本頁使用了標題或全文手工轉換

RAID

維基百科,自由的百科全書
跳到: 導覽搜尋
Nuvola devices raid.png

獨立磁盘冗餘陣列RAID, Redundant Array of Independent Disks),舊稱廉價磁盤冗餘陣列Redundant Array of Inexpensive Disks),簡稱磁碟陣列。其基本思想就是把多個相對便宜的硬碟組合起來,成為一個硬碟陣列組,使效能達到甚至超過一個價格昂貴、容量巨大的硬碟。根據選擇的版本不同,RAID比單顆硬碟有以下一個或多個方面的好處:增強數據整合度,增強容錯功能,增加處理量或容量。另外,磁碟陣列對於電腦來說,看起來就像一個單獨的硬碟或邏輯存儲單元。分為RAID-0,RAID-1,RAID-1E,RAID-5,RAID-6,RAID-7,RAID-10,RAID-50,RAID-60。

簡單來說,RAID把多個硬碟組合成為一個邏輯磁區,因此,作業系統只會把它當作一個硬碟。RAID常被用在伺服器電腦上,並且常使用完全相同的硬碟作為組合。由於硬碟價格的不斷下降與RAID功能更加有效地與主機板整合,它也成為玩家的一個選擇,特別是需要大容量儲存空間的工作,如:視訊與音頻製作。

最初的RAID分成不同的等級,每種等級都有其理論上的優缺點,不同的等級在兩個目標間取得平衡,分別是增加數據可靠性以及增加記憶體(群)讀寫效能。這些年來,出現對於RAID觀念不同的應用。

磁碟陣列比較表[編輯]

RAID等級 最少硬碟 最大容錯 可用容量 讀取效能 寫入效能 安全性 目的 應用產業
單一硬碟 (參考) 0 1 1 1
JBOD 1 0 n 1 1 無(同RAID 0) 增加容量 個人(暫時)儲存備份
0 2 0 n n n 一個硬碟異常,全部硬碟都會異常 追求最大容量、速度 影片剪接快取用途
1 2 n-1 1 n 1 最高,一個正常即可 追求最大安全性 個人、企業備份
5 3 1 n-1 n-1 n-1 追求最大容量、最小預算 個人、企業備份
6 4 2 n-2 n-2 n-2 安全性較RAID 5高 同RAID 5,但較安全 個人、企業備份
10 4 n/2 n/2 n n/2 安全性高 綜合RAID 0/1優點,理論速度較快 大型數據庫、伺服器

1. n代表硬碟總數
2. JBOD可接到現有硬碟,直接增加容量

標準RAID[編輯]

RAID 0[編輯]

RAID 0

RAID 0亦稱為帶區集。它將兩個以上的磁盤並聯起來,成為一個大容量的磁盤。在存放數據時,分段後分散儲存在這些磁盤中,因為讀寫時都可以並列處理,所以在所有的級別中,RAID 0的速度是最快的。但是RAID 0既沒有冗餘功能,也不具備容錯能力,如果一個磁盤(物理)損壞,所有數據都會遺失,危險程度與JBOD相當。

RAID 1[編輯]

RAID 1

兩組以上的N個磁盤相互作鏡像,在一些多執行緒作業系統中能有很好的讀取速度,理論上讀取速度等於硬碟數量的倍數,與RAID 0相同。另外寫入速度有微小的降低。只要一個磁盤正常即可維持運作,可靠性最高。其原理為在主硬碟上存放數據的同時也在鏡像硬碟上寫一樣的數據。當主硬碟(物理)損壞時,鏡像硬碟則代替主硬碟的工作。因為有鏡像硬碟做數據備份,所以RAID 1的數據安全性在所有的RAID級別上來說是最好的。但無論用多少磁碟做RAID 1,僅算一個磁碟的容量,是所有RAID中磁盤利用率最低的一個級別。

如果用兩個不同大小的磁碟建RAID 1,可用空間為較小的那個磁碟,較大的磁碟多出來的空間也可以分割成一個區來使用,不會造成浪費。


RAID 2[編輯]

RAID 2

這是RAID 0的改良版,以漢明碼(Hamming Code)的方式將數據進行編碼後分割為獨立的位元,並將數據分別寫入硬碟中。因為在數據中加入了錯誤修正碼(ECC,Error Correction Code),所以數據整體的容量會比原始數據大一些,RAID2最少要三台磁碟機方能運作。

RAID 3[編輯]

