獨立磁盤冗余陣列（RAID——Redundant Arrays of Independent Disks）是一種使用多硬盤驅(qū)動器來存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)?？梢允褂枚喾N不同的存儲技術(shù)來實現(xiàn)不同等級的冗余、錯誤恢復(fù)和性能。
過去，高可用計算機的安裝都要求有足夠的數(shù)據(jù)冗余，即一套復(fù)雜的數(shù)據(jù)鏡像備份在出現(xiàn)問題時可以馬上替代當前的數(shù)據(jù)。隨著數(shù)據(jù)量的不斷增長，這種解決方案的花費令人難以接受，于是，IT開發(fā)人員用RAID（獨立磁盤冗余陣列）來解決這一問題。不像磁盤鏡像，一個RAID系統(tǒng)并不一定要具備兩倍于數(shù)據(jù)量的磁盤空間，如一個RAID 5系統(tǒng)為了保證數(shù)據(jù)的使用和安全可以只增加數(shù)據(jù)量20％的磁盤空間。
磁盤陣列分類
根據(jù)磁盤陣列的結(jié)構(gòu)、要求及數(shù)據(jù)處理特點，一般分為六個級別（也叫標準），即RAID 0、1、2、3、4、5，若另加一個派生的RAID 0＋1，實際上有七個。其中RAID 2、3、4已基本淘汰，而RAID 5雖然最完備，但因至少由3塊硬盤組成使其價格較高，往往應(yīng)用于高中端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)，RAID 0、1、0＋1三種標準則主要應(yīng)用于低中端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)之中。
根據(jù)磁盤陣列的數(shù)據(jù)接口，一般可以分為SCSI接口、IDE接口、
光纖通道三類。雖然它們只是接口不同，但卻可直接影響到磁盤陣列數(shù)據(jù)
傳輸速度的快慢、數(shù)據(jù)存儲備份容量的大小、設(shè)備成本與價格的高低、設(shè)備安裝與維護的難度等，因而它們各有優(yōu)劣，各自適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，可滿足不同用戶的應(yīng)用要求，所以磁盤陣列按接口分類廣泛為人們所接受。磁盤陣列一般都能夠在支持多個SCSI接口或光纖通道接口的同時，還可支持多臺主機連接，從而可形成群集環(huán)境的高可用性架構(gòu)和多主機共用網(wǎng)絡(luò)存儲數(shù)據(jù)系統(tǒng)。在高檔SCSI接口的磁盤陣列中，還普遍支持32位RISC專用CPU，配置4～256MB高速緩存，使之能與主機并行運作，完全不需要任何軟件或驅(qū)動程序支持，極大地提高了磁盤陣列的數(shù)據(jù)處理速度。
傳統(tǒng)的RAID都配有專用處理器、大容量緩存以及高速SCSI硬盤為其陣列基礎(chǔ)，基本上都支持RAID 0、1、5等工業(yè)標準，并具有熱插拔冗余控制器的相互備援，支持全自動的故障切換，可為內(nèi)存鏡像提供無單點錯誤能力等。這種磁盤陣列技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)安全、存儲可靠，同時存取速度快、存儲容量大，但價格十分昂貴，且安裝、維護和管理較復(fù)雜，是大中型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的首選產(chǎn)品；基于IDE接口的磁盤陣列IDE RAID，由于采用普通IDE接口硬盤，沒有專用處理器和內(nèi)存，在通過自帶的BIOS調(diào)用下，可以利用主機CPU來實現(xiàn)RAID運算，因而結(jié)構(gòu)簡單、兼容性好、安裝維護管理方便，其最大優(yōu)點則是價格便宜（不僅省去了處理器和高速緩存，而且一塊9G的SCSI硬盤在3千元左右，而一塊9G的IDE硬盤只有1千元左右），是中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備的重要選擇內(nèi)容。