什么是磁盘阵列

RAID是一种将相同的数据存储在多个硬盘的不同位置(因此是冗余的)的方法。通过将数据放在多个硬盘上，输入/输出操作可以以平衡的方式重叠，从而提高性能。因为多个硬盘增加了平均故障间隔时间(MTBF)，存储冗余数据也增加了容错能力。

RAID(独立磁盘冗余阵列)是指“由独立磁盘组成的冗余阵列”。

磁盘阵列由许多独立的磁盘组成，这些磁盘组合成一个容量巨大的磁盘组。单个磁盘提供数据产生的加成效应，可以提高整个磁盘系统的性能。使用这种技术，数据被分成许多部分，并存储在每个硬盘上。

磁盘阵列也可以使用奇偶校验的概念，当阵列中的任何硬盘出现故障时，数据仍然可以被读出，当数据被重建时，数据可以被计算并放回新的硬盘中。

简介

独立磁盘冗余阵列是一种在多个硬盘的不同位置存储相同数据的方法(因此，冗余)。通过将数据放在多个硬盘上，输入/输出操作可以以平衡的方式重叠，从而提高性能。因为多个硬盘增加了平均故障间隔时间(MTBF)，存储冗余数据也增加了容错能力。

1988年，加州大学伯克利分校发表了一篇文章:“取之不尽用之不竭的磁盘冗余阵列案例”。文章中提到了RAID这个词，定义了RAID的五个级别。伯克利大学研究的目的是为了反映当时CPU的快速性能。CPU性能每年增长30 ~ 50%左右，而硬磁机只能增长7%左右。研究小组希望找到一种新技术，可以在短时间内立即提高效率来平衡计算机的计算能力。当时伯克利的研究小组专注于效率和成本。

此外，研究小组还设计了容错和逻辑数据冗余，这导致了RAID理论。在研究之初，廉价磁盘也是主要的关注点，但后来发现大量的廉价磁盘组合无法应用到实际的生产环境中，后来廉价改为独立，有很多独立的磁盘组。

功能

RAID技术主要有以下三个基本功能:

(1)通过对磁盘上的数据进行条带化，以块为单位访问数据，减少了磁盘的机械寻道时间，提高了数据访问速度。

(2)通过同时读取阵列中的多个磁盘，减少了磁盘的机械寻道时间，提高了数据访问速度。

(3)通过镜像或存储奇偶校验信息来实现数据的冗余保护。

分类

磁盘阵列有三种，一种是外置磁盘阵列柜，一种是内置磁盘阵列卡，第三种是软件模拟。

外部磁盘阵列机柜最常用于大型服务器，具有热插拔功能，但这些产品非常昂贵。

内置磁盘阵列卡，由于价格低廉，对安装技术要求高，适合技术人员使用和操作。硬件阵列可以提供在线容量扩展、动态阵列级修改、自动数据恢复、驱动器漫游、缓存等功能。它可以提供性能、数据保护、可靠性、可用性和可管理性解决方案。专用于阵列卡的处理单元。

使用软件模拟是指通过网络操作系统本身提供的磁盘管理功能，将连接的普通SCSI卡上的多个硬盘配置成逻辑磁盘，形成一个阵列。软件阵列可以提供数据冗余，但是磁盘子系统的性能会降低，有的会降低30%左右。所以会降低机器的速度，不适合数据流量大的服务器。

原则

磁盘阵列作为一个独立的系统，直接连接在主机外部或通过网络与主机相连。磁盘阵列有多个端口，可以由不同的主机或不同的端口连接。一台主机连接阵列的不同端口，以提高传输速度。

就像当时PC使用的单盘内部集成缓存一样，磁盘阵列内部有一定数量的缓冲内存，以加快与主机的交互。主机与磁盘阵列的缓存交互，缓存与特定磁盘交互。

在应用中，一些常用的数据需要经常读取。根据内部算法，磁盘阵列找出这些频繁读取的数据，并将其存储在缓存中，这加快了主机读取这些数据的速度。对于不在其他缓存中的数据，主机将直接从磁盘读取它们，并将它们传输到主机。主机写入的数据只写入缓存，主机可以立即完成写入操作。然后由缓存慢慢写入磁盘。

