RAID技术研究

_42福建电脑2007年第7期RAID技术研究方文平(新疆建设职业技术学院新疆乌鲁木齐830054 )[摘要]:计算机的发展,对信息的存储技术提出了更高的要求。但是磁盘的I0性能始终成为提升的瓶颈。为了解决这一问题,提出了RAID阵列。RAID阵列采用数据分块技术,在多个磁盘上交叉存储使得多盘可平行操作,I0响应时间得到改善,同时利用冗余容错技术,极大提高了磁盘阵列的可靠性和安全性。[关键词]: RAID 存储阵列冗余1.前言.余保证了用户数据的安全性。随着网络技术和计算机技术的迅猛发展，网络带宽与处理辅助技术:因为RAID系统在操作用户数据时需要花费时器性能基本上保持了同步增长，但磁盘I0性能的增长却是严间来产生 和检查"核查"数据,这样就产生了操作瓶颈,使整个系重滞后的。在过去10年,局域网的带宽平均每16个月就增长一统的性 能受到重大影响。为了克服它,RAID系统融入了一些辅倍;而在1984年到1999年这15年间,磁盘的容量虽然增长了助技术,如:高速缓存、并行处理、助写盘和数据映射技巧等,它.1000倍,但传输速率仅增长了40倍,亦即每年仅增长20%多。们都在不同程度上减小了瓶颈, 提高了性能。未来每10年,磁盘的容量将增长100倍,而传输速率仅会增长正是以上这些功能的加入才使得RAID系统性能越来越完10倍。目前,硬盘典型容量为160 GB ,典型IO性能为30MB/s,善,使普通的磁盘阵列上升为智能RAID系统,从基本上解决了将整个硬盘的数据读出需要1.5h。到2020年，单条网络链接的-直以来阻碍计算机发展的"I/O"瓶颈,并且在许多其它方面也带宽可以达到400 Tbps,单个硬盘的容量可达到1IPB, 而那时磁发挥了 巨大的作用,主要表现为:盘的I/0性能只能达到2.5Gbps,将整个硬盘数据读出居然需要I/O性能:RAID系统有效提高了IO性能,这主要是因为系932h!磁盘I0性能的滞后会成为计算机系统乃至网络传输整统对数据所做的操作使系统中各成员盘的数据流的输人输出和体性能提升的瓶颈。随机的1I0请求达到平衡。同时,系统所采用的映射方式也提高为了克服I0瓶颈问题，美国加州大学Berkeley 分校提出了 数据的传输效率,如:-些映射方式把用户数据分成许多小部了廉价冗余磁盘阵列RAID (redundant aray of inexpensive diske)分 ,然后把它们同时写到不同的盘上,从而提高写数据的效率。的概念，后来改为独立冗余磁盘阵列RAID (redundant aray of数据安全:RAID系统大大提高了数据存储的安全性。如果independent disks),目前己成为数据存储的主流技术。存有用户数据的磁盘出现故障，系统会通过使用"核查"数据对2. RAID技术原理用户数据进行恢复。当然,RAID系统对数据所做的处理不同,得RAID系统由两个主要部件组成:控制器及磁盘阵列。控制到的安全性也就不同。 但总的来说,RAID系统普遍地提高了数器是RAID系统的"大脑" ,负责路由、缓冲以及管理主机(或网据的安全性。络)和磁盘阵列之间的数据流。磁盘阵列是把多个磁盘组织起存储管理:RAID系统简化了存储系统的管理。磁盘阵列将来,由阵列管理程序进行统一管理,而给用户看到的是一个或多多个物 理磁盘"结合"成一个虚拟磁盘,这样就使得原来对多个个虚拟盘。当用户对这个虚拟磁盘进行操作时，这些操作经过管存 储单元的管理转化为对单个存储单元的管理,从而减少了管理程序的处理,最终由物理磁盘执行，并将结果告诉给用户,这理的工作量,使管理更为方便。些处理对用户来说是完全透明的，用户不必知道数据是如何存总之,RAID系统就是将大量磁盘通过阵列管理系统组织起储的,-切工作都由程序执行,用户对磁盘阵列的操作与对一-般来,形成磁盘阵列,从而提高存储系统的安全性和I/0性能。硬盘进行的操作没有区别。4. RAID级别分类及比较RAID使用一组磁盘同时进行I0操作从而获得更大的I0RAID从概念的提出到现在，已经出现了多个级别,有明确吞吐量,并依靠存储冗余信息来保障数据的安全性。RAID可以标准的级别分别是0.1.2.3.4.5 等。但是最常用的是0、1.3.5连接SAN、NAS网络或直接连到主机服务器上,以网络连接存储四个级别。 现在简述一下各个级别的工作方式和特点:系统的方式提供服务。1) RAIDO:又称为集带(Sriping)工作方式,是N个磁盘同时3. RAID系统的特点工作。系统传输来的数据,经过RAID控制器平均分配到N个磁RAID系统的一个明显优势是扩大了磁盘的容量。除容量盘中 。