IDE RAID也基本上支持RAID 0、1、0＋1標準，某些還支持RAID 5標準，普遍采用支持UDMA/66高速接口的普通硬盤作為陣列存儲單元。其中多條獨立數(shù)據(jù)通道在提高陣列性能的同時，能夠增強數(shù)據(jù)的可靠性和數(shù)據(jù)的保護能力。另外，IDE RAID還普遍具有數(shù)據(jù)冗余功能，有的還可作為系統(tǒng)盤。光纖通道接口磁盤陣列是一種采用最新技術(shù)的高數(shù)據(jù)傳輸率和高帶寬磁盤陣列，其最大特點是通道帶寬高達100/200MB（SCSI只有80到160MB，IDE僅有33到66MB）。
被稱為第二代磁盤陣列系統(tǒng)的RD20，因其采用了新型體系結(jié)構(gòu)，具有高可用性、高性能和大數(shù)據(jù)量存儲處理能力，具有靈活的計算能力和低廉的價格特點。RD20采用了先進的冗余設(shè)計技術(shù)與軟件，有效地保證了數(shù)據(jù)的最大可用性。其冗余體系結(jié)構(gòu)及標準組件設(shè)計使其具有很強的靈活性，主機接口設(shè)計為獨立的可添加的夾層卡，用戶可自由選擇異端或單端寬Ultra SCSI接口，大大方便了用戶的自行設(shè)計外形結(jié)構(gòu)和升級。單槽或雙槽1.0625Gbps光纖接口，還允許用戶直接與有光纖接口的主機、光纖交換機、網(wǎng)絡(luò)集線器或其他冗余設(shè)備直接連接。RD20一般采用兩個控制器，由RAID子系統(tǒng)進行雙重控制，并由裝在控制器中的溫度傳感器隨時報告各扇區(qū)物理環(huán)境的異?，F(xiàn)象，從而保證了系統(tǒng)的安全運行。
RD20的主要特點是，采用了處理頻率為133MHz的嵌入式RISC處理器，有多個用于控制硬盤驅(qū)動器和主機接口的PCI智能I/O處理器，內(nèi)部PCI總線可提供132Mbps的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，主要用于連接后端硬盤驅(qū)動器的四個獨立旋轉(zhuǎn)式Ultra SCSI通道，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，其動態(tài)隨機存儲能力高達256MB，可雙倍提高內(nèi)存的讀取速度。
RAID標準的意義
基于RAID標準的磁盤陣列，之所以具有性能可靠和容量極大的技術(shù)優(yōu)勢，其主要原因是由于：首先，RAID控制器通過并行數(shù)據(jù)讀寫克服了磁盤機電設(shè)計的限制，可大大提高存取速度。RAID可以同時操作多張磁盤的讀寫，如四張磁盤組成的陣列的讀寫速度幾乎是單張磁盤的四倍。所以，RAID的高速讀寫能力既可用來完成象高速的實時圖像編輯，也可用于大量數(shù)據(jù)的高速存儲備份；其次，RAID系統(tǒng)提供了大容量的數(shù)據(jù)存儲，而且多張磁盤上的數(shù)據(jù)對于主機來說是隨時可用的。復(fù)雜的RAID系統(tǒng)甚至允許用戶通過控制器所發(fā)出的數(shù)據(jù)途徑來組成多盤菊鏈，使得高性能的RAID控制器可同時進行多達90多張盤片的尋址操作；最后，RAID系統(tǒng)運用了奇偶校驗技術(shù)，極大地提高了數(shù)據(jù)的可靠性。因為當RAID控制器在磁盤上寫數(shù)據(jù)時，RAID系統(tǒng)會記錄相應(yīng)的奇偶位冗余數(shù)據(jù)，若該磁盤失效，該奇偶信息可使RAID控制器在不降低性能的情況下，重新計算丟失的信息。下面我們來總結(jié)一下RAID標準的意義。
標準RAID：如前所述，傳統(tǒng)RAID標準一般分為七級，其區(qū)別主要是陣列中的磁盤數(shù)與數(shù)據(jù)寫入磁盤方式不同，但廣泛應(yīng)用的標準只有RAID 0、1、5和0＋1四種，下面我們就來介紹這四種標準的意義。
