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RAID磁盤陣列您了解多少?


什么是RAID?

RAID其本意是“價格便宜且具有冗余能力的磁盤陣列”。最早是由加利福尼亞大學伯克利分校在1987年提出的概念。其原理是由多塊小容量的硬盤組合成一個大型的磁盤組,配合數據分散存儲的設計提高了數據讀寫的速度。同時在數據寫入陣列后,會生成冗余校驗(raid 0不具有)提高了整體的安全性。

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(磁盤陣列)

RAID的優勢

(1)  數據傳輸速度快

磁盤陣列一般都采用機械硬盤,大多使用SAS接口的硬盤,SAS接口也稱之為“串口”。在SAS盤被采用之前,磁盤陣列多采用SCSI接口硬盤,可稱之“并口”硬盤。隨著人們對數據存儲的更高需求,目前SCSI硬盤也早已成為了歷史。

無論是什么接口的機械硬盤,其物理結構大致相同,由數據的載體“盤片”、讀寫數據的“磁頭組件”、帶動磁頭擺動的“音圈電機”、帶動盤片旋轉的“主軸電機”及“數據線接口”組成。如圖。

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(硬盤物理結構)

從邏輯層面,機械硬盤由“扇區”、“磁道”、“柱面”等組成。用戶在向硬盤中寫入數據時,首先由磁頭在盤片上進行“尋道”,定位到空白磁道后才會將要寫入的內容從緩存芯片讀出寫入到指定磁道中。寫滿一條磁道后,再次尋道繼續寫入。這無形中就會增加數據讀寫的時間。

而使用磁盤陣列進行數據存儲,數據都是以“條帶”的形式分別存儲在多塊成員盤上。也就是在第一塊盤寫入數據的同時,其他成員盤開始尋道,并等待著數據的寫入。所以在使用磁盤陣列進行數據寫入時的速度要比單塊硬盤速度快,這就是其中的原因之一。目前SAS接口的硬盤理論速度可達12Gb/S。

(2)  數據的安全性高

前文有提到磁盤陣列一般都會采用冗余校驗機制,比如RAID5級別的磁盤陣列,其中一塊成員盤故障后RAID組會自動踢出該故障盤,剩余的成員盤由RAID組自動進行Rebuild操作校驗出故障成員盤丟失的數據,并將數據存儲在其余成員盤中。

再比如RAID 1,成員盤之間甚至采用完全備份的方式進行數據存儲,從而大大提高了RAID系統的容錯度,提高系統安全性。

(3)  日常維護簡單

采用SAS接口的硬盤其穩定性非常有保障,甚至可以做到7*24小時不間斷工作5年以上。

目前使用較多的RAID級別為RAID 5和RAID 6,對于數據安全要求較高的一般采用RAID 1、RAID 10/0+1等。上文提到RAID5級別的磁盤陣列允許其中一塊成員盤故障離線,而RAID6級別的磁盤陣列允許最多2塊成員盤離線。在發現有成員盤故障后,可使用同參數或高于的硬盤進行替換。而且在部署磁盤陣列時還可以選擇加入“熱備”硬盤。所以從日常維護角度還是比較容易的。

 

RAID級別

RAID 0

RAID 0又稱之為“Stripe”,條帶式存儲之意。也是所有RAID級別中性能最高的。在進行數據存儲時,將連續的數據分散到所有成員盤中,以相同扇區大小為單位形成一個數據存儲塊。如圖。

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(RAID 0結構)

需要注意的是,采用RAID 0雖然存儲速度非常快,但由于沒有校驗冗余所以數據安全無法得到保障。如果任意一塊成員盤故障則整個磁盤陣列將無法繼續工作,甚至有可能絕大部分數據無法恢復。

RAID 1

RAID 1上文介紹過,成員盤之間采用備份的形式,所以也稱之為“Mirror”。是所有RAID級別中安全性最高的。很明顯安全性得到了保障,但數據的存儲成本也成倍增加,并且存儲性能沒有任何提升。所以一般應用于存放極為重要的數據。

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(RAID 1結構)

了解了RAID 0及RAID 1,還有兩種RAID級別分別是RAID 10(RAID壹零,不讀RAID拾)和RAID 0+1。其結構就是將RAID 0與RAID 1進行結合。在此不過多介紹,感興趣的小伙伴可以自行研究一下。如圖。

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(RAID 10)

RAID 5

與其他RAID級別的磁盤陣列的結構相同,也是將數據以塊為單位的形式分別存儲在所有成員盤中,RAID 5相比以上兩種RAID級別的區別在于加入了校驗冗余,其算法為異或運算XOR。其符號表示為+。得出的校驗結果被分散存儲在所有成員盤中。如圖。

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(RAID 5)

其中A1、A2、A3為順序寫入的數據塊,3號成員盤第一個循環中的第一個條帶Ap為校驗帶,同理,Bp、Cp、Dp均為校驗塊,分散存儲在所有成員盤中。

根據校驗的方向可以將RAID 5分為“左循環”和“右循環”;根據數據的存儲順序可以分為“同步”和“異步”。所有就有了RAID 5的四種類型,分別為“左同步”、“左異步”、“右同步”和“右異步”。如圖。

RAID 5左同步(Left Synchronous)

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(左同步結構)

RAID 5左異步(Left Asynchronous)

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(左異步結構)

RAID 5右同步(Right Synchronous)

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(右同步結構)

RAID 5右異步(Right Synchronous)

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(右異步結構)

這里有個小常識,比如一組磁盤陣列級別為RAID 5,由4塊單盤2TB的硬盤組成,沒有設置熱備硬盤。那么請問該磁盤陣列可用的容量是多少?答案是6TB,而不是4*2TB=8TB。因為RAID 5中有校驗冗余,在數據滿載的情況下,雖然每個校驗分散在所有成員盤中,但所有校驗塊加起來正好是一塊盤的容量。

由存儲結構可以看出,RAID 5結構的磁盤陣列由于加入了校驗冗余,所以允許其中一塊成員盤離線。在實際的案件分析中遇到數據“不新鮮”的情況,也會經常用到“缺盤”重組的方法。

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