RAID 3

採用Bit-interleaving(數據交錯儲存)技術,它需要通過編碼再將數據比特分割後分別存在硬碟中,而將同位元檢查後單獨存在一個硬碟中,但由於數據內的比特分散在不同的硬碟上,因此就算要讀取一小段數據資料都可能需要所有的硬碟進行工作,所以這種規格比較適於讀取大量數據時使用。

RAID 4[編輯]

RAID 4

它與RAID 3不同的是它在分割時是以區段為單位分別存在硬碟中,但每次的數據存取都必須從同位元檢查的那個硬碟中取出對應的同位元數據進行核對,由於過於頻繁的使用,所以對硬碟的損耗可能會提高。(塊交織技術,Block interleaving)

RAID 5[編輯]

RAID 5

RAID Level 5是一種儲存效能、數據安全和儲存成本兼顧的儲存解決方案。它使用的是Disk Striping(硬碟分割)技術。RAID 5至少需要三塊硬碟,RAID 5不是對儲存的數據進行備份,而是把數據和相對應的奇偶校驗資訊儲存到組成RAID5的各個磁盤上,並且奇偶校驗資訊和相對應的數據分別儲存於不同的磁盤上。當RAID5的一個磁盤數據發生損壞後,可以利用剩下的數據和相應的奇偶校驗資訊去恢復被損壞的數據。RAID 5可以理解為是RAID 0和RAID 1的折衷方案。RAID 5可以為系統提供數據安全保障,但保障程度要比鏡像低而磁盤空間利用率要比鏡像高。RAID 5具有和RAID 0相近似的數據讀取速度,只是因為多了一個奇偶校驗資訊,寫入數據的速度相對單獨寫入一塊硬碟的速度略慢,若使用「回寫快取」可以讓效能改善不少。同時由於多個數據對應一個奇偶校驗資訊,RAID 5的磁盤空間利用率要比RAID 1高,儲存成本相對較便宜。

RAID 6[編輯]

RAID 6

與RAID 5相比,RAID 6增加第二個獨立的奇偶校驗資訊塊。兩個獨立的奇偶系統使用不同的演算法,數據的可靠性非常高,任意兩塊磁盤同時失效時不會影響數據完整性。RAID 6需要分配給奇偶校驗資訊更大的磁盤空間和額外的校驗計算,相對於RAID 5有更大的IO操作量和計算量,其「寫效能」強烈取決於具體的實現方案,因此RAID6通常不會通過軟件方式來實現,而更可能通過硬件/韌體方式實現。

同一陣列中最多容許兩個磁盤損壞。更換新磁盤後,數據將會重新算出並寫入新的磁盤中。依照設計理論,RAID 6必須具備四個以上的磁盤才能生效。

可使用的容量為硬碟總數減去2的差,乘以最小容量,公式為:

同理,數據保護區域容量則為最小容量乘以2。

RAID 6在硬件磁碟陣列卡的功能中,也是最常見的磁碟陣列等級。

實現[編輯]

Storage Networking Industry Association (SNIA)對於RAID 6的定義是:"在任意兩塊磁盤同時失效的情況下,仍然能夠對RAID中的所有虛擬磁盤執行如寫操作的RAID實現。迄今已經有:(奇偶里德-所羅門)雙校驗、正交雙奇偶校驗 和 對角奇偶校驗等若干方法用於實現RAID 6。"[1]


為了達到容忍任意兩塊磁盤失效的目的,需要計算兩種不同的綜合解碼。其中之一是P,可以象RAID 5那樣經過簡單的異或計算獲得,而另一個不同的綜合編碼則比較複雜,需要利用域理論來解決。

要解決這個問題,需要引入一個伽羅瓦域,對於一個合適的k次不可約多項式。一塊數據可以二進制形式記作,其中是 0 或者 1,對應着伽羅瓦域中的元素。令對應磁盤條帶中的數據,以這種方式編碼成域中的元素(實際上可能會切分成位元組大小的塊)。如果是域的某個生成元,且 表示域中的加法、並列表示域中的乘法的話,則 的計算可以表示為( 表示數據磁盤的編號):

對於電腦科學知識背景的人士,比較容易理解的方法是把 看作是異或運算、把 看作對一塊數據進行線性反饋移位暫存器操作的結果。於是上述公式[2]P的計算就是對每個條帶進行異或。這是因為對於任何二階有限域而言,加法其實就是異或。Q的計算則是對每個條帶進行移位運算之後的結果進行異或。

如果一塊數據磁盤失效了,數據可以象 RAID 5 一樣重新計算出來。如果兩塊數據磁盤或者一塊數據磁盤和一塊包含P的磁盤失效了,數據可以通過PQ(或者僅通過 Q)通過更加複雜的過程重新計算出來,計算的過程需要用到域論,非常複雜。而如果 () 兩塊數據盤遺失了,使用 的其他資訊可以求出 ,而

