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Raid技術白皮書(強烈推薦)

2016-04-23 15:26來源:中國存儲網
導讀:Raid技術白皮書全面介紹存儲設備中所使用的各種 RAID 級別,以及每種模式下為優化硬盤在 RAID 陣列中的速度、RAID 原理,各級別raid及應用場景,raid容量計算等。

RAID原理Raid 0Raid 1Raid2Raid 33+spareRaid 55+spareRaid 6 Raid 0+1 Raid 10 串聯 JBOD

 

RAID 原理

RAID是Redundant Array of Independent Disk縮寫(獨立冗余磁盤陣列,是一項能提升外部存儲解決方案性能的存儲虛擬化技術。它能讓您根據自己在性能、容錯能力、容量等方面的需要選擇最佳的設備使用方式。簡單地說,RAID 技術可以將一個硬盤上的任務分散或復制到多個(少則兩個)磁盤上,借此來提高性能或建立數據冗余以防驅動器發生故障。您可以通過設定設備的 RAID 模式來決定設備以何種方式處理數據。

本文將介紹存儲設備中所使用的各種 RAID 級別,以及每種模式下為優化硬盤在 RAID 陣列中的速度、安全性或存儲容量而使用的特性。

提醒:任何 RAID 配置都不能在軟件或文件系統損壞的情況下確保數據的可靠性。因此,中國存儲網www.zpxbal.live,建議定期進行備份,以便保護數據。

RAID 配置可讓多個硬盤驅動器以不同的方式(例如使用條帶技術或鏡像技術)組合成單一的運行單元。RAID 具備容量更大、可靠性更高、速度更快、吞吐量更大或數據集成能力更強等潛在優勢(或組合優勢),因此通常與同等級別的單一驅動器相比更為實惠。

RAID 級別

RAID 級別有許多種,各有各的限制和優點。選擇哪種 RAID 級別較為合適完全取決于用戶自身的需要。

RAID 0:條帶集 -(或條帶卷)將數據平均分布到兩個或兩個以上磁盤中,不帶冗余奇偶校驗信息。

RAID 1:鏡像集 – 在兩個或兩個以上磁盤上創建一組數據的鏡像或原樣副本,提供針對單一磁盤故障的保護。

RAID 0+1:條帶的鏡像 – 此種級別的 RAID 用于在多個磁盤之間共享和復制數據。

RAID 5:帶奇偶校驗的條帶集– 需要至少三個磁盤,將帶有奇偶校驗數據的數據塊級條帶分布到所有磁盤中,這是一種實現低價冗余的理想方法。

RAID 10:鏡像的條帶 – 有時也稱為 RAID 1+0,它與 RAID 0+1 類似,但既然 RAID 10 是鏡像的條帶,所以它與 RAID 0+1 恰好相反。

串聯:JBOD – “簡單磁盤捆綁”,是一種將多個磁盤組合成單一虛擬硬盤的常見方法,這種方法無法享受 RAID 優勢。

RAID 術語

為更好地了解 RAID 的工作方式,首先應熟悉以下術語:

條帶化是指將數據分到多個驅動器上。條帶 RAID 陣列通常用于將最大的容量合并到單個卷中。

鏡像是指將數據復制到多個磁盤上。鏡像 RAID 陣列通常能在陣列中有磁盤(至少一個)發生故障時確保數據不丟失,具體取決于陣列的 RAID 級別。

容錯可讓 RAID 陣列在磁盤發生故障時繼續工作(即用戶仍然可以使用陣列中存儲的數據)。不過,并不是所有鏡像 RAID 陣列都是用戶友好的。例如,有些 RAID 設備必須在關閉后才能更換發生故障的磁盤,而設備支持“熱插拔”式磁盤更換,因此可以在設備開啟、而且數據可供訪問的情況下更換故障磁盤。

標準的 RAID 級別

RAID 0

RAID 0(在某些設備中也稱為 FAST 模式)是速度最快的一種 RAID 模式。它需要至少兩個驅動器,并且會將數據分條到每個磁盤。所有磁盤的可用容量合在一起,成為計算機上的一個邏輯卷。一旦陣列中有一個物理磁盤發生故障,所有磁盤的數據都將不可訪問,因為有部分數據已被寫入所有磁盤。

