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1、存存存存储储储储技技技技术术术术Asiainfo Technologies(China)Inc.存存存存储议题储议题储议题储议题RAID原理原理SAN介介绍绍5/21/20242RAIDRAID原理原理原理原理RAID简简介介RAID分分类类其他技其他技术术5/21/20243RAID简简介介RAID全名是全名是Redundant Array of Independaent/Inexpensive Disks,中文意思是冗余独立,中文意思是冗余独立/廉价磁廉价磁盘阵盘阵列。列。RAID技技术诞术诞生于生于1987年,由美国加州大学伯克利分校提出。最初的研制目的是年,由美国加州大学伯克利分校提出
2、。最初的研制目的是为为了了组组合小的廉价磁合小的廉价磁盘盘来代替大的昂来代替大的昂贵贵磁磁盘盘,以降低大批量数据存,以降低大批量数据存储储的的费费用,同用,同时时也希望采用冗余信息的方式,使得磁也希望采用冗余信息的方式,使得磁盘盘失效失效时时不会使不会使对对数据的数据的访问访问受受损损失,从而开失,从而开发发出一定水平的数据保出一定水平的数据保护护技技术术,并且能,并且能适当的提升数据适当的提升数据传输传输速度。速度。5/21/20244RAID简简介介计计算机的性能主要受下列因素影响:算机的性能主要受下列因素影响:CPU SpeedMemory SpeedI/O Activity过过去十年来
3、,去十年来,CPU的的处处理速度几乎是几何理速度几乎是几何级级数的数的跃跃升,内存的存取速升,内存的存取速度亦大幅增加,而数据度亦大幅增加,而数据储储存装置存装置主要是磁主要是磁盘盘的存取速度相的存取速度相较较之下,之下,较为缓较为缓慢,整个慢,整个I/O吞吐量不能系吞吐量不能系统统匹配,形成匹配,形成电脑电脑系系统统的瓶的瓶颈颈,拉低了,拉低了电脑电脑系系统统的整体性能,若不能有效的提升磁的整体性能,若不能有效的提升磁盘盘的存取速度,的存取速度,CPU、内存及磁、内存及磁盘间盘间的不平衡将使的不平衡将使CPU及内存的改及内存的改进进形成浪形成浪费费。5/21/20245RAID简简介介RAI
4、D是把多个磁是把多个磁盘组盘组成一个磁成一个磁盘阵盘阵列列(磁磁盘组盘组),逻辑逻辑上当作上当作单单一磁一磁盘盘使用,它将数据以分段(使用,它将数据以分段(striping)的方式)的方式储储存在不同的磁存在不同的磁盘盘中,中,存取数据存取数据时时,阵阵列中的相关磁列中的相关磁盘盘一起一起动动作,大幅减低数据的存取作,大幅减低数据的存取时间时间,同同时时有更佳的空有更佳的空间间利用率。另外磁利用率。另外磁盘阵盘阵列所利用的不同技列所利用的不同技术术,称,称为为RAID Level,不同的,不同的level针对针对不同的系不同的系统统及及应应用,以解决数据安全用,以解决数据安全的的问题问题。RA
5、ID可以可以解决用解决用户对户对磁磁盘输盘输出出输输入系入系统统提出的四大要求:提出的四大要求:增加存取速度增加存取速度容容错错(fault tolerancefault tolerance),即安全性),即安全性有效地利用磁有效地利用磁盘盘空空间间尽量地平衡尽量地平衡CPUCPU、内存及磁、内存及磁盘盘的性能差异,提高的性能差异,提高电脑电脑的整体工作性能的整体工作性能5/21/20246RAID分分类类RAID 0-无差无差错错控制的控制的带带区区组组要要实现实现RAID0RAID0必必须须要有两个以上硬要有两个以上硬盘驱动盘驱动器,器,RAID0RAID0实现实现了了带带区区组组,数据并
6、不是保存在一个硬数据并不是保存在一个硬盘盘上,而是分成数据上,而是分成数据块块保存在不同保存在不同驱动驱动器上,器上,同同时时数据吞吐率大大提高,数据吞吐率大大提高,驱动驱动器的器的负载负载也比也比较较平衡。如果所需要的平衡。如果所需要的数据恰好平均分布在不同的数据恰好平均分布在不同的驱动驱动器上效率最高,因器上效率最高,因为为N N个硬个硬盘盘可以同可以同时读时读取,那么原来取,那么原来读读取同取同样样文件的文件的时间时间被被缩缩短短为为1/N1/N。它不需要它不需要计计算校算校验码验码,实现实现容易。它的缺点是它没有数据差容易。它的缺点是它没有数据差错错控制,控制,如果一个如果一个驱动驱动