优点和缺点

优势

提高传输速率。磁盘阵列通过同时在多个磁盘上存储和读取数据，大大提高了存储系统的数据吞吐量。在RAID中，许多磁盘驱动器可以同时传输数据，而这些磁盘驱动器在逻辑上是一个磁盘驱动器，所以使用RAID可以达到单个磁盘驱动器的数倍、数十倍甚至数百倍的速率。这也是RAID原本想解决的问题。当时CPU的速度提升很快，但是磁盘驱动器的数据传输速率却无法大幅度提高，需要一个解决方案来解决两者之间的矛盾。突袭终于成功了。

通过数据验证提供容错。如果不包括写在磁盘上的循环冗余校验代码，普通磁盘驱动器不能提供容错。RAID容错是基于每个磁盘驱动器的硬件容错功能，因此提供了更高的安全性。在很多RAID模式下，都有相对完整的互验证/恢复措施，甚至直接互镜像备份，大大提高了RAID系统的容错性和系统的稳定性和冗余性。

磁盘阵列级别

RAID 0

RAID 0是最早的RAID模式，即数据条带化数据条带化技术。RAID 0是最简单的磁盘阵列构造形式，只需要2块以上的硬盘，成本低，可以提高整个磁盘的性能和吞吐量。RAID 0不提供冗余或错误修复功能，但实施成本最低。

实现RAID 0最简单的方法是通过智能磁盘控制器或操作系统中的磁盘驱动器以软件形式将N个硬件形式相同的硬盘连接起来，创建一个大卷集。在使用中，计算机数据是依次写入每个硬盘的，它最大的好处是可以增加整个硬盘的容量。如果使用三个80GB硬盘形成RAID 0模式，磁盘容量将为240GB。它的速度和单个硬盘一模一样。最大的缺点是任何一个硬盘出现故障都会损坏整个系统，可靠性只有单个硬盘的1/N。

为了解决这个问题，出现了RAID 0的另一种模式。也就是说，在N个硬盘上选择一个合理的波段，创建一个波段集。其原理是将顺序写入的数据分配到所有四块硬盘上，同时进行读写。四块硬盘并行操作，磁盘读写速度同时提高四倍。

在创建波段集时，合理选择波段的大小非常重要。如果带宽太大，一个磁盘上的band 空可以满足大部分I/O操作，这样数据的读写还是局限在一两个硬盘上，无法充分发挥并行操作的优势。另一方面，如果带宽太小，任何I/O指令都可能导致大量的读写操作，占用过多的控制器总线带宽。因此，在创建波段集时，我们应该根据实际应用的需要仔细选择波段的大小。

虽然条带集可以将数据均匀地分布到所有磁盘进行读写。但是如果我们把所有的硬盘连接到一个控制器上，可能会带来潜在的危害。这是因为当我们频繁读写时，很容易使控制器或总线过载。为了避免上述问题，建议用户可以使用多个磁盘控制器。最好的解决办法是给每个硬盘配备一个特殊的磁盘控制器。

虽然RAID 0可以提供更多空和更好的性能，但是整个系统是非常不可靠的，如果失败了就无法补救。所以RAID 0一般只有在数据安全要求不高的情况下才会被人们使用。

实现方法

软件磁盘阵列

使用基于主机的软件提供RAID功能是在操作系统级实现的。与硬件RAID相比，软件RAID具有成本低、简单直观的优点。但是，软件RAID有以下缺点。

(1)性能:软件RAID会影响系统的整体性能。这是因为软件RAID需要CPU进行RAID计算。

(2)功能:软件RAID支持有限的RAID级别。

(3)兼容性:软件RAID绑定到主机操作系统，需要验证软件RAID或操作系统升级的兼容性。只有RAID软件和操作系统兼容才能升级，这样会降低数据处理环境的灵活性。

磁盘阵列技术的应用

1、DAS & # 8211直接访问存储设备直接访问存储设备

DAS以服务器为中心，传统的网络存储设备将RAID硬盘阵列直接连接到网络系统的服务器。这种形式的网络存储结构称为DAS(直连存储)。

2、NAS & # 8211网络连接存储网络连接存储设备

NAS以数据为中心。NAS是网络连接存储(Network Attached Storage)的简称，中文称之为NAS存储结构中的直连网络存储。存储系统不再通过I/O总线连接到特定的服务器或客户端，而是通过网络接口直接连接到网络，由用户通过网络访问。

