張新諾

[摘要]隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，各個(gè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)就需要越來越可靠和穩(wěn)定，同時(shí)提高讀寫速率也是極為重要的，因此，作為一種被廣泛認(rèn)同的存儲(chǔ)管理技術(shù)，即RAID技術(shù)，在如今這個(gè)時(shí)代迅速發(fā)展且被大量運(yùn)用。本文就信息化建設(shè)方面來詳述RAID技術(shù)，由于不同的信息化建設(shè)部門采用的RAID模式不一樣，因此針對(duì)RAID模式的不同進(jìn)行分析研究，在總結(jié)其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的同時(shí)并提出建議，以此更好地提高效率。文中最后表述了RAID技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐并說明了應(yīng)該如何對(duì)其進(jìn)行日常維護(hù)，這也有利于RAID技術(shù)能夠更好地服務(wù)于信息化建設(shè)當(dāng)中。

[關(guān)鍵詞]RAID技術(shù)；信息化建設(shè)；應(yīng)用

0引言

信息化建設(shè)主要是針對(duì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)及教育科學(xué)技術(shù)等方面，同時(shí)也有利于我國(guó)信息資源開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展，由國(guó)家進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃及實(shí)行，其對(duì)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)也有十分重要的意義。隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的推動(dòng)，各行各業(yè)所需的相關(guān)信息量越來越多，需要更高效率的信息處理技術(shù)，因此計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)在這種形勢(shì)下迅速發(fā)展，其中，由于性能優(yōu)勢(shì)而備受我國(guó)各大領(lǐng)域信賴的RAID技術(shù)得到了廣泛運(yùn)用和發(fā)展。

1RAID技術(shù)

起初，David A.Patterson等人提出了RAID（Redundant Arrays of Inexpensive Disks）即廉價(jià)冗余磁盤陣列這個(gè)概念。作為加利福利亞大學(xué)伯克利分校的研究人員，David A.Patterson等人原本是為了解決由于磁盤性能的增長(zhǎng)速度趕不上CPU性能而不能與之相匹配的問題，但是由于RAID技術(shù)越來越可靠、安全，且其可擴(kuò)展性等不斷提高，也就順其自然地被廣泛運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際存儲(chǔ)系統(tǒng)中。RAID技術(shù)利用冗余數(shù)據(jù)使數(shù)據(jù)本身具有高可靠性，且通過將數(shù)據(jù)條帶化從而增強(qiáng)I/O的并行性，這樣有利于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高效性和安全性。冗余數(shù)據(jù)就是指?jìng)浞莼蚓幋a原有數(shù)據(jù)，通常利用復(fù)制、域運(yùn)算及異域運(yùn)算的手段進(jìn)行，且把經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)放到不同磁盤中進(jìn)行存儲(chǔ)，由此得到有相應(yīng)容錯(cuò)能力的磁盤陣列。而數(shù)據(jù)條帶化則是把被分成些許獨(dú)立數(shù)據(jù)段的整段數(shù)據(jù)放到不同磁盤中進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣進(jìn)程可以并行訪問多個(gè)磁盤，因此磁盤的I/O并行度得到增強(qiáng)，即形成了具有更高I/O帶寬的磁盤陣列。

但是，冗余數(shù)據(jù)的方式不同就會(huì)使得磁盤陣列的容錯(cuò)能力及I/O能力不同。比如，單塊磁盤存儲(chǔ)冗余數(shù)據(jù)的磁盤陣列容錯(cuò)能力低于兩塊磁盤，但是其空間利用率就相對(duì)較高。也就是說兩塊磁盤存儲(chǔ)冗余數(shù)據(jù)使得磁盤陣列空間利用率降低，但卻增加了數(shù)據(jù)的安全性及可靠性。

所以，為了滿足不同情況下所需的磁盤陣列容錯(cuò)能力和I/O能力，也就出現(xiàn)了不同等級(jí)的RAID技術(shù)。

2RAID技術(shù)的工作原理及特點(diǎn)

2.1RAID技術(shù)工作原理

RAID 0：RAID 0由于其沒有數(shù)據(jù)冗余功能，不能被稱作真正的RAID結(jié)構(gòu)。其分割數(shù)據(jù)的單位是位或者字節(jié)，其在多個(gè)磁盤上是以并行讀寫的方式進(jìn)行的，所以數(shù)據(jù)傳輸率較高。RAID 0不能保障數(shù)據(jù)可靠，只能提高性能，且如果有一個(gè)磁盤損壞就會(huì)使所有數(shù)據(jù)受到影響，這也是其不適用于要求數(shù)據(jù)較高安全性情況的原因所在。