的等式的兩端同時乘以 ,並加到前面的等式中就可以得到 ,就可以求出 , 進一步就可以求出

與計算 P 相比,對 Q 的計算要更加消耗CPU。所以軟件方式實現的 RAID 6 對於系統效能會有明顯的影響,而硬件方案則相對複雜。

混合RAID[編輯]

JBOD[編輯]

JBOD

JBOD( Just a Bunch Of Disks)在分類上,JBOD並不是RAID的等級。由於並沒有規範,市場上有兩類主流的做法

  1. 使用單獨的連結埠如SATA、USB或1394同時控制多個各別獨立的硬碟,使用這種模式通常是較高階的裝置,還具備有RAID的功能,不需要依靠JBOD達到合併邏輯磁區的目的。
  2. 只是將多個硬碟空間合併成一個大的邏輯硬碟,沒有錯誤備援機制。

數據的存放機制是由第一顆硬碟開始依序往後存放,即作業系統看到的是一個大硬碟(由許多小硬碟組成的)。但如果硬碟損毀,則該顆硬碟上的所有數據將無法救回。若第一顆硬碟損壞,通常無法作救援(因為大部分檔案系統將磁碟分割表(partition table)存在磁碟前端,即第一顆),失去磁碟分割表即失去一切數據,若遭遇磁碟陣列數據或硬碟出錯的狀況,危險程度較RAID 0更劇。它的好處是不會像RAID,每次存取都要讀寫全部硬碟。但在部分的JBOD數據恢復實踐中,可以恢復未損毀之硬碟上的數據。同時,因為每次讀寫操作只作用於單一硬碟,JBOD的傳輸速率與I/O表現均與單顆硬碟無異。

RAID 7[編輯]

RAID 7並非公開的RAID標準,而是Storage Computer Corporation的專利硬件產品名稱,RAID 7是以RAID 3及RAID 4為基礎所發展,但是經過強化以解決原來的一些限制。另外,在實作中使用大量的快取記憶體以及用以實現非同步陣列管理的專用即時處理器,使得RAID 7可以同時處理大量的IO要求,所以效能甚至超越了許多其他RAID標準的實做產品。但也因為如此,在價格方面非常的高昂。[3]

RAID 10/01[編輯]

RAID 1+0
RAID 0+1

RAID 10是先鏡射再分割數據,再將所有硬碟分為兩組,視為是RAID 0的最低組合,然後將這兩組各自視為RAID 1運作。

RAID 01則是跟RAID 10的程式相反,是先分割再將數據鏡射到兩組硬碟。它將所有的硬碟分為兩組,變成RAID 1的最低組合,而將兩組硬碟各自視為RAID 0運作。

當RAID 10有一個硬碟受損,其餘硬碟會繼續運作。RAID 01只要有一個硬碟受損,同組RAID 0的所有硬碟都會停止運作,只剩下其他組的硬碟運作,可靠性較低。如果以六個硬碟建RAID 01,鏡射再用三個建RAID 0,那麼壞一個硬碟便會有三個硬碟離線。因此,RAID 10遠較RAID 01常用,零售主機板絕大部份支持RAID 0/1/5/10,但不支持RAID 01。

RAID 50[編輯]

RAID 50

RAID 5與RAID 0的組合,先作RAID 5,再作RAID 0,也就是對多組RAID 5彼此構成Stripe存取。由於RAID 50是以RAID 5為基礎,而RAID 5至少需要3顆硬碟,因此要以多組RAID 5構成RAID 50,至少需要6顆硬碟。以RAID 50最小的6顆硬碟組態為例,先把6顆硬碟分為2組,每組3顆構成RAID 5,如此就得到兩組RAID 5,然後再把兩組RAID 5構成RAID 0。

RAID 50在底層的任一組或多組RAID 5中出現1顆硬碟損壞時,仍能維持運作,不過如果任一組RAID 5中出現2顆或2顆以上硬碟損毀,整組RAID 50就會失效。

RAID 50由於在上層把多組RAID 5構成Stripe,效能比起單純的RAID 5高,容量利用率比RAID5要低。比如同樣使用9顆硬碟,由各3顆RAID 5再組成RAID 0的RAID 50,每組RAID 5浪費一顆硬碟,利用率為(1-3/9),RAID 5則為(1-1/9)。

RAID 53[編輯]