3、SAN & # 8211存储区域网络

SAN是以网络为中心的，是类似于普通局域网的高速存储网络。存储区域网络提供了一种与现有局域网连接的简单方法，允许企业独立增加存储容量，并使网络性能不受数据访问的影响。这种独立专有的网络存储模式使得SAN有很多优点:可扩展性高；存储硬件的功能不受局域网影响；易于管理；集中式管理软件支持远程管理和无人值守操作。容错能力强。

存储区域网络主要用于存储容量大的工作环境，如医院的大型PACS，但由于需求低、成本高，现在存储区域网络的市场受到影响。

磁盘阵列维护

加强磁盘阵列的日常管理和维护是保证磁盘阵列正常高效运行的重要手段。作为存储经理，您应该在日常维护中注意以下几点:

①设置热备盘源盘

将硬盘设置为热备源盘会造成一些浪费，但从安全角度来说还是值得的。大容量磁盘阵列使用RAID5，但有一个硬盘的冗余。如果一个硬盘损坏，整个阵列的安全性将处于危急状态。这时候任何硬盘的一点点丢失都会造成灾难性的后果，所有的数据都会丢失。有一个热备盘源磁盘。当硬盘出现故障时，系统会自动用热备源磁盘替换故障磁盘，重建阵列，然后数据将得到完全保护。

②重要数据的频繁备份

特别重要的数据要经常备份，不要“鸡蛋放在一个篮子里”，即使是安全性更高的磁盘阵列也不会绝对安全。

③建立巡查制度

磁盘阵列还能工作不代表没有故障。磁盘阵列出现故障时，磁盘阵列存储系统的数据读写通常正常。这是一种针对磁盘阵列的安全措施，但它通常会给管理人员一种错觉，认为磁盘阵列没有故障。定期对磁盘阵列进行巡检，不仅可以发现已经发生的故障，还可以了解设备的工作状态，起到预防作用。

固态磁盘阵列技术

目前，固态硬盘的RAID阵列技术主要有三种类型，其中固态硬盘和机械硬盘相结合构建的混合RAID阵列实现了它们的互补特性。随着固态硬盘性价比的不断提高，固态硬盘组合而成的RAID阵列和闪存芯片与固态硬盘芯片组合而成的纯固态硬盘RAID阵列的研发进程得到了推进。目前SSD的价格高于机械硬盘，所以SSD和机械硬盘组成的混合RAID阵列相比其他纯SSD RAID阵列在成本控制上有很大优势。但从性能和可靠性来说，多固态硬盘组成的RAID阵列优于固态硬盘和机械硬盘组成的混合RAID阵列。目前大多数SSD厂商在SSD内部使用芯片级RAID阵列，进一步提高性能，降低功耗。

嵌入式RAID阵列技术的iRAID，这种结构的初步研究结果表明，RAID系统将不再是一组独立的驱动器，未来很可能只有一个单一的高密度磁盘。这将使云存储系统等这些存储系统的磁盘阵列在性能、功耗和体积上有更大的提高，进一步降低成本，更易于维护。因此，嵌入式RAID技术将成为固态硬盘RAID阵列技术的主要研究方向之一，具有广阔的应用前景，涉及教育、娱乐、国防等应用领域，尤其是在航空空领域、军事等工作环境复杂度高、数据安全级别要求高的领域。此外，由于目前对固态硬盘RAID可靠性评估的研究很少，因此有必要尽快完善RAID可靠性评估体系和方法，因此可靠性分析和研究也将成为固态硬盘RAID阵列技术的研究重点之一。

此外，固态硬盘RAID阵列技术的研究还将关注以下两个方面。

1)大数据存储结构和搜索引擎的研究。数据存储系统是决定数据挖掘性能和成本的核心。新的大数据存储架构可以集成分布式和嵌入式搜索引擎中的每个存储驱动，突破数据吞吐量和数据访问存储系统的限制，提高大数据存储接口的带宽。

2)快速重构机制研究。SSD的RAID结构采用相应的重建机制，将加快从统计错误到数据恢复的整个重建过程，有助于降低重建过程中数据丢失的风险。重构机制对于一个完善的固态硬盘RAID结构来说是必不可少的，需要根据其RAID阵列特点进行开发和优化。