當(dāng)將磁盤陣列設(shè)置成RAID 0模式時(shí)，磁盤陣列的總?cè)萘康扔谠撽嚵凶钚〈疟P容量乘上磁盤數(shù)量。例如：5塊300GB的硬盤和一個(gè)250 GB硬盤組成RAID 0，則可得到的磁盤空間是1 500 GB（250 GB×6）。

RAID 1：其數(shù)據(jù)冗余是利用磁盤數(shù)據(jù)鏡像的方式，即采用成對(duì)且獨(dú)立的磁盤相互備份數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余。如果原始數(shù)據(jù)處于繁忙狀態(tài)而不及時(shí)提供有效數(shù)據(jù)，則可以通過鏡像拷貝直接讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，這也是RAID 1能使讀取性能增強(qiáng)的體現(xiàn)。RAID 1的數(shù)據(jù)安全性及可靠性較高，當(dāng)然其單位成本高于其他磁盤陣列。由于其具有能自動(dòng)在鏡像磁盤中讀寫的性能，即便是有一個(gè)磁盤損壞，也不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，無需重新組成。

設(shè)置成RAID 1模式的陣列容量等于兩個(gè)磁盤中較小那個(gè)的容量。例如，一個(gè)100 GB的硬盤和一個(gè)120 GB的硬盤組成RAID 1，則其RAID 1卷的容量等于100 GB。

RAID 0+1：RAID 0+1是RAID 0和RAID 1的組合，又稱為RAID 10。它既用條塊化讀寫，同時(shí)又使用鏡像操作。RAID（O+1）完全使用硬盤來實(shí)現(xiàn)資料備份，因此允許多個(gè)硬盤損壞。在每次寫人數(shù)據(jù)，磁盤陣列控制器會(huì)將資料同時(shí)寫入該兩組“大容量數(shù)組硬盤組”內(nèi)。同RAID 1一樣，雖然其硬盤使用率亦只有50%，但它卻是最具高效率的規(guī)劃方式。

RAID 2：其是在RAID 0的基礎(chǔ)上延伸得到的，RAID 2可以以字節(jié)為單位來分割數(shù)據(jù)，其磁盤陣列的容錯(cuò)能力是采用海明碼方式得到的，這也使得其實(shí)行過程變得繁雜而逐漸被淘汰。

RAID 3：與RAID 2很相似的是兩者都是把數(shù)據(jù)條帶化后而存儲(chǔ)于不同的磁盤上，不同的是RAID 3采用簡(jiǎn)易的奇偶校驗(yàn)且將處理后的信息存儲(chǔ)于單塊磁盤中。假如一塊數(shù)據(jù)磁盤損壞，那存儲(chǔ)奇偶校驗(yàn)信息的單塊磁盤和其他數(shù)據(jù)磁盤則能再次產(chǎn)生數(shù)據(jù)；若奇偶校驗(yàn)信息存儲(chǔ)盤損壞的話，數(shù)據(jù)還是可以正常使用。RAID 3能有效傳輸龐大的連續(xù)數(shù)據(jù)，但是由于奇偶校驗(yàn)信息存儲(chǔ)盤的存在，則不能很好地進(jìn)行隨機(jī)數(shù)據(jù)的寫功能。

RAID 4：是用特定磁盤來存儲(chǔ)校驗(yàn)信息，這點(diǎn)與RAID 3很相似，但是RAID 4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的單位是數(shù)據(jù)塊。由于一個(gè)固定大小的數(shù)據(jù)單元就是一個(gè)數(shù)據(jù)塊，因此只要數(shù)據(jù)塊完整，就能順利地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼和恢復(fù)產(chǎn)生。雖然RAID4由于校驗(yàn)效率要高于RAID 3，寫入速度要高于RAID 3，但其數(shù)據(jù)恢復(fù)要比RAID 3困難的多，控制器設(shè)計(jì)難度也非常大，所以數(shù)據(jù)訪問效率比較低。

