RAID技术工作原理及可靠性分析

RAID技术工作原理及可靠性分析

摘要：介绍了磁盘阵列的基本概念和常用的磁盘阵列种类，分析了RAID0、RAID3和RAID10三种磁盘阵列的可靠性值，同时与实验数据进行了比较。结果表明，磁盘阵列的可靠性值基于标准模型在一定程度上可以进行量化，能进行科学的计算,得出RAID10比相应其他的RAID的容量更大，可靠性更佳。该文的可靠性分析对磁盘阵列的进一步研究和生产能起到现实的指导作用。

关键字：磁盘阵列；可靠性；镜像; 磁盘阵列控制器；

1 引言

RAID是英文Redundant Array of Independent Disks的缩写，中文简称为独立冗余磁盘阵列。简单的说，RAID是一种把多块独立的硬盘（物理硬盘）按不同的方式组合起来形成一个硬盘组（逻辑硬盘），从

而提供比单个硬盘更高的存储性能和提供

数据备份技术。组成磁盘阵列的不同方式称为RAID级别（RAID Levels）。在用户看起来，组成的磁盘组就像是一个硬盘，用户可以对它进行分区，格式化等等。总之，对磁盘阵列的操作与单个硬盘一模一样。不同的是，磁盘阵列的存储速度要比单个硬盘高很多，而且可以提供自动数据备份。数据备份的功能是在用户数据一旦发生损坏后，利用备份信息可以使损坏数据得以恢复，从而保障了用户数据的安全性。

2磁盘阵列的基本概念和常用的磁盘阵列种类

2.1 RIAD技术简介

RAID包含多块硬盘，但是在操作系统下是作为一个独立的大型存储设备出现。利用RAID技术于存储系统的好处主要有以下三种：

通过把多个磁盘组织在一起作为一个逻辑

卷提供磁盘跨越功能；

通过把数据分成多个数据块（Block）并行

写入/读出多个磁盘以提高访问磁盘的速度；通过镜像或校验操作提供容错能力；

最初开发RAID的主要目的是节省成本，当时几块小容量硬盘的价格总和要低于大容

量的硬盘。目前来看RAID在节省成本方面

的作用并不明显，但是 RAID可以充分发挥出多块硬盘的优势，实现远远超出任何一块单独硬盘的速度和吞吐量。除了性能上的提高之外，RAID还可以提供良好的容错能力，在任何一块硬盘出现问题的情况下都可以

继续工作，不会受到损坏硬盘的影响。RAID技术分为几种不同的等级，分别可以提供不同的速度，安全性和性价比。根据实际情况选择适当的RAID级别可以满足用户对

存储系统可用性、性能和容量的要求。常用的RAID级别有以下几种：NRAID，JBOD，RAID0，RAID1，RAID1+0，RAID3，RAID5等。目前经常使用的是RAID5和RAID（1+0）。

磁盘阵列（Disk Array）是由一个硬盘控制器来控制多个硬盘的相互连接，使多个硬盘的读写同步，减少错误，增加效率和可靠度的技术。磁盘阵列卡则是实现这一技术的硬件产品，磁盘阵列卡拥有一个专门的处理器，还拥有专门的存贮器，用于高速缓冲数据。使用磁盘阵列卡服务器对磁盘的操作就直

接通过阵列卡来进行处理，因此不需要大量的CPU及系统内存资源，不会降低磁盘子系统的性能。阵列卡专用的处理单元来进行操作，它的性能要远远高于常规非阵列硬盘，并且更安全更稳定。

RAID技术的两大特点：一是速度、二是安全，由于这两项优点，RAID技术早期被应用于高级服务器中的SCSI接口的硬盘系统中，随

着近年计算机技术的发展，PC机的CPU的速

度已进入GHz 时代。IDE接口的硬盘也不甘落后，相继推出了ATA66和ATA100硬盘。这就使得RAID技术被应用于中低档甚至个人PC机上成为可能。RAID通常是由在硬盘阵列塔中的RAID控制器或电脑中的RAID卡来实现的。

2.2 RAID分类

磁盘阵列其样式有三种，一是外接式磁盘阵列柜、二是内接式磁盘阵列卡，三是利用软件来仿真。

外接式磁盘阵列柜最常被使用大型服务器上，具可热交换（Hot Swap）的特性，不过这类产品的价格都很贵。

内接式磁盘阵列卡，因为价格便宜，但需要较高的安装技术，适合技术人员使用操作。硬件阵列能够提供在线扩容、动态修改阵列级别、自动数据恢复、驱动器漫游、超高速缓冲等功能。它能提供性能、数据保护、可靠性、可用性和可管理性的解决方案。阵列卡专用的处理单元来进行操作。

利用软件仿真的方式，是指通过网络操作系统自身提供的磁盘管理功能将连接的普通SCSI卡上的多块硬盘配置成逻辑盘，组成阵列。软件阵列可以提供数据冗余功能，但是磁盘子系统的性能会有所降低，有的降低幅度还比较大，达30%左右。因此会拖累机器的速度，不适合大数据流量的服务器。

2.3 RAID原理

磁盘阵列作为独立系统在主机外直连

或通过网络与主机相连。磁盘阵列有多个端口可以被不同主机或不同端口连接。一个主机连接阵列的不同端口可提升传输速度。

和当时PC用单磁盘内部集成缓存一样，在磁盘阵列内部为加快与主机交互速度，都带有一定量的缓冲存储器。主机与磁盘阵列的缓存交互，缓存与具体的磁盘交互数据。

在应用中，有部分常用的数据是需要经常读取的，磁盘阵列根据内部的算法，查找出这些经常读取的数据，存储在缓存中，加快主机读取这些数据的速度，而对于其他缓存中没有的数据，主机要读取，则由阵列从磁盘上直接读取传输给主机。对于主机写入的数据，只写在缓存中，主机可以立即完成写操作。然后由缓存再慢慢写入磁盘。

2.4 RAID优缺点

优点:提高传输速率。RAID通过在多个磁盘上同时存储和读取数据来大幅提高存

储系统的数据吞吐量（Throughput）。在RAID 中，可以让很多磁盘驱动器同时传输数据，而这些磁盘驱动器在逻辑上又是一个磁盘

驱动器，所以使用RAID可以达到单个磁盘驱动器几倍、几十倍甚至上百倍的速率。这也是RAID最初想要解决的问题。因为当时CPU的速度增长很快，而磁盘驱动器的数据传输速率无法大幅提高，所以需要有一种方案解决二者之间的矛盾。RAID最后成功了。通过数据校验提供容错功能。普通磁盘驱动器无法提供容错功能，如果不包括写在磁盘上的CRC（循环冗余校验）码的话。RAID容错是建立在每个磁盘驱动器的硬件容错功

能之上的，所以它提供更高的安全性。在很多RAID模式中都有较为完备的相互校验/恢复的措施，甚至是直接相互的镜像备份，从而大大提高了RAID系统的容错度，提高了系统的稳定冗余性。

缺点:RAID0没有冗余功能，如果一个磁盘（物理）损坏，则所有的数据都无法使用。RAID1磁盘的利用率最高只能达到50%(使用两块盘的情况下)，是所有RAID级别中最低的。

RAID0+1以理解为是RAID 0和RAID 1的折中方案。RAID 0+1可以为系统提供数据安全保障，但保障程度要比 Mirror低而磁盘空间利用率要比Mirror高。。

2.5 RAID级别

2.5.1 RAID 0