7、器中的数据器中的数据发发生生错误错误,即使其它,即使其它盘盘上的数据正确也无回上的数据正确也无回天之力了。不天之力了。不应该应该将它用于将它用于对对数据数据稳稳定性要求高的定性要求高的场场合。如果用合。如果用户进户进行行图图象(包括象(包括动动画)画)编辑编辑和其它要求和其它要求传输传输比比较较大的大的场场合使用合使用RAID0RAID0比比较较合适。合适。5/21/20247RAID分分类类5/21/20248RAID分分类类RAID 1-镜镜象象结结构构对对于使用于使用这这种种RAID1RAID1结结构的构的设备设备来来说说,RAIDRAID控制器必控制器必须须能能够够同同时对时对两个两个
8、盘进盘进行行读读操作和操作和对对两个两个镜镜象象盘进盘进行写操作。它比行写操作。它比较较容易容易设计设计和和实现实现。每。每读读一次一次盘盘只只能能读读出一出一块块数据,也就是数据,也就是说说数据数据块传块传送速率与送速率与单单独的独的盘盘的的读读取速率相同。取速率相同。因因为为RAID1RAID1的校的校验验十分完十分完备备,因此,因此对对系系统统的的处处理能力有很大的影响,通常的理能力有很大的影响,通常的RAID1RAID1功能由功能由软软件件实现实现,而,而这样这样的的实现实现方法在服方法在服务务器器负载负载比比较较重的重的时时候会大大候会大大影响服影响服务务器效率。器效率。因因为为是是
9、镜镜象象结结构,所以在一构,所以在一组盘组盘出出现问题时现问题时,可以使用,可以使用镜镜象,提高系象,提高系统统的容的容错错能力。当您的系能力。当您的系统统需要极高的可靠性需要极高的可靠性时时,如,如进进行数据行数据统计统计,那么使用,那么使用RAID1RAID1比比较较合适。而且合适。而且RAID1RAID1技技术术支持支持“热热替替换换”,即不断,即不断电电的情况下的情况下对对故障磁故障磁盘进盘进行行更更换换,更,更换换完完毕毕只要从只要从镜镜像像盘盘上恢复数据即可。当主硬上恢复数据即可。当主硬盘损盘损坏坏时时,镜镜像硬像硬盘盘就就可以代替主硬可以代替主硬盘盘工作。工作。镜镜像硬像硬盘盘相
10、当于一个相当于一个备备份份盘盘,可想而知,可想而知,这这种硬种硬盘盘模式模式的安全性是非常高的,但的安全性是非常高的,但带带来的后果是硬来的后果是硬盘盘容量利用率很低,只有容量利用率很低,只有50%50%,是所,是所有有RAIDRAID级别级别中最低的。中最低的。5/21/20249RAID分分类类5/21/202410RAID分分类类RAID 2-带带海明海明码码校校验验从概念上从概念上讲讲,RAID 2 RAID 2 同同RAID 3RAID 3类类似,两者都是将数据条似,两者都是将数据条块块化分布于化分布于不同的硬不同的硬盘盘上,条上,条块单块单位位为为位或字位或字节节。然而。然而RAI
11、D 2 RAID 2 使用一定的使用一定的编码编码技技术术来提供来提供错误检查错误检查及恢复。及恢复。这这种种编码编码技技术术需要多个磁需要多个磁盘盘存放存放检查检查及及恢复信息,使得恢复信息,使得RAID 2RAID 2技技术实术实施更复施更复杂杂。因此。因此,在商在商业环业环境中很少使境中很少使用。各个磁用。各个磁盘盘上是数据的各个位,由一个数据不同的位运算得到的海上是数据的各个位,由一个数据不同的位运算得到的海明校明校验码验码可以保存另一可以保存另一组组磁磁盘盘上。由于海明上。由于海明码码的特点,它可以在数据的特点,它可以在数据发发生生错误错误的情况下将的情况下将错误错误校正,以保校正,
12、以保证输证输出的正确。它的数据出的正确。它的数据传传送速送速率相当高,如果希望达到比率相当高,如果希望达到比较较理想的速度,那最好提高保存校理想的速度,那最好提高保存校验码验码ECCECC码码的硬的硬盘盘的性能,的性能,对对于控制器的于控制器的设计设计来来说说,它又比,它又比RAID3RAID3,4 4或或5 5要要简单简单。没有免。没有免费费的午餐,的午餐,这这里也一里也一样样,要利用海明,要利用海明码码,必,必须须要付要付出数据冗余的代价。出数据冗余的代价。输输出数据的速率与出数据的速率与驱动驱动器器组组中速度最慢的相等。中速度最慢的相等。5/21/202411RAID分分类类5/21/2
13、02412RAID分分类类RAID 3-带带奇偶校奇偶校验码验码的并行的并行传传送送这这种校种校验码验码与与RAID2RAID2不同,只能不同,只能查错查错不能不能纠错纠错。它。它访问访问数据数据时时一次一次处处理一个理一个带带区,区,这样这样可以提高可以提高读读取和写入速度。校取和写入速度。校验码验码在写入数据在写入数据时产时产生并保存在另一个磁生并保存在另一个磁盘盘上。需要上。需要实现时实现时用用户户必必须须要有三个以上的要有三个以上的驱动驱动器,写入速率与器,写入速率与读读出速率都很高,因出速率都很高,因为为校校验验位比位比较较少,因此少,因此计计算算时间时间相相对对而言比而言比较较少。