它擁有一個鏡射條帶陣列,硬碟裏其中一個條帶就是一個是由3組以上的RAID 5組成RAID 3硬碟陣列。

RAID 60[編輯]

raid 60

RAID 6與RAID 0的組合:先作RAID 6,再作RAID 0。換句話說,就是對兩組以上的RAID 6作Stripe存取。RAID 6至少需具備4顆硬碟,所以RAID 60的最小需求是8顆硬碟。

由於底層是以RAID 6組成,所以RAID 60可以容許任一組RAID 6中損毀最多2顆硬碟,而系統仍能維持運作;不過只要底層任一組RAID 6中損毀3顆硬碟,整組RAID 60就會失效,當然這種情況的概率相當低。

比起單純的RAID 6,RAID 60的上層透過結合多組RAID 6構成Stripe存取,因此效能較高。不過使用門檻高,而且容量利用率低是較大的問題。

應用[編輯]

RAID2、3、4較少實際應用,因為RAID5已經涵蓋了所需的功能,因此RAID2、3、4大多只在研究領域有實作,而實際應用上則以RAID5為主。

RAID4有應用在某些商用機器上,像是NetApp公司設計的NAS系統就是使用RAID4的設計概念。

種類[編輯]

根據實現模式,分為軟件和硬件兩種:[4][5]

軟件磁碟陣列(Software RAID):
主要由CPU處理陣列儲存作業,缺點為耗損較多CPU資源運算RAID,優點則是價格偏低。分類有3種:
  • 基於主機板的磁碟陣列:只需要主機板支持即可(通常是晶片組內建的RAID功能,如Intel Matrix RAID),不需要任何磁碟陣列卡。若主機板損壞,可能難以購買同款主機板重建RAID。
  • 硬件輔助磁碟陣列(Hardware-Assisted RAID):需要一張基於Fake RAID的RAID卡,以及廠商所提供的驅動程式,但此類RAID卡仍然通過CPU進行運算。這款RAID較易遷移到其他電腦。RAID功能靠執行於作業系統的廠商驅動程式和CPU運算提供。
  • 作業系統的RAID功能:LinuxFreeBSDWindows Server等作業系統內建RAID功能,部分桌面版本的Windows也支持RAID功能。
硬件磁碟陣列(Hardware RAID)
RAID卡上內建處理器,不需要伺服器的CPU運算。優點是讀寫效能最快,不佔用伺服器資源,可用於任何作業系統,也能在系統斷電後,透過備份電池模組(BBU, Backup Battery Unit)以及非揮發性記憶體 (NVRAM)將硬碟讀寫日誌檔(Journal)包含的剩餘讀寫作業先紀錄在記憶體中,等待電力供應復原後,再由NVRAM取回日誌檔數據,接着再完成讀寫作業,將剩餘讀寫作業安全完成以確保讀寫完整性。備份電池模組通常會配合陣列卡的Write-Back快取模式,藉由此記憶體快取讀寫作業以得到更高的讀寫效能;但是沒有備份電池模組的硬件磁碟陣列卡,切勿使用Write-Back快取模式以免遭遇斷電情形導致讀寫數據流失。此外,因為硬件磁碟陣列卡搭載內建處理器,所以可以與系統分離出來,對硬碟進行各種作業,還原作業的速度也比軟件磁碟陣列快。缺點是其售價很高,通常只用於RAID 5和RAID 6。

磁碟陣列相關客戶類型[編輯]

  • 一般消費者備份數據之用、企業建立ERP系統或NAS系統時的重要數據備份。
  • 影音多媒體數碼內容創作公司、個人影音剪輯數碼內容工作室。
  • 數碼監控系統(DVR)、網絡監控系統(NVR)等等需要大量儲存影片的監控系統業者,軍方、賭場因為需要大量監控系統也是常見使用磁碟陣列的客戶。
  • 證券、銀行等金融行業保管重要客戶數據。

參考數據[編輯]

  1. ^ Dictionary R. SNIA.org. Storage Networking Industry Association. [2007-11-24]. 
  2. ^ Anvin, H. Peter. The Mathematics of RAID-6 (PDF). Kernel.org. Linux Kernel Organization. May 21, 2009 [November 4, 2009]. 
  3. ^ RAID Level 7
  4. ^ OSS LAB網站利用Adaptec公司的說明文件,為軟、硬碟RAID提出的說明。http://www.osslab.com.tw/Storage/Enterprise/SAS[失效連結] 與RAID/SAS%2F%2FSATA_HBA資訊/RAID_HBA與架構評述
  5. ^ Adaptec公司為Hardware/Software RAID提出差異與說明。http://www.adaptec.com/nr/rdonlyres/14b2fd84-f7a0-4ac5-a07a-214123ea3dd6/0/4423_sw_hwraid_10.pdf

外部連結[編輯]