从系统的角度看,N个硬盘是- -个容量为N个硬盘容量之外,RAID在可管理性、可靠性及其它性能方面都有其优势。其特和的“大"硬盘。 RAIDO 的主要目的是获得更大的“单个"磁盘容点主要表现在:量。另一方面就是多个硬盘同时读取,从而获得更高的存取速数据冗余:将用户数据和"核查"数据一起放在磁盘阵列的度。 RAID 0的工作原理是将数据块分为多个段,以并行的方式存储空间中。"核查" 数据是用户数据通过特定形式的转化而形分别写进 各RAID成员盘中。这样在读写时就可以并行地在多成的,它和所保护的用户数据放在不同的磁盘上。个通道甚至多个硬盘上同时进行,成倍的提高系统读写速度。但数据再生:是指利用"核查"数据,通过一定的再生算法 ,对由 于数据没有冗余,磁盘出错后无法进行数据恢复。如果其中有用户数据进行及时恢复。一些情况下,还可以对"核查"数据进行一个磁盘出 故鹰|下完整而导致丢失。所以恢复。RAIDO中国煤化工磁盘恢复:当磁盘出现故障时,系统会自动将用户数据和”HCNMHG这种工作方式主要是核查"数据备份到替代磁盘上"核查"数据的备份有效地提高了为数据数据的安全性。在两组磁盘中以达到保护数据的目的,系统的读写速度没有提功能冗余:增加了系统的可用性和实时性。其中最为重要的高。它可以提供最可靠的数据保护,但是磁盘利用率最低,只有是"热备份",它能在系统正常运行的状态下替换掉出故障的硬50%。在整个镜像过程中,只有一半的磁盘容量是有效的,另-盘,而用户却毫无察觉。当RAID中的硬盘出现故障时,功能冗半用来存放同这一半完全相同的数据,也就是数据的冗余。在阵2007年第7期福建电脑43列中每一个磁盘都具有一个对应的镜像盘。对任何- -个磁盘的磁盘 ,接受完全相同的数据，安全性极高。数据写人都会被复制到镜像盘中，系统可以从一组镜像盘中的RAID3将数据分条存到阵列中的所有驱动器,将校验数据任何一个磁盘读取数据,不论其中哪一个硬盘坏了,数据都可以写到阵列中 的一个单独的校验磁盘。因为RAID3需要同步磁盘从镜象盘恢复回来而无需停机，这样就提供了完整、实时的备转 动,而精确地控制磁盘操作是很困难的,所以RAID3很少在份。这种方式在所有RAID模式中需要的磁盘驱动器数量最多。主机卷管理软件 中实现。RAID3 的大部分性能优势来源于缓存总的来说,RAID1在多用户系统中能提供最佳性能和容错能力，和更高的磁盘转动速度。它拥有最高的数据安全性和最短的故障恢复时间。RAIDS是一种旋转奇偶校验独立存取的阵列方式,不使用3) RAID3采用冗余校验码作为冗余数据,综合考虑数据安专门的校验磁盘， 而是将校验数据以循环的方式放在每一个磁全性,数据吞吐率以及磁盘利用率三个指标:它采用校验算法来盘中 。RAIDS的控制比较复杂,尤其是利用硬件对磁盘阵列的控代替数据备份,提高了磁盘利用率,但相对降低了安全性。例如，制 ,因为这种方式的应用比其它级别的RAID有更多的输出/输在只有一个硬盘的数据损坏时，采用一个硬盘的校验数据就完人需求 ,既要速度快,又要处理数据,计算校验值做错误校正全可以恢复数据，而当几个磁盘同时损坏时，就不能恢复。等。 RAIDS没有固定的校验盘,而是按某种规则把奇偶校验信息RAID3的数据以位或字节交叉的方式存于各盘，这就要求各个均匀地分 布在阵列所有的硬盘上。在每块硬盘上,既有数据信息盘的读写是高度同步的，如果其中有-个盘的数据读写不能匹也有校验信息。这解决了争用校验盘的问题,使得在同-组内可配好，则读入到缓冲区的数据是无意义的。并发进行多个写操作。所以RAID5适用于大数据量的操作及各4) RAIDS这种工作方式是将各个硬盘生成的数据校验切种事务处理， 它是一种快速、大容量和容错分布合理的磁盘阵成块,分别存放到组成阵列的各个硬盘中去。就像内存可以通过列。多加一位进行奇偶校验以防止数据传输错误一样,它们也是通5. 总结过牺牲-部分的容量,达到存放对有效数据校核的结果的目的。随着技术的发展,存储网络的应用将大大改变。磁盘子系统RAIDS将校验数据分布在各个盘上,当写操作进行时除非下一和 RAID子系统是建立服务器级存储的主要工具。随着存储容个写操作的校验恰好也在这个盘上(而这种可能性是很小的),否量的持续增长,磁盘的RAID子系统已经成为存储的主流技术。则仍然可以以并行的方式进行。RAID5方式的主要缺陷在于写目前的RAID实现是建立在分条、镜像和基于XOR校验的基础盘的速度很慢,因为在写有效数据的同时,还需要将算出的校验上。随着破盘驱动器价格的持续下降,使用校验RAID的价格因数据写盘，这样就占用了一个通道。在读盘的时候，其速率与索将逐渐削弱 ,而基于镜像的方案将成为主导技术。