RAID 5：具有存儲(chǔ)性能高、數(shù)據(jù)安全性好及存儲(chǔ)成本控制等的一系列優(yōu)點(diǎn)，其讀寫速度較快且空間利用率也較高，但是假使一塊硬盤損壞就會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)性能。RAID 5能夠保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全，雖然沒有鏡像的高保障性，但是其磁盤空間利用率較高。RAID 5的數(shù)據(jù)讀取速率與RAID 0相差不大，但是由于其有奇偶校驗(yàn)信息存儲(chǔ)盤，使得其寫入數(shù)據(jù)的速率低于單個(gè)磁盤的RAID 0，而RAID 5的一個(gè)奇偶校驗(yàn)信息對(duì)應(yīng)多個(gè)數(shù)據(jù)使得其磁盤空間利用率高于RAID 1。

RAID 6：多了一個(gè)獨(dú)立的奇偶校驗(yàn)信息存儲(chǔ)盤，具有兩個(gè)獨(dú)立的使用不同算法的奇偶校驗(yàn)信息存儲(chǔ)盤，增加了數(shù)據(jù)的可靠性，就算是兩個(gè)奇偶校驗(yàn)信息存儲(chǔ)盤都損壞也對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生不了影響。由于其寫“損失”比RAID 5大，這也就降低了寫的性能。

RAID 7：與前面的技術(shù)都不同，其是一種新型的RAID標(biāo)準(zhǔn)。RAID 7能夠智能地進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，其具有的軟件工具能夠進(jìn)行存儲(chǔ)管理，還能與主機(jī)脫離而獨(dú)自運(yùn)作，且完全不需要CPU支持。RAID 7磁盤結(jié)構(gòu)的傳輸是通過優(yōu)化后的高速數(shù)據(jù)進(jìn)行的，同步I/0傳送且能單獨(dú)掌控，這對(duì)系統(tǒng)并行性有很大的提升作用，同時(shí)也能使系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)的速度得到有效增加；由于高速緩沖存儲(chǔ)器在各個(gè)磁盤中都具有，不同實(shí)時(shí)系統(tǒng)在無論哪一個(gè)操作芯片都能控制實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的條件下而得到需求滿足，也就是多個(gè)用戶可以連接多臺(tái)主機(jī)進(jìn)行接近零時(shí)間系統(tǒng)訪問，非常便捷。

最常用的RAID0～5級(jí)的描述、速度與容錯(cuò)功能見表1。

2.2RAID技術(shù)特點(diǎn)

就RAID不同級(jí)別的發(fā)展及運(yùn)用方面：

第一，RAID控制器的讀寫功能是運(yùn)用磁盤陣列的并行數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的，這樣不僅擺脫了磁盤機(jī)電設(shè)計(jì)的影響，還有利于存取速度的增大，也就是說幾張磁盤陣列的讀寫速度就是單盤讀寫速度的幾倍，因此能有效地運(yùn)用到多種應(yīng)用。

第二，RAID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量很大，主機(jī)可以根據(jù)需要隨時(shí)運(yùn)用磁盤上的相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)于較為復(fù)雜的RAID系統(tǒng)，用戶可以利用控制器傳數(shù)據(jù)的有關(guān)方式對(duì)多個(gè)磁盤進(jìn)行級(jí)別連接。比如九十張磁盤的尋址操作可由一個(gè)設(shè)置完善的RAID的高性能控制器進(jìn)行同一時(shí)間的控制。

第三，RAID系統(tǒng)奇偶校驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)可靠性的增強(qiáng)十分有幫助。其控制器在磁盤上進(jìn)行數(shù)據(jù)寫功能的同時(shí)還能把相關(guān)的奇偶校驗(yàn)冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行如實(shí)記錄，這樣一來，即便磁盤損壞，記錄下來的奇偶校驗(yàn)信息也能把丟失的相關(guān)信息重新計(jì)算出來，且不影響RAID控制器的性能。

3RAID技術(shù)在信息存儲(chǔ)中的應(yīng)用

3.1RAID的實(shí)現(xiàn)方式

磁盤陣列的實(shí)現(xiàn)是通過軟件陣列和硬件陣列這兩種形式。

軟件陣列：連接普通SCSI卡的多塊硬盤被網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)本身具有的磁盤管理功能分成邏輯盤并組成軟件陣列，比如NOVELL的Net Ware操作系統(tǒng)具有軟件陣列功能和RAID 1功能。軟件陣列能冗余數(shù)據(jù)，可是會(huì)降低磁盤子系統(tǒng)的相關(guān)性能。