14、用少。用软软件件实现实现RAIDRAID控制将是十分困控制将是十分困难难的,控制器的的,控制器的实实现现也不是很容易。它主要用于也不是很容易。它主要用于图图形(包括形(包括动动画)等要求吞吐率比画)等要求吞吐率比较较高高的的场场合。不同于合。不同于RAID 2RAID 2,RAID 3RAID 3使用使用单块单块磁磁盘盘存放奇偶校存放奇偶校验验信息。信息。如果一如果一块块磁磁盘盘失效,奇偶失效,奇偶盘盘及其他数据及其他数据盘盘可以重新可以重新产产生数据。如果奇生数据。如果奇偶偶盘盘失效,失效,则则不影响数据使用。不影响数据使用。RAID 3RAID 3对对于大量的于大量的连续连续数据可提供很数
15、据可提供很好的好的传输传输率,但率,但对对于随机数据,奇偶于随机数据,奇偶盘盘会成会成为为写操作的瓶写操作的瓶颈颈。5/21/202413RAID分分类类5/21/202414RAID分分类类RAID 4-带带奇偶校奇偶校验码验码的独立磁的独立磁盘结盘结构构RAID4RAID4和和RAID3RAID3很象,不同的是,它很象,不同的是,它对对数据的数据的访问访问是按数据是按数据块进块进行的,行的,也就是按磁也就是按磁盘进盘进行的,每次是一个行的,每次是一个盘盘。它的特点的。它的特点的RAID3RAID3也挺象,不也挺象,不过过在失在失败败恢复恢复时时,它的,它的难难度可要比度可要比RAID3RA
16、ID3大得多了,控制器的大得多了,控制器的设计难设计难度也要大度也要大许许多,而且多,而且访问访问数据的效率不怎么好。数据的效率不怎么好。5/21/202415RAID分分类类RAID 5-分布式奇偶校分布式奇偶校验验的独立磁的独立磁盘结盘结构构不同于不同于RAID3/4,RAID5的奇偶校的奇偶校验码验码存在于所有磁存在于所有磁盘盘上,其中的上,其中的p0代表第代表第0带带区的奇偶校区的奇偶校验值验值,其它的意思也相同。,其它的意思也相同。RAID5的的读读出效出效率很高,写入效率一般。因率很高,写入效率一般。因为为奇偶校奇偶校验码验码在不同的磁在不同的磁盘盘上,所以提高上,所以提高了可靠性
17、。但是它了可靠性。但是它对对数据数据传输传输的并行性解决不好,而且控制器的的并行性解决不好,而且控制器的设计设计也相当困也相当困难难。RAID3 与与RAID5相比,重要的区相比,重要的区别别在于在于RAID3每每进进行行一次数据一次数据传输传输,需涉及到所有的,需涉及到所有的阵阵列列盘盘。而。而对对于于RAID5来来说说,大部分,大部分数据数据传输传输只只对对一一块块磁磁盘盘操作,可操作,可进进行并行操作。在行并行操作。在RAID5中有中有“写写损损失失”,即每一次写操作,将,即每一次写操作,将产产生四个生四个实际实际的的读读/写操作,其中两次写操作,其中两次读读旧旧的数据及奇偶信息,两次写
18、新的数据及奇偶信息。的数据及奇偶信息,两次写新的数据及奇偶信息。5/21/202416RAID分分类类5/21/202417RAID分分类类RAID 6-带带有两种分布存有两种分布存储储的奇偶校的奇偶校验码验码的独立磁的独立磁盘结盘结构构它是它是对对RAID5的的扩扩展,主要是用于要求数据展,主要是用于要求数据绝对绝对不能出不能出错错的的场场合。当合。当然了,由于引入了第二种奇偶校然了,由于引入了第二种奇偶校验值验值,所以需要,所以需要N+2个磁个磁盘盘,同,同时对时对控制器的控制器的设计变设计变得十分复得十分复杂杂,写入速度也不好,用于,写入速度也不好,用于计计算奇偶校算奇偶校验值验值和和验
19、证验证数据正确性所花数据正确性所花费费的的时间时间比比较较多,造成了不必多,造成了不必须须的的负载负载。5/21/202418RAID分分类类RAID 7-优优化的高速数据化的高速数据传传送磁送磁盘结盘结构构RAID7所有的所有的I/O传传送均是同步送均是同步进进行的,可以分行的,可以分别别控制,控制,这样这样提高了提高了系系统统的并行性,提高系的并行性,提高系统访问统访问数据的速度;每个磁数据的速度;每个磁盘盘都都带带有高速有高速缓缓冲冲存存储储器,器,实时实时操作系操作系统统可以使用任何可以使用任何实时实时操作芯片,操作芯片,满满足不同的足不同的实时实时系系统统的需要。可以的需要。可以连连