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RAID 0 應用場景

RAID 0 是要求最高速度和最大容量的用戶的理想選擇。要處理超大型文件的視頻編緝人員可以使用 RAID 0 來編輯視頻的多個流,以達到最佳播放效果。RAID 0 陣列更適于在頻繁的文件處理(例如視頻編輯)中使用,不宜用作唯一的存儲備份解決方案,也不宜在關鍵任務系統中使用。

如何計算 RAID 0 的容量

RAID 0 系統中每個磁盤的容量都應相同。

在 RAID 級別 0 配置中,存儲容量的計算方式為驅動器數乘以磁盤容量,即 C = n*d,其中:

C = 可用容量

n = 磁盤數

d = 磁盤容量

例如,如果一個 RAID 0 陣列中包含四個驅動器,每個驅動器的容量為 1000GB,則陣列的總容量為 4000GB:

C = (4*1000)

RAID 1

RAID 1(在某些 設備中也稱為 SAFE 模式)是一種安全的 RAID 模式,它至少需要兩個驅動器,并且驅動器成對工作。計算機上將安裝一個邏輯卷,兩個驅動器合并后的可用容量限制為不超過最小磁盤的容量。如果其中一個物理磁盤出現故障,可以立即從第二個磁盤上獲取數據。即使一個磁盤出現故障,也不會丟失任何數據。

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RAID 1 應用場景

在一個磁盤出現故障時,RAID 1 可提供最高的數據安全性,但由于數據需寫入兩次,因此在寫入時性能會略有下降。在更注重安全性而非速度的情況下,RAID 1 是理想選擇。

如何計算 RAID 1 的容量

RAID 1 系統中每個磁盤的容量都應相同。

在 RAID 級別 1 配置中,存儲容量的計算方式為驅動器數乘以磁盤容量再除以 2,即

C = n*d/2

其中:

C = 可用容量

n = 磁盤數

d = 磁盤容量

例如,如果一個 RAID 1 陣列中包含四個驅動器,每個驅動器的容量為 1000GB,則陣列的總容量為 2,000GB:

C = (4*1000)/2

RAID 3

RAID 3 使用字節級別的條帶化技術,并采用專用的奇偶校驗磁盤(右側圖例中的磁盤 4),因此計算機上會安裝一個卷。RAID 3 陣列能在一個磁盤出現故障的情況下確保數據不丟失。如果一個物理磁盤出現故障,該磁盤上的數據可以重建到更換磁盤上。如果數據尚未重建到更換驅動器上,而此時又有一個磁盤出現故障,那么陣列中的所有數據都將丟失。

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RAID 3 應用場景

RAID 3 在要讀取連續的長文件(如視頻文件)的環境中可提供良好的數據安全性。由于數據是從奇偶校驗塊中讀取,因此磁盤故障不會導致服務中斷。RAID 3 適用于那些追求性能并要求持續訪問數據的用戶(如視頻編輯人員)。對于密集使用不連續文件的用戶來說,RAID 3 并非理想之選,因為專用的奇偶校驗磁盤會影響隨機讀取性能。

如何計算 RAID 3 的容量

RAID 3 系統中每個磁盤的容量都應相同。

在 RAID 級別 3 配置中,存儲容量的計算方式為驅動器數減一再乘以磁盤容量,即

C = (n-1)*d

其中:

C = 可用容量

n = 磁盤數

d = 磁盤容量

例如,如果一個 RAID 3 陣列中包含四個驅動器,每個驅動器的容量為 1000GB,則陣列的總容量為 3,000GB: 

C = (4-1)*1000

RAID 3+Spare

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RAID 3+Spare模式下,陣列中會有一個磁盤保持空置狀態。如果陣列中有驅動器發生故障,故障磁盤中的數據就會自動重建到空磁盤(或稱為“備用”磁盤)上。

RAID 3+Spare 應用場景

RAID 3+Spare模式下,磁盤故障不需要立即處理,因為系統會使用熱備用磁盤對自己進行重建,但故障磁盤還是應盡快更換。

如何計算 RAID 3+Space的容量

RAID 3+Spare系統中每個磁盤的容量都應相同。

RAID 3+Spare配置中,存儲容量的計算方式為驅動器數減二再乘以磁盤容量,即

C = (n-2)*d

其中:

C = 可用容量

n = 磁盤數

d = 磁盤容量

例如,如果一個 RAID 3+Spare陣列中包含四個驅動器,每個驅動器的容量為 1000GB,則陣列的總容量為 2,000GB:

C = (4-2)*1000

RAID 5

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RAID 5 綜合了 RAID 0 的條帶化技術以及陣列數據冗余技術(陣列最少包括三個磁盤)。

RAID 3 和 RAID 5 之間的區別在于,RAID 3 配置提供的性能更高,但總容量略低。數據會在所有磁盤之間分條,并且每個數據塊的奇偶校驗塊 (P) 寫入到同一條帶上。如果一個物理磁盤出現故障,該磁盤上的數據可以重建到更換磁盤上。單個磁盤出現故障時,數據不會丟失,但如果數據尚未重建到更換驅動器上,而此時又有一個磁盤出現故障,那么陣列中的所有數據都將丟失。

Raid 5 應用場景

RAID 5 綜合考慮了數據安全和磁盤空間充分利用這兩方面的因素。由于數據是從奇偶校驗塊中讀取,因此磁盤故障不會導致服務中斷。RAID 5 適用于歸檔,且適合那些追求性能并要求持續訪問數據的用戶(如視頻編輯人員)使用。

如何計算 RAID 5 的容量

RAID 5 系統中每個磁盤的容量都應相同。

在 RAID 級別 5 配置中,存儲容量的計算方式為驅動器數減一再乘以磁盤容量,即

C = (n-1)*d

其中:

C = 可用容量

n = 磁盤數

d = 磁盤容量

例如,如果一個 RAID 5 陣列中包含四個驅動器,每個驅動器的容量為 1000GB,則陣列的總容量為 3,000GB:

C = (4-1)*1000

RAID 5+Spare

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RAID 5+Spare是一種 RAID 5 陣列,其中有一個磁盤用作備用磁盤,用于在磁盤發生故障時立即重建系統。因此,至少需要四個磁盤。

如果一個物理磁盤發生故障,磁盤上的數據仍然可以訪問,因為數據是從奇偶校驗塊中讀取的。故障磁盤上的數據將重建到熱備用磁盤上。當故障磁盤更換后,更換的磁盤便成為新的熱備用磁盤。單個磁盤出現故障時,數據不會丟失,但如果系統尚未將數據重建到熱備用磁盤上,而此時又有一個磁盤出現故障,那么陣列中的所有數據都將丟失。

RAID 5+Spare應用場景

RAID 5+Spare的主要優點在于,在系統將數據重建至備用驅動器時用戶仍可以繼續訪問數據。它能提供良好的數據安全,但磁盤空間由于熱備用磁盤的存在(在其他磁盤出現故障之后才使用)而受到限制。磁盤故障不需要立即處理,因為系統會使用熱備用磁盤對自己進行重建,但故障磁盤還是應盡快更換。

如何計算 RAID 5+Space的容量

RAID 5+Spare系統中每個磁盤的容量都應相同。

RAID 5+Spare配置中,存儲容量的計算方式為驅動器數減二再乘以磁盤容量,即

C = (n-2)*d

其中:

C = 可用容量

n = 磁盤數

d = 磁盤容量

例如,如果一個 RAID 5+Spare陣列中包含四個驅動器,每個驅動器的容量為 1000GB,則陣列的總容量為 2,000GB:

C = (4-2)*1000

RAID 6

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在 RAID 6 中,數據會在所有磁盤(最少四個)間進行分條,并且每個數據塊的兩個奇偶校驗塊(如右圖中的 p 和 q)寫入到同一條帶上。如果一個物理磁盤出現故障,該磁盤上的數據可以重建到更換磁盤上。這種 RAID 模式最多允許兩個磁盤出故障而不丟失數據,而且它能更快地重建故障磁盤上的數據。

RAID 6應用場景

在驅動器出現故障時,RAID 6 能進行有效的重建,確保了數據的可靠性。為此,安全性要求較高,而性能要求不高的用戶可以選擇 RAID 6。

如何計算 RAID 6 的容量

RAID 6 系統中每個磁盤的容量都應相同。

RAID 6 配置中,存儲容量的計算方式為驅動器數減二再乘以磁盤容量,即

C = (n-2)*d

其中:

C = 可用容量

n = 磁盤數

d = 磁盤容量

例如,如果一個 RAID 6 陣列中包含五個驅動器,每個驅動器的容量為 1000GB,則陣列的總容量為 3,000GB:

C = (5-2)*1000

嵌套的 RAID 級別

RAID 0+1

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RAID 0+1 是一種安全的 RAID 模式,由條帶集的鏡像組成。RAID 0+1 陣列包含的磁盤數應為四的倍數。在 RAID 0+1 陣列中,具有五個磁盤的存儲產品的第五個磁盤將成為備用磁盤或空置磁盤。在右圖中,陣列 B 是陣列 A 的鏡像。

在 RAID 0+1 陣列中,最多允許兩個磁盤出現故障而不會丟失數據,但故障磁盤必須屬于同一 RAID 0 隊列。在圖中,也就是當磁盤 1 和磁盤 2 出現故障時,數據會保存到磁盤 3 和磁盤 4。

RAID 0+1應用場景

RAID 0+1 使用 RAID 0 條帶技術來提供良好的速度,但設備的可用容量會減少一半(假設陣列中所有磁盤的容量都相同)。

如何計算 RAID 0+1 的容量

RAID 0+1 系統中每個磁盤的容量都應相同。

RAID 0+1 配置中,存儲容量的計算方式為驅動器數乘以磁盤容量再除以 2,即

C = n*d/2

其中:

C = 可用容量

n = 磁盤數

d = 磁盤容量

例如,如果一個 RAID 0+1 陣列中包含四個驅動器,每個驅動器的容量為 1000GB,則陣列的總容量為 2,000GB:

C = (4*1000)/2

RAID 10

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RAID 10(也稱為 RAID 1+0)是合并了其他級別(尤其是 RAID 1 和 RAID 0)特點的另一種 RAID 級別。這是一種“鏡像集條帶”,意思是數據在兩個鏡像陣列間分條。“條帶化”在陣列之間發生,而“鏡像”是在相同的陣列中出現,兩種技術的組合加快了重建的速度。RAID 10 陣列包含的磁盤數應為四的倍數。在 RAID 10 陣列中第五個磁盤將成為備用磁盤或空置磁盤。請參見右圖。

在 RAID 10 陣列中,每個鏡像對中可以有一個磁盤出現故障而不丟失數據。不過,故障磁盤所在陣列的工作磁盤會成為整個陣列中的弱點。如果鏡像對中的另一個磁盤也發生故障,則會丟失整個陣列。

RAID 10應用場景

RAID 10 使用 RAID 0 條帶技術來 提供良好的速度,但設備的可用容量會減少一半(假設陣列中所有磁盤的容量都相同)。

如何計算 RAID 10 的容量

RAID 10 系統中每個磁盤的容量都應相同。

RAID 10 配置中,存儲容量的計算方式為驅動器數乘以磁盤容量再除以 2,即

C = n*d/2

其中:

C = 可用容量

n = 磁盤數

d = 磁盤容量

例如,如果一個 RAID 10 陣列中包含四個驅動器,每個驅動器的容量為 1000GB,則陣列的總容量為 2,000GB:

C = (4*1000)/2

其他配置

串聯

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磁盤串聯時,其容量將會合并,并且數據會寫入陣列中的主磁盤,主磁盤寫滿后再寫入下一個磁盤。串聯無性能優勢,也不能增加數據安全措施。它只是一種為擴大總容量而將兩個物理磁盤組合為一個卷的方法。

通過串聯可以完全使用陣列中所有磁盤的容量,并且在磁盤發生故障時大部分數據都可以保存下來。只有故障磁盤上的數據以及部分寫入故障磁盤和作業磁盤的數據才會丟失。

如何計算串聯容量

在串聯配置中,存儲容量的計算方式為驅動器數乘以磁盤容量,即 C = n*d

其中:

C = 可用容量

n = 磁盤數

d = 磁盤容量

例如,如果一個串聯陣列中包含四個驅動器,每個驅動器的容量為 1000GB,則陣列的總容量為 4000GB:

C = (4*1000)

JBOD

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JBOD 代表“簡單磁盤捆綁”。陣列中的每個磁盤,無論是屬于不同設備還是同一設備,都會作為單獨的磁盤安裝在計算機上。

如何計算 JBOD 容量

JBOD 陣列的總容量就是每個磁盤容量之和,即

C = n*d

其中:

C = 可用容量

n = 磁盤數

d = 磁盤容量

例如,如果一個 JBOD 陣列中包含四個驅動器,每個驅動器的容量為 1000GB,則陣列的總容量為 4000GB:

C = (4*1000)

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