硬件陣列：通過專門的磁盤陣列卡形成，磁盤陣列卡在如今的非入門及服務(wù)器中很常見，無論是否集成在主板上都能形成硬件陣列。其中，動(dòng)態(tài)修改陣列級(jí)別、超高速緩沖及自動(dòng)數(shù)據(jù)恢復(fù)等功能都能通過硬件陣列實(shí)現(xiàn)，另外硬件陣列還具有數(shù)據(jù)保護(hù)、可靠、實(shí)用及可控等特性。磁盤陣列卡有一個(gè)專門的處理器用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速處理，另外還有一個(gè)專門的存貯器用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速緩沖。由此，磁盤陣列卡就可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器操作磁盤這個(gè)功能，這也就不會(huì)占用太多的CPU資源，還能節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)存，且對(duì)磁盤子系統(tǒng)的性能沒有影響。

3.2RAID應(yīng)用場(chǎng)景

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)可根據(jù)不同的需求選擇不同的數(shù)據(jù)RAID方式。

RAID 0：由于RAID 0數(shù)據(jù)冗余性差但磁盤讀寫效率和磁盤利用率高的特點(diǎn)，一般應(yīng)用于小型私人盤陣中，不適合應(yīng)用于大型商業(yè)或者數(shù)據(jù)安全性較高的場(chǎng)合。

RAID 1：采用備份盤的方式，安全性高，因此多應(yīng)用于財(cái)務(wù)部門、付款部門等需要高可用性以及對(duì)數(shù)據(jù)的安全有較高要求的部門。

RAID 0+1：由于具有RAID 1和RAID 0兩種方式的特點(diǎn)，RAID 10的數(shù)據(jù)安全性和讀寫效率高，但建設(shè)成本較大。因此該種方式多應(yīng)用于圖像處理、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、一般文件服務(wù)器、備份磁盤驅(qū)動(dòng)器及在信息化建設(shè)中對(duì)存儲(chǔ)速度和數(shù)據(jù)安全性都有要求的單位。

RAID 2：該種方式由于只是RAID 0的延伸，并且實(shí)現(xiàn)方式更加復(fù)雜，已經(jīng)逐漸被淘汰。

RAID 3：由于RAID 3不能很好地執(zhí)行隨機(jī)數(shù)據(jù)的寫功能，可用于寫連續(xù)數(shù)據(jù)的工作環(huán)境，如繪圖、數(shù)據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)、視訊編輯、影像、高速數(shù)據(jù)擷取、多媒體等單位應(yīng)用。

RAID 4：和RAID 3的方式類似，雖然校驗(yàn)速度高于RAID 3，但其數(shù)據(jù)恢復(fù)要比RAID 3更加復(fù)雜，其應(yīng)用的場(chǎng)合較少。

RAID 5：具有存儲(chǔ)性能高、數(shù)據(jù)安全性好及存儲(chǔ)成本控制等的一系列優(yōu)點(diǎn)，已成為大部分存儲(chǔ)系統(tǒng)首選的RAID方式，許多政府機(jī)關(guān)、科研單位、企業(yè)等的存儲(chǔ)系統(tǒng)都是采用RAID 5方式。

RAID 6：由于RAID 6的建設(shè)成本比RAID 5高，同時(shí)其方式的設(shè)計(jì)復(fù)雜，其應(yīng)用性要遠(yuǎn)小于RAID 5，只有對(duì)數(shù)據(jù)安全性有特殊要求的部分單位和部門應(yīng)用。

RAID 7：由于RAID 7為一種新型RAID標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用的成本很高，暫時(shí)只有部分高I/0需求的科研單位測(cè)試使用。

3.3硬盤數(shù)據(jù)恢復(fù)

RAID系統(tǒng)與操作系統(tǒng)及其他軟件相比，簡(jiǎn)單來說其就是一個(gè)硬盤，其他的磁盤都無法看到，比如說分區(qū)及格式化等操作都是圍繞一個(gè)硬盤進(jìn)行。因此，RAID數(shù)據(jù)恢復(fù)在很多數(shù)據(jù)恢復(fù)軟件中進(jìn)行的過程其實(shí)和一個(gè)硬盤數(shù)據(jù)恢復(fù)相比沒什么不同，并且像Recover4all等在一個(gè)硬盤上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)的軟件也具備這個(gè)特性。

