERIPHERALS選項并開啟ATA100 RAID IDE CONTROLLER。升技建議將開機順序全部改為ATA 100 RAID，實際

15、我們發(fā)現(xiàn)這在系統(tǒng)安裝過程中并不可行，難道沒有分區(qū)的硬盤可以啟動嗎？因此我們仍然設置軟驅作為首選項。 第四步 接下來的設置步驟是創(chuàng)建RAID 0的核心內容，我們以圖解方式向大家詳細介紹： 1.系統(tǒng)BIOS設置完成以后重啟電腦，開機檢測時將不會再報告發(fā)現(xiàn)硬盤。 2.磁盤的管理將由HighPoint 370芯片接管。 3.下面是非常關鍵的HighPoint 370 BIOS設置，在HighPoint 370磁盤掃描界面同時按下“Ctrl”和“H”。 4.進入HighPoint 370 BIOS設置界面后第一個要做的工作就是選擇“C

16、reate RAID”創(chuàng)建RAID。 5.在“Array Mode（陣列模式）”中進行RAID模式選擇，這里能夠看到RAID 0、RAID 1、RAID 0+1和Span的選項，在此我們選擇了RAID 0項。 6.RAID模式選擇完成會自動退出到上一級菜單進行“Disk Drives（磁盤驅動器）”選擇，一般來說直接回車就行了。 7.下一項設置是條帶單位大小，缺省值為64kB，沒有特殊要求可以不予理睬。8.接著是“Start Create（開始創(chuàng)建）”的選項，在你按下“Y”之前，請認真想想是否還有重要的數(shù)據(jù)留在硬盤

17、上，這是你最后的機會！一旦開始創(chuàng)建RAID，硬盤上的所有數(shù)據(jù)都會被清除。 9.創(chuàng)建完成以后是指定BOOT啟動盤，任選一個吧。 按“Esc”鍵退出，當然少不了按下“Y”來確認一下。 HighPoint 370 BIOS沒有提供類似“Exit Without Save”的功能，修改設置后是不可逆轉的 第五步  再次重啟電腦以后，我們就可以在屏幕上看到“Striping（RAID 0）for Array #0”字樣了。插入先前制作的啟動盤，啟動DOS。打開Fdisk程序，咦？怎么就一個硬盤可見？是的，RAID陣列已經(jīng)整個

18、被看作了一塊硬盤，對于操作系統(tǒng)而言，RAID完全透明，我們大可不必費心RAID磁盤的管理，這些都由控制芯片完成。接下來按照普通單硬盤方法進行分區(qū)，你會發(fā)現(xiàn)“這個”硬盤的容量“變”大了，仔細算算，對，總容量就是兩塊硬盤相加的容量！我們可以把RAID 0的讀寫比喻成拉鏈，它把數(shù)據(jù)分開在兩個硬盤上，讀取數(shù)據(jù)會變得更快，而且不會浪費磁盤空間。在分區(qū)和格式化后千萬別忘了激活主分區(qū)。 第六步 選擇操作系統(tǒng)讓我們頗費周折，HighPoint370芯片提供對Windows98/NT/2000/XP的驅動支持，考慮到使RAID功能面向的是相對高級的用戶，所以我們選擇了對新硬件支持更好的Windows&

19、#160;XP Professional英文版（采用英文版系統(tǒng)主要是為了方便后面的Winbench測試，大家自己使用RAID完全可以用中文版的操作系統(tǒng)），Windows 2000也是一個不錯的選擇，但是硬件支持方面顯然不如Windows XP Professional。 第七步 對于采用RAID的電腦，操作系統(tǒng)的安裝和普通情況下不一樣，讓我們看看圖示，這是在Windows XP完成第一步“文件復制”重啟以后出現(xiàn)的畫面，安裝程序會以英文提示“按下F6安裝SCSI設備或RAID磁盤”，這一過程很短，而且用戶往往會忽視屏幕下方的提示。 按下F6后出現(xiàn)

