专题1RAID技术基础培训V1.0

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1、RAID技术基础培训 雷梦龙 工号：04615课程目标学完本课程后，您能够：掌握RAID的基本概念；掌握RAID0，1，3，5，6，10，50各个级别的原理和适用场合；了解校验冗余算法。目 录分区，条块，条带，镜像冗余，校验冗余，软/硬RAID，热备/热换，冗余阵列的运行状态RAID级别以下级别阵列的虚拟磁盘和各物理成员磁盘之间的数据映射关系：0,1,3,5(5E,5EE),6(P+Q,DP),10,50几种RAID级别的比较RAID3 vs RAID5，RAID10 vs RAID5RAID基本概念定义 RAID:伯克利大学的Patterson等人发表论文A Case for Redunda

2、nt Arrays of Inexpensive Disks(RAID)，描述了几种不同类型的磁盘阵列，人们将这几种磁盘阵列的关键字的头字母RAID来指代之。后来，RAB(RAID Advisory Board)又将Inexpensive改为了Independent。动因：替代SLED,提供相同容量的同时还能够提供更高的性能。RAID基本概念 RAID优势 容量扩展方面 很容易扩展容量，不宕机在线扩展容量 性能方面 通过分块提高性能：将IO操作分散到各个不同的磁盘驱动器中，使主机I/O控制器能够处理更多的操作 可用性方面 通过镜像冗余或校验冗余，提供了在个别磁盘失效的情况下仍然保持Raid的可

3、用性的能力 可靠性方面 通过双电源、双控制器、双缓存、双风扇、热备热换等技术提供可靠性RAID基本概念组织数据的方式（分区/分块/条带）分区:又称为Extent；是一个磁盘上的地址连续的存储块。一个磁盘可以划分为多个分区，每个分区可以大小不等，有时也称为逻辑磁盘。分块:又称为Strip；将一个分区分成多个大小相等的、地址相邻的块，这些块称为分块。分块通常被认为是条带的元素。虚拟磁盘以它为单位将虚拟磁盘的地址映射到成员磁盘的地址。条带：又称为Stripe；是阵列的不同分区上的位置相关的strip的集合，是组织不同分区上条块的单位。RAID基本概念组织数据的方式（分区/分块/条带）extent0e

4、xtent0extent1extent0extent1extent1extent1extent0extent2磁盘1磁盘2磁盘3磁盘4分区分条stripestripRAIDRAID基本概念冗余技术（镜像冗余）概念：磁盘镜像是一个简单的设备虚拟化技术，每个I/O操作都会在两个磁盘上执行，两个磁盘看起来就像一个磁盘一样。把写在一个磁盘上的数据另做一份拷贝（即镜像），并将其存储在另一个磁盘上。方式：硬件镜像、软件镜像 读写过程：读：从所有磁盘中读，提高读性能 写：两个写过程都得到响应RAID基本概念冗余技术（镜像冗余）IO控制器镜像软件镜像RAID基本概念冗余技术（校验冗余）异或运算性质1：相同为0

5、，相异为1。设有数据A，B，则校验数据为P：如果A为1，B为0，则校验P为1:A(1)B(0)=P(1)则有B(0)P(1)=A(1);A(1)P(1)=B(0)；如果A为0，B为0，则校验数据P为0:A(0)B(0)=P(0)则有A(0)P(0)=B(0)，B(0)P(0)=A(0)如果A为1，B为1，则校验数据P为0:A(1)B(1)=P(0)则有，A(1)P(0)=B(1)，B(1)P(0)=A(1)结论：无论ABP如何取值，只要知道其中任意两个就可以知道另外一个RAID基本概念冗余技术（校验冗余）异或运算性质2(A B)C=P(A B)C C=P CA B 0=P CA B=P C (