RAIDO是相当的。各级别RAID的优缺点比较:参考文献:RAIDO本质上并不是-个RAID,因为不带有校验的磁盘1. 赵文辉.网络存储技术[M].北京:清华大学出版社, 2005分条,不提供任何形式的冗余。假如RAIDO的磁盘失败，那么数 2. TOM C.存储区域网络设计(MI.北京:电子工业出版社，20050据将彻底丢失。它能实现多个1IO操作的并行处理。RAID不需3. 崔宝江网络RAID存储系统边界性研究计算机研究与发展205/06要计算校验,因而它是所有类型的阵列中吞吐率最快的,适合高4.刘瑞芳RAID中覃拷贝技术研究华中科技大学学报(自然科学版)速I0的系统。2005/12RAID1主要是磁盘镜像，它适用于需确保安全性又要兼顾5.陈华荚磁盘阵列RAID可靠性分析电子科技大学学报2006/06速度的系统,其数据保护性能很强。磁盘镜像是一个基于块层的6.廖强基于存储网络系统-RAID的研究中 国科技信息2006/01功能，用设备虚拟化的基本形式使两个磁盘看起来就像是一个(上接第40页)4.一个简单开发实例Stnute- -onig.xml的配置文件:下面就以一-个微型的实例(在线求一元二次方程aX7+bX+ :c=0的解)来说明Struts MVC在Web application开发中的实现。//配置ActonForm用Stnuts MVC框架实现求解应用。首先,把应用分解为模dorm-bean name=* equationActionFom" uype=" equation.EquationActioForn"/>Clomn-beans >型,视图和控制器(为了分离业务处理逻辑和数据表示层,提高软件的扩展性和结构性)。然后用web.xml和struts- config.xml将/配置Aetion子控制器映射其封装起来,由struts- config.xml来协调它们工作。成。Calculation.java是处理业务逻辑的JavaBean(如果业务处理..............逻辑比较复杂,模型组建可以用EJB来实现),它封装了计算二元一次方程的相关方法。EquationActionFormn.java 封装了用于从视图接受数据的逻辑。6.结论.4.2创建视图组建。实践证明,struts MVC是一个很好的J2EE的MVC框架。它视图组建由参数输人和结果输人两部分组成。iputjsp 页通过 ActionSerlet和stus confg. xml来控制系统的其他部分共面是Struts应用的数据输人页面。noRealRootjsp ,oneRootjsp和同工作。它使得系统结构清晰,系统的开发变得相对容易,系统twoRootjsp是结果输出部分。的可扩展性得到加强，可维护性得到提高。Struts MVC的架构已4.3创建控制器组建经成为一个成功的范例,它是目前应用最为广泛的架构之一,相EquationActinjava协同AtionSerlet和stuts -configxml信随着 它的不断完善,trts一定会有更广泛的发展空间。完成控制任务。ActionServlet 接收input.do 传送数据的动作,在struts- -config.xml中查找映射，执行子控制器EquationAction。核心代码如下:中国煤化工发大全清华大学出版社,public AcionFon! xcuetctioMapping mappinge AetionF orm form,2006. 2HtpSerletRequest request, HtSerletResponse reponse) {2.张桂:RHC N M H G战.人民邮电出版社205.83.曹广在,王谢华. Struts 数据库项目开发宝典.电子工业出版社,006.1EquationActionForm equatonActonForm :Calculation ealculate new Calculation/paraneterl,parameler2,peramneter3);4. Trygve Reenskaug. The Model -View -Controller (MVC) Is Past and1/获取Sesion,用于保存数据Present. University of OsloHtpSession session-reques.geSession0;5. Gulzar Kartik Ganeshan. Practical J2EE applicationarchitecture[M].USA:Osbome,20031