20、安裝選擇，選擇“S”將安裝RAID控制芯片驅動，選擇“Enter”則不安裝。 按下“S”鍵會提示插入RAID芯片驅動盤。 鍵入回車，安裝程序自動搜索驅動盤上的程序，選擇“WinXP”那一個并回車。 如果所提供的版本和Windows XP Profesional內置的驅動版本不一致，安裝程序會給出提示讓用戶進行選擇。 按下“S”會安裝軟盤所提供的而按下“Enter”則安裝Windows XP Professional 自帶的驅動。按下“S”后又需要確認，這次是按“Enter”（這個確認太多了，呵呵）。接下來是正常的系統(tǒng)安裝，和普通安裝沒有任何區(qū)別。 RAI

21、D 0的安裝設置我們就介紹到這里，下面我們會談談RAID 1的安裝。與RAID 0相比，RAID 1的安裝過程要簡單許多，在正確操作的情況下不具破壞性。 2.RAID 1的創(chuàng)建 雖然在原理上和RAID 0完全不一樣，但RAID 1的安裝設置過程卻與RAID 0相差不多，主要區(qū)別在于HighPoint 370 BIOS里的設置。為了避免重復，我們只向大家重點介紹這部分設置： 進入HighPoint 370 BIOS后選擇“Create RAID”進行創(chuàng)建: 1.在“A

22、rray Mode”上點擊回車，在RAID模式選擇中選擇第二項“Mirror（RAID 1）for Data Security（為數(shù)據(jù)源盤創(chuàng)建鏡像）”。 2.接著是源盤的選擇，我們再次提醒用戶：務必小心，不要選錯。 3.然后是目標盤的選擇，也就是我們所說的鏡像盤或備份盤。 4.然后開始創(chuàng)建。 5.創(chuàng)建完成以后BIOS會提示進行鏡像的制作，這一過程相當漫長。 6.我們用了大約45分鐘才完成60GB的鏡像制作，至此RAID 1創(chuàng)建完成。RAID 1會將主盤的數(shù)據(jù)復制到鏡像盤，因此在構建RAID 1時需要特別小心，千萬不要把主盤和

23、鏡像盤弄混，否則結果將是悲劇性的。RAID 1既可在兩塊無數(shù)據(jù)的硬盤上創(chuàng)建，也能夠在一塊已經(jīng)安裝操作系統(tǒng)的硬盤上添加，比RAID 0方便多了（除了漫長的鏡像制作過程）。創(chuàng)建完成以后我們試著將其中一塊硬盤拔下，HighPoint370 BIOS給出了警告，按下“Esc”，另一塊硬盤承擔起了源盤的重任，所有數(shù)據(jù)完好無損。 對于在一塊已經(jīng)安裝操作系統(tǒng)的硬盤上添加RAID 1，我們建議的步驟是：打開BIOS中的控制芯片啟動操作系統(tǒng)安裝HighPoint 370驅動關機將源盤和鏡像盤接在IDE3、4口進入HighPoint 370 B

24、IOS設置RAID 1（步驟見上文介紹）重啟系統(tǒng)完成創(chuàng)建。 我們對兩種RAID進行了簡單的測試，雖然RAID 0的測試成績讓人有些不解，但是實際使用中仍然感覺比單硬盤快了很多，特別是Windows XP Professional的啟動異常迅速，進度條一閃而過。至于傳輸率曲線出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，我們估計和平臺選擇有一些關系，畢竟集成芯片在進行這種高數(shù)據(jù)吞吐量的工作時非常容易被干擾。不過即使是這樣，我們也看到RAID 0系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率達到了非常高的水平，一度接近60MB/s。與RAID 0相比，RAID 1系統(tǒng)的性能雖然相對單磁

25、盤系統(tǒng)沒有什么明顯的改善，但測試中我們發(fā)現(xiàn)RAID 1的工作曲線顯得非常穩(wěn)定，很少出現(xiàn)波動的情況。再看看Winbench99 2.0中的磁盤測試成績，一目了然。 對用戶和操作系統(tǒng)而言，RAID 0和1是透明不影響任何操作的，我們就像使用一塊硬盤一樣。 三、用軟件方法實現(xiàn)RAID  除了使用RAID卡或者主板所帶的芯片實現(xiàn)磁盤陣列外，我們在一些操作系統(tǒng)中可以直接利用軟件方式實現(xiàn)RAID功能，例如Windows 2000/XP中就內置了RAID功能。 在了解Windows 2000/XP的軟件RAID功能之前，我們首先來看看Windows