6、A B)P=C结论：由第1个等式和第5个等式，可看出多数据的校验同样有效写操作优化：二读二写优化前优化前：需要读取条带中所有的条块，计算新校验，写新校验和新数据优化后优化后：只需读取原数据块D和所在条带的校验数据P，根据P计算新的校验数据P=P xor D xor D ，最后写入新校验和新数据。这就避免读所有的磁盘的数据，提高了性能。依据：D1 D2 D3 D4 D5=P=D2 D3 D4 D5=P D1 D1 D2 D3 D4 D5=P=D1 P D1=P (说明：D1为要写的新数据，P校验，P为新校验)RAID基本概念硬RAID和软RAID 软RAIDRAID 的所有功能都依赖于主机CPU

7、来完成，没有第三方的控制/处理（业界称其为RAID 协处理器RAID Co-Processor）与I/O芯片，效率低，性能差。硬RAID有专门的RAID 控制/处理与I/O处理芯片，用来处理RAID任务，不需主机CPU资源，效率高，性能好。区分标准：完成区分标准：完成RAID功能是否占用主机功能是否占用主机CPU资源资源RAID基本概念 常用RAID工具 软RAIDMD:Linux下RAID工具，最新版本支持0,10,5,6一共4种RAID级 别卷管理器:Windows2003 Enterprise下的RAID工具，支持RAID5等级别 硬RAIDAAA-UDMA RAID 卡：Adpatec

8、公司RAID基本概念进一步提高可靠性（热备和热换）热备：HotSpare 定义：当冗余的RAID阵列中某个磁盘失效时，在不干扰当前RAID系统的正常使用的情况下，用RAID系统中另外一个正常的备用磁盘顶替失效磁盘，及时保证RAID系统的冗余性。全局热备：备用磁盘为系统中所有的冗余RAID阵列共享 局部热备：备用磁盘为系统中某一个冗余RAID阵列专用，也称专用备件 热换：HotSwap 定义：在不影响系统正常运转的情况下，用正常的磁盘物理替换RAID系统中失效磁盘 关键在于热插拔时电子器件的保护机制RAID基本概念热备和热换备盘阵列1阵列2磁盘故障热换热备切换RAID基本概念冗余阵列的运行状态（

9、一）建立(Create)此时的动作是将阵列的配置信息写入磁盘，并使得各个磁盘保持冗余一致性。一般是将各成员磁盘的数据区全部写零。正常（Normal）冗余阵列中所有磁盘都处于正常运行状态，此时可允许一个或多个磁盘失效。降级/临界（Degrade/Critical）冗余阵列中有一个（比如RAID5阵列）或多个（比如RAID6阵列）磁盘失效后的状态，但仍然可以向外界提供正常的读写服务，但是此时如果再有一个磁盘失效，则整个阵列则处于不可用的状态RAID基本概念冗余阵列的运行状态（二）重建(Recover/Rebuild)：从降级到正常之间的过渡状态，此时有一个正常的磁盘顶替了失效磁盘，冗余数据正在重建

10、。失效(Failed)：此时失效磁盘数量已经超过阵列所允许冗余的数量，整个阵列处于不可用状态 目 录RAID基本概念分区，条块，条带，镜像冗余，校验冗余，软/硬RAID，热备/热换，冗余阵列的运行状态以下级别阵列的虚拟磁盘和各物理成员磁盘之间的数据映射关系：0,1,3,5(5E,5EE),6(P+Q,DP),10,50几种RAID级别的比较RAID3 vs RAID5，RAID10 vs RAID5RAID级别 RAID0（一）RAID0 定义：Striped Disk Array without Fault Tolerance(没有容错设计的条带磁盘阵列），以条带形式将RAID阵列的数据均匀

11、分布在各个阵列中。RAID0 图解：D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15逻辑磁盘物理磁盘0物理磁盘1物理磁盘2物理磁盘3stripe0stripe1stripe2stripe3RAID级别 RAID0（二）RAID0 小结：至少需要磁盘数2优点缺点极高的读写效率速度快，由于不存在校验，所以不占用cpu资源部署简单无冗余，不是真正的RAID不能用于关键数据环境适用领域视频生成和编辑图像编辑RAID级别 RAID1（一）RAID 1 定义：以镜像作为冗余手段，虚拟磁盘中的数据有多个拷

