磁盘阵列技术原理学习

硬盘分段和数据冗余（RAID2～5）

硬盘分段改善了硬盘子系统的性能，因为向硬盘读写数据的速度与硬盘子系统中硬盘数目成正比地增加，但它的缺点是硬盘子系统中任一硬盘的故障都会导致整个计算器系统失败。整个分段的硬盘子系统部能作镜像，如果已经用了4个硬盘进行分段，我们可以再增加4个分段的硬盘作为原来4个硬盘的镜像。很明显这是昂贵的（虽然可能比镜像一个昂贵的大硬盘来得便宜）。可以不用镜像而用其它数据冗余的方法来提供高容错性能。可以选择一神奇偶码模式来实现上述方法，可以外加一个专作奇偶校验用的硬盘（如在RAID 3中），或者可把奇偶校验数据分散分布在磁盘阵列的全部硬盘中。分布式奇偶校验数据（RAID 5）的例子示于图5中。

　　

不管用何种级别的RAID，磁盘阵列总是用异或（XOR）操作来产生奇偶数据，当子系统中有一个硬盘发生故障时，也是用异或操作重建数据。下列简单分析了XOR是怎样工作的。

硬盘 A B C 奇偶盘 (A, B, C 异或的结果)

　　数据 1 0 1 0

首先记住在XOR操作中，2个数异或的结果是真（即“1”）时，这二个数中有且一个数为1（另一个为0）。我们假设A, B, C中B盘故障，此时可将A, C和奇偶数据XOR起来，得到B盘失去的数据0；同样如C盘故障，我们可将A, B盘和奇偶盘的数据XOR，得到C盘原先的数据1。

如果推广到7个盘的硬盘子系统：

硬盘 A B C D E F 奇偶位

　　数据 0 0 0 1 0 1 0

如果丢失B盘数据，我们可以XOR A, C, D, E, F和奇偶位来得到失去的B盘数据0。而XOR A, B, C, D, E, F和奇偶位可恢复D盘的数据1。

采用专用的奇偶校验盘（如上所述，即RAID 3），当同时产生多个写操作时，每次操作都要对奇偶盘进行写入。这将产生I/O瓶颈效应。

RAID 5把奇偶位信息分散分布在硬盘子系统的所有硬盘上（而不是使用专用的校验盘0，这就改善了上述RAID 3中的奇偶盘瓶颈效应。图5说明了RAID 5的一种配置，图中奇偶信息散布在子系统的每个硬盘上。利用每个硬盘的一部分来组成校验盘，写入硬盘的奇偶位信息将较均匀地分布在所有硬盘上。所以某个用户可能把它的一个数据段写在硬盘A，而将奇偶信息写在硬盘B，第二个用户可能把数据写在硬盘C，而奇偶信息写在硬盘D。从这里也可看出RAID 5的性能会得到提高。

这种方法将提高硬盘子系统的事务处理速度。所谓事务处理，是指处理从许多不同用户来的多个硬盘I/O操作，由于可能同时有很多用户与硬盘打交道，迅速向硬盘写入数据，有时几乎是同时进行的，这种情况下，用分布式奇偶盘的方式比起用专用奇偶盘，瓶颈效应发生的可能性要小。

对硬盘操作来说，RAID 5的写性能比不上直接硬盘分段（指没有校验信息的RAID 0）。因为产生或存储奇偶码需要一些额外操作。例如，在修改一个硬盘上的数据时，其它盘上对应段的数据（即使是无关的数据）也要读入主机，以便产生必要的奇偶信息。奇偶段产生后（这要花一些时间），我们要将更新的数据段和奇偶段写入硬盘，这通常称为读－修改－写策略。因此，虽然RAID 5比RAID 0优越，但就写性能来说，RAID 5不如RAID 0。

镜像技术（RAID 1）和数据奇偶位分段（RAID 5）用于上述的硬盘子系统中时，都产生冗余信息。但在RAID 1中，所有数据都被复制到第二个相同的硬盘上。在RAID 5，数据的XOR码而不是数据本身被复制，因此可以用数据的非常紧凑的表现方式，来恢复由于某一硬盘故障而丢失的数据。

采用RAID 5时，对于5个硬盘的数组，有大约20%的硬盘空间用于存放奇偶码，而十个硬盘的数组只有约10%的空间存放奇偶码。在可用空间总的格式化空间的意义上来说，硬盘系统中的硬盘越多该系统就越省钱。

总之，RAID 5把硬盘分段和奇偶冗余技术的优点结合在一起，这样的硬盘子系统特别适合于事务处理环境，例如民航售票处，汽车出租站，销售系统的终端，等等。在某些场合，可优先考虑RAID 1（在那些写数据比读数据更频繁的情况）。但许多情况，RAID 5提供了将高性能，低价格和数据安全性综合在一起的解决办法。

RAID Level 10

　　

RAID Level 30

　　

RAID Level 50

　　

硬盘故障恢复
　　
　　镜像和RAID提供了从硬盘故障中恢复数据的新方法。因为数据的所有部分都是有冗余的，数据有效性很高（即使在硬盘发生故障时）。另一重要优点是，恢复数据的工作不用立即进行，因为系统可以在一个硬盘有故障的情况下正常工作，当然在这种情况下，剩下的系统就不再有容错性能。要避免丢失数据就必须在第二个硬盘故障前恢复数据。更换故障硬盘后，要进行数据恢复。在镜像系统中“镜像” 盘上有一个数据备份，因此故障硬盘（主硬盘或镜像硬盘）通过简单的硬盘到硬盘的拷贝操作就能重建数据，如图6所示。这个拷贝操作比从磁带上恢复数据要快得多。