20、接多台主机,因接多台主机,因为为加入高速加入高速缓缓冲存冲存储储器,当多用器,当多用户访问户访问系系统时统时,访问时间访问时间几乎接近于几乎接近于0。允允许许使用使用SNMP协议进协议进行管理和行管理和监视监视,可以,可以对对校校验验区指定独立的区指定独立的传传送送信道以提高效率。信道以提高效率。需要注意的是它引入了一个高速需要注意的是它引入了一个高速缓缓冲存冲存储储器,器,这这有利有弊,因有利有弊,因为为一旦一旦系系统统断断电电,在高速,在高速缓缓冲存冲存储储器内的数据就会全部器内的数据就会全部丢丢失,因此需要和失,因此需要和UPS一起工作。当然了,一起工作。当然了,这这么快的么快的东东西,
21、价格也非常昂西,价格也非常昂贵贵。5/21/202419RAID分分类类RAID 0+1把把RAID0和和RAID1技技术结术结合起来,即合起来,即RAID0+1。数据除分布在多。数据除分布在多个个盘盘上外,每个上外,每个盘盘都有其物理都有其物理镜镜像像盘盘,提供全冗余能力,允,提供全冗余能力,允许许一个一个以下磁以下磁盘盘故障,而不影响数据可用性,并具有快速故障,而不影响数据可用性,并具有快速读读/写能力。要求写能力。要求至少至少4个硬个硬盘盘才能作成才能作成RAID0+1。5/21/202420其他技其他技术术NRAIDNRAIDNRAIDNRAID即即Non-RAIDNon-RAID,所
22、有磁,所有磁盘盘的容量的容量组组合成一个合成一个逻辑盘逻辑盘,没有数,没有数据据块块分条(分条(noblockstrippingnoblockstripping)。)。NRAIDNRAID不提供数据冗余。要求不提供数据冗余。要求至少一个磁至少一个磁盘盘。与。与RAID0RAID0的差的差别为别为NRAIDNRAID不是并行不是并行读读写。写。JBODJBODJBODJBOD代表代表JustaBunchofDrivesJustaBunchofDrives,磁,磁盘盘控制器把每个物理磁控制器把每个物理磁盘盘看作独立的磁看作独立的磁盘盘,因此每个磁,因此每个磁盘盘都是独立的都是独立的逻辑盘逻辑盘。J
23、BODJBOD也不提也不提供数据冗余。要求至少一个磁供数据冗余。要求至少一个磁盘盘。与。与NRAIDNRAID的差的差别别是是JBODJBOD不会把不会把所有磁所有磁盘盘的容量的容量组组合成一个合成一个逻辑盘逻辑盘。5/21/202421其他技其他技术术SNAPSHOT(SNAPSHOT(快照快照)首先,首先,SnapshotSnapshot会占用磁会占用磁盘盘空空间间(SnapshotLUN)(SnapshotLUN),占用空,占用空间间的多少是由的多少是由变变化数据的多少决定;极端情况下,所有的数据都有化数据的多少决定;极端情况下,所有的数据都有变变化,就需要有与化,就需要有与Target
24、 Target LUNLUN一一样样大小的空大小的空间间。SnapshotSnapshot开始工作的开始工作的时时候,在候,在RAIDRAID控制器的控制器的CacheCache中建立一个数据区域指中建立一个数据区域指针针,与,与Target LUNTarget LUN中的中的BlockBlock一一一一对应对应;当某一个;当某一个BlockBlock的数据中要的数据中要变变化,化,控制器先将原始数据复制到控制器先将原始数据复制到Snapshot LUNSnapshot LUN中,同中,同时时修改指修改指针针,指向,指向SnapshotLUNSnapshotLUN中的中的BlockBlock。
25、当当HostHost需要需要读读Target LUNTarget LUN中数据的中数据的时时候,直接候,直接读读取取Targe LUNTarge LUN;如果;如果读读取取Snapshot LUNSnapshot LUN中的数据,先中的数据,先查询查询内存指内存指针针;数据没有改;数据没有改变变,就直接,就直接读读取取TargetLUNTargetLUN中的中的BlockBlock,如果改,如果改变变,就直接,就直接读读取取Snapshot LUNSnapshot LUN中的中的BlockBlock。也就是也就是说说,SnapshotSnapshot的核心是建立一个指的核心是建立一个指针针列表
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