符合RAID 0標準磁盤陣列的基本特點是數(shù)據(jù)傳輸率高和安全性低。由于該標準陣列只能操作兩塊硬盤，并采用了將數(shù)據(jù)流分割成大小相同的數(shù)據(jù)條塊（條塊標準：容量一般為64KB，也可以調(diào)整為8KB或256KB），然后平均分配給兩塊硬盤，同時完成數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸率基本上為兩塊硬盤傳輸率之和。雖然這種采用條塊化存儲數(shù)據(jù)的方法的傳輸數(shù)據(jù)率最快，效率最高，但因沒有冗余，是以犧牲RAID的安全性為代價換到的極限性能，因此數(shù)據(jù)存儲可靠性脆弱，一旦陣列中某塊硬盤出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)也將隨之癱瘓。
符合RAID 1標準磁盤陣列的基本標準是數(shù)據(jù)傳輸率低和安全性高，恰好與RAID 0標準相反。符合該標準的磁盤陣列也只能操作兩塊硬盤，由于它使用了磁盤鏡像，提供了冗余容錯機制，使得陣列在每次寫或更換數(shù)據(jù)時，同樣的操作可發(fā)生在另一張磁盤上，即每次操作都能把寫往主盤的數(shù)據(jù)同步地寫到鏡像盤上，一旦某磁盤失效另一張磁盤將馬上接手工作。
但這種工作方式使得鏡像和冗余的成本較高，將浪費一半的磁盤空間，而且也影響了陣列的數(shù)據(jù)讀寫速度。雖然RAID 1還可以在讀取數(shù)據(jù)時，保證同步在兩個磁盤上搜索，并且能把先找到的數(shù)據(jù)傳輸回來，從而可改善陣列系統(tǒng)的調(diào)用效率，但因消耗主機CPU資源，幾乎沒有提高陣列系統(tǒng)的整體性能。所以RAID 1陣列只對緊要任務(wù)數(shù)據(jù)存儲才有意義。
符合RAID 0＋1標準的磁盤陣列，實際上已考慮了上述兩類標準的因素，吸收了上述兩種標準的優(yōu)點，即在RAID 0標準上把寫往兩個硬盤的數(shù)據(jù)同時做兩個鏡像，既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾?，又保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高安全性，但需提供4塊硬盤，所以成本也要大大高出前兩者。
符合RAID 3標準的磁盤陣列包括數(shù)據(jù)分割，另外，它還指定一個驅(qū)動器來存儲奇偶信息。這就提供了某種容錯功能，在數(shù)據(jù)密集型環(huán)境或單一用戶環(huán)境中尤其有益于訪問較長的連續(xù)記錄。RAID 3需要同步主軸驅(qū)動器來預(yù)防較短記錄的性能下降。
符合RAID 5標準的磁盤陣列，采用了奇偶校驗和并行傳送技術(shù)，雖然沒有使用專用驅(qū)動器，但將校驗位按要求寫到了陣列中的某一臺驅(qū)動器上，將數(shù)據(jù)和奇偶信息分布在陣列中的全部磁盤上，同樣也避免了專用奇偶磁盤的需要。RAID 5標準的讀寫操作可同時進行，并使用了Exclusive－OR算法來計算奇偶信息。
在RAID 5分布式奇偶校驗塊的例子中，磁盤3中的奇偶校驗塊是磁盤1、2、4和5上的數(shù)據(jù)的備份數(shù)據(jù)映像；磁盤2中的奇偶校驗塊是磁盤1、3、4和5上的數(shù)據(jù)的備份數(shù)據(jù)映像；磁盤1中的奇偶校驗塊是磁盤2、3、4和5上的數(shù)據(jù)的備份數(shù)據(jù)映像……依此類推。如果一塊磁盤出現(xiàn)問題，控制器可以利用奇偶校驗塊來重建數(shù)據(jù)。
奇偶校驗塊可以降低RAID 3和5數(shù)據(jù)存儲的開銷。例如RAID 5用一塊磁盤來為4塊磁盤提供數(shù)據(jù)冗余，那就意味著用5塊磁盤來存儲4塊磁盤容量的數(shù)據(jù)并為那些數(shù)據(jù)提供完全備份。