12、贝，放在成员磁盘上。RAID 1 图解：D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15逻辑磁盘物理磁盘0物理磁盘1D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15RAID级别 RAID1（二）RAID1 小结：至少需要磁盘数2优点缺点理论上读效率是单个磁盘的两倍100的数据冗余设计、使用简单成本高，空间利用率只有1/2适用领域财务、金融等需要高可用的数据存储环境RAID级别 RAID3（一）RAID3 定义：以xor校验为冗余方式，使用专门的磁盘存放校验数据，虚

13、拟磁盘上的数据块被分为更小的数据块并行传输到各个成员物理磁盘上，同时计算出xor校验数据存放到校验磁盘上。RAID3 图解:D0D01D02P0D10D11D12P1D20D21D22P2D30D31D33P3D00D1D2D3.逻辑磁盘物理磁盘0物理磁盘1物理磁盘2校验磁盘RAID级别 RAID3（二）RAID3 小结：至少需要磁盘数3优点缺点较RAID5更高的写速率如果有一个磁盘损坏，对吞吐量影响较小控制器设计复杂不能实现软RAID最好的情况下（各个成员磁盘的运转马达同 步），传输速率仅相当于单个磁盘适用领域视频生成和在线编辑图像和视频编辑其他需要高吞吐量的的场合RAID级别 RAID5（

14、一）RAID5 定义：以XOR检验为冗余方式，校验数据均匀分布在各个数据磁盘上，对各个数据磁盘的访问为异步操作。RAID5 图解：D0D1D2P0D3D4P1 D5D6P2D7D8P3D9D10D11D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15逻辑磁盘物理磁盘0物理磁盘1物理磁盘2物理磁盘3stripe0stripe1stripe2stripe3D12D13P0D11stripe4xorRAID级别 RAID5（二）RAID5 小结：至少需要磁盘数3优点缺点高读取速率中等写速率磁盘损坏会影响系统的吞吐量控制器设计复杂磁盘损坏后，重建很复杂适用领域文件服务器和应用

15、服务器OLTP环境的数据库WEB，EMAIL服务器RAID5的变体介绍 RAID5E和RAID5EE（一）RAID5E和RAID5EE：IBM公司提出，从标准的RAID51热备演变而来。RAID5E将备盘空间分解，然后附加到每个数据盘的后面，RAID5EE将备盘空间分解，然后均匀的分布在各个数据中。RAID5E图解：D0D1D2P0D3D4P1 D5D6P2D7D8P3D9D10D11D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15逻辑磁盘物理磁盘0物理磁盘1物理磁盘2物理磁盘3stripe0stripe1stripe2stripe3D12D13P0D11strip

16、e4物理磁盘4备盘标准RAID5+1个备盘RAID5EHSHSHSHSRAID5的变体介绍 RAID5E和RAID5EE（二）RAID5EE 定义：是RAID5阵列专用备盘的变体，将Hotspare磁盘的空间均匀分布在RAID5阵列中。RAID5EE 图解：D0D1D2P0D3D4P1 D5D6P2D7D8P3D9D10D11D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15逻辑磁盘物理磁盘0物理磁盘1物理磁盘2物理磁盘3stripe0stripe1stripe2stripe3D12D13P0D11stripe4物理磁盘3备盘HSHSHSHSHS标准RAID5+1个备

17、盘RAID5EERAID级别 RAID6 定义：RAID6这个术语首先由INTEL提出来，但目前没有标准定义。广义上讲，人们把能够允许两颗磁盘同时失效的RAID级别统称为RAID6，狭义上讲，特指Intel的RAID P+Q技术。磁盘空间利用率为(N-2)/N,N为RAID6阵列磁盘总数。RAID6技术RAID P+Q：INTEL公司RAID DP：INTEL和NetApp公司RAID ADG：HP