26、 2000中的一項功能動態(tài)磁盤管理。 動態(tài)磁盤與基本磁盤相比，不再采用以前的分區(qū)方式，而是叫卷集，它的作用其實和分區(qū)相一致，但是具有以下區(qū)別： 1.可以任意更改磁盤容量 動態(tài)磁盤在不重新啟動計算機的情況下可更改磁盤容量大小，而且不會丟失數(shù)據(jù)，而基本磁盤如果要改變分區(qū)容量就會丟失全部數(shù)據(jù)（當然也有一些特殊的磁盤工具軟件可以改變分區(qū)而不會破壞數(shù)據(jù)，如PQMagic等）。 2.磁盤空間的限制 動態(tài)磁盤可被擴展到磁盤中不連續(xù)的磁盤空間，還可以創(chuàng)建跨磁盤的卷集，將幾個磁盤合為一個大卷集。而基本磁盤的分區(qū)必須是同一磁盤上的連續(xù)空間，分區(qū)的最大容量當然也就是磁盤的容量。 3.卷集或分區(qū)個數(shù) 動態(tài)磁

27、盤在一個磁盤上可創(chuàng)建的卷集個數(shù)沒有限制，相對的基本磁盤在一個磁盤上最多只能分4個區(qū)，而且使用DOS或Windows 9X時只能分一個主分區(qū)和擴展分區(qū)。 *這里一定要注意，動態(tài)磁盤只能在Windows NT/2000/XP系統(tǒng)中使用，其他的操作系統(tǒng)無法識別動態(tài)磁盤。 因為大部分用戶的磁盤都是基本磁盤類型，為了使用軟件RAID功能，我們必須將其轉換為動態(tài)磁盤：控制面板管理工具計算機管理磁盤管理，在查看菜單中將其中的一個窗口切換為磁盤列表。這時我們就可以通過右鍵菜單將選擇磁盤轉換為動態(tài)磁盤。 在劃分動態(tài)卷時會可以看到這樣幾個類型的動態(tài)卷。 1.簡單卷：包含單一磁盤上的磁盤空間，和

28、分區(qū)功能一樣。 （當系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的動態(tài)磁盤并且兩個磁盤上都有未分配的空間時，我們能夠選擇如下的兩種分卷方式）2.跨區(qū)卷：跨區(qū)卷將來自多個磁盤的未分配空間合并到一個邏輯卷中。 3.帶區(qū)卷：組合多個（2到32個）磁盤上的未分配空間到一個卷。 （如果如上所述系統(tǒng)中的兩個動態(tài)磁盤容量一致時，我們會看到另一個分區(qū)方式） 4.鏡像卷：單一卷兩份相同的拷貝，每一份在一個硬盤上。即我們常說的RAID 1。 當我們擁有三個或三個以上的動態(tài)磁盤時，我們就可以使用更加復雜的RAID方式RAID 5，此時在分卷界面中會出現(xiàn)新的分卷形式。 5.RAID 5卷：相當于帶奇偶校驗的帶

29、區(qū)卷，即RAID 5方式。 對于大部分的個人電腦用戶來說，構建RAID 0是最經(jīng)濟實用的陣列形式，因此我們在這里僅就軟件RAID 0的構建進行講解： 要在Windows 2000/XP中使用軟件RAID 0，首先必須將準備納入陣列的磁盤轉換為上文所述的動態(tài)磁盤（這里要注意的是，Windows 2000/XP的默認磁盤管理界面中不能轉換基本磁盤和動態(tài)磁盤，請參考上文中的描述），我們在這里嘗試使用分區(qū)的條帶化，這也正是軟件RAID和使用RAID芯片構建磁盤陣列的區(qū)別。我們選取了一個29GB的分區(qū)進行劃分帶區(qū)卷，在劃分帶區(qū)卷區(qū)時，系統(tǒng)會要求一個對應的分區(qū)，也就是說這時其他的動態(tài)磁盤上必須要有同樣29GB或更大的未分配空間，帶區(qū)卷分配完成后，兩個同樣大小的分卷將被系統(tǒng)合并，此時我們的格式化等操作也是同時在兩個磁盤上進行。 在構建RAID 0完成后，我們決定測試其硬盤傳輸率以確定這種軟件RAID對性能的提升程度，我們構建軟件RAID的平臺和前文中的硬件RAID平臺并不相同，為了保證CPU的性能以確保我們軟件RAID的實現(xiàn)，我們采用了較高