軟硬件RAID：RAID還有基于軟件的RAID和基于硬件的RAID，兩者在性能方面有較大區(qū)別，且能在不同領(lǐng)域各領(lǐng)風(fēng)騷。其中，基于軟件的RAID只能利用主機CPU和存儲器來實現(xiàn)磁盤陣列的存儲備份，根據(jù)操作系統(tǒng)又可分為基于Novell平臺、Windows NT平臺和Unix平臺的軟件RAID，軟件RAID存儲備份級別較低，由于高速緩沖存儲器可以使得簡單的分段和鏡像完成得更快，可大大提高讀寫速度，因而任務(wù)較少時有明顯優(yōu)勢。尤其是各類新版操作系統(tǒng)、容錯軟件和群集技術(shù)的普遍應(yīng)用，又使得軟件RAID在性能和功能方面到了充分的發(fā)揮。
基于硬件的RAID因為擁有自己獨立的CPU和存儲器，完全可以自己計算奇偶信息并完成文件定位，提高數(shù)據(jù)并行傳輸速度。硬件RAID又可分為內(nèi)置插卡式和外置機柜式RAID，內(nèi)置插卡式RAID也依賴主機的操作系統(tǒng)，要求有專門的驅(qū)動器連接和設(shè)置RAID控制器，其優(yōu)勢在于速度，因為內(nèi)置式系統(tǒng)無需通過SCSI適配器，當然內(nèi)置式價格便宜，但內(nèi)置式系統(tǒng)大部分沒有擴充插件板，容量大小固定不變。另外，因在一個時間段內(nèi)只有一臺主機可和內(nèi)置系統(tǒng)通信，很難進行雙機容錯備份；外置機柜式RAID可以獨立計算，不僅可以靈活地增加驅(qū)動器，提高RAID存儲備份容量，還能簡單地實現(xiàn)雙機容錯熱備份。所以，內(nèi)置式RAID系統(tǒng)主要應(yīng)用于PC服務(wù)器或成為其選件，或成為其標準配置，外置式RAID系統(tǒng)則主要用于雙機容錯系統(tǒng)中的大容量高可靠系統(tǒng)中。
新標準RAID 7：還有一種磁盤陣列新標準RAID 7。其實，RAID 7不僅僅是一種技術(shù)，還是一種存儲計算機（Storage Computer）。因為它與RAID 0、1、5標準有明顯區(qū)別，RAID 7自身帶有智能化實時操作系統(tǒng)和用于存儲管理的軟件工具，可完全獨立于主機運行，不占用主機CPU資源。RAID 7不僅具有更高的性能和卓越的存儲管理能力，而且集普通RAID標準的所有優(yōu)點于一身，因而RAID 7系統(tǒng)整體性能極佳。
RAID 7存儲計算機操作系統(tǒng)（Storage Computer Operating System）是一套實時事件驅(qū)動操作系統(tǒng)，主要用來進行系統(tǒng)初始化和安排RAID 7磁盤陣列的所有數(shù)據(jù)傳輸，并把它們轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的物理存儲驅(qū)動器上。通過自身系統(tǒng)中的陣列電腦板來設(shè)定和控制讀寫速度，存儲計算機操作系統(tǒng)可使主機I/O傳遞性能達到最佳。如果一個磁盤出現(xiàn)故障，還可自動執(zhí)行恢復(fù)操作，并可管理備份磁盤的重建過程。
RAID 7突破了以往RAID標準的技術(shù)架構(gòu)，采用了非同步訪問，極大地減輕了數(shù)據(jù)寫瓶頸，提高了I/O速度。所謂非同步訪問，即RAID 7的每個I/O界面都有一條專用的高速通道，作為數(shù)據(jù)或控制信息的流通路徑，因此可獨立地控制自身系統(tǒng)中每個磁盤的數(shù)據(jù)存取。如果RAID 7有N個磁盤，那么除去一個校驗盤（用作冗余計算）外，可同時處理N－1個主機系統(tǒng)隨機發(fā)出的讀/寫指令，從而顯著地改善了I/O應(yīng)用。RAID 7系統(tǒng)內(nèi)置實時操作系統(tǒng)還可自動對主機發(fā)送過來的讀/寫指令進行優(yōu)化處理，以智能化方式將可能被讀取的數(shù)據(jù)預(yù)先讀入快速緩存中，從而大大減少了磁頭的轉(zhuǎn)動次數(shù)，提高了I/O速度。RAID 7可幫助用戶有效地管理日益龐大的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，并使系統(tǒng)的運行效率提高至少一倍以上,滿足了各類用戶的不同需求。