根據(jù)不同的RAID自身?yè)p壞的情況實(shí)行不同的解決方案。一般都是由于操作錯(cuò)誤而失去了RAID邏輯盤，這種情況下一定不要初始化邏輯盤，而是只需按照原來的方式來設(shè)置RAID參數(shù)并重新啟動(dòng)就行了。也有一些RAID卡，如果將其RAID邏輯盤重新構(gòu)建就會(huì)再次條帶化各硬盤，而且數(shù)據(jù)也因此可能再也無法恢復(fù)。所以，應(yīng)該先明確用戶用的是哪種RAID，操作系統(tǒng)有沒有損壞以及是否需要刷新RAID系統(tǒng)等后才能決定要不要恢復(fù)RAID系統(tǒng)。

3.4RAID的安全管理

3.4.1注意對(duì)日志文件的運(yùn)行進(jìn)行檢查

磁盤陣列內(nèi)部的運(yùn)行狀況都被一一記錄在日志文件中，其中含有事件序列號(hào)、設(shè)備位置、發(fā)生時(shí)間等相關(guān)信息，有利于查出磁盤陣列出現(xiàn)的問題并有效排除不相干部分。

3.4.2注意對(duì)系統(tǒng)配置參數(shù)進(jìn)行備份

邏輯配置、狀態(tài)配置等相關(guān)參數(shù)，比如所用RAID類型、邏輯盤大小、條帶容量、物理磁盤組成種類及各物理磁盤的通道號(hào)、型號(hào)、目標(biāo)序列號(hào)等數(shù)據(jù)應(yīng)該在磁盤陣列系統(tǒng)建成后做好詳細(xì)記錄。

3.4.3注意對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)備份

陣列控制器冗余、備用電池及雙UPS電源供電等技術(shù)由于設(shè)備成本及技術(shù)繁雜等而不能同時(shí)使用，因此，重要的工作需要通過磁帶、磁盤等介質(zhì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)備份，也可以采用操作系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行本地備份，另外還可以利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程備份。

3.4.4注意對(duì)熱備用磁盤進(jìn)行建立

作為RAID技術(shù)的新型技術(shù)，即熱備用磁盤技術(shù)。在磁盤陣列中，正常運(yùn)行時(shí)，一個(gè)待機(jī)的磁盤會(huì)自動(dòng)替代物理磁盤中損壞的那個(gè)，此時(shí)利用邏輯驅(qū)動(dòng)器的冗余數(shù)據(jù)，原來?yè)p壞磁盤中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)被利用邏輯驅(qū)動(dòng)器冗余數(shù)據(jù)的陣列控制器采用校驗(yàn)算法而在熱備用磁盤上再次建立。

這種重新建立數(shù)據(jù)的熱備用磁盤，其空間容量應(yīng)該比損壞磁盤的容量大或者兩者相等，在平時(shí)必須保證其不被占用，而且其陣列控制器必須能正常地自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)重新建立。一個(gè)陣列對(duì)應(yīng)一個(gè)熱備用磁盤，系統(tǒng)管理員一旦發(fā)現(xiàn)熱備用磁盤數(shù)據(jù)丟失的機(jī)率增大，就應(yīng)該立即把相應(yīng)的新熱備用磁盤代替損壞的磁盤，如此才有利于維護(hù)相關(guān)性能的正常。

3.4.5注意對(duì)數(shù)據(jù)一致性進(jìn)行定期檢查

為了保證數(shù)據(jù)的一致性，應(yīng)該每周一到兩次來仔細(xì)檢查RAID互為鏡像磁盤的數(shù)據(jù)，當(dāng)然也可以重新檢驗(yàn)主數(shù)據(jù)，這樣也能達(dá)到效果。

4結(jié)語

目前，我國(guó)各領(lǐng)域已經(jīng)普遍且較為成熟地運(yùn)用RAID技術(shù)，其作用不可忽視。隨著信息化建設(shè)進(jìn)程的推動(dòng)，企業(yè)需要結(jié)合自身發(fā)展情況來決定采用哪種RAID模式，只有這樣，才有利于增強(qiáng)企業(yè)本身的信息化管理能力，同時(shí)對(duì)辦公水平的提高也有十分重要的意義。所以，為了我國(guó)信息化建設(shè)的全面發(fā)展，應(yīng)該深入研究RAID技術(shù)，并為此奠定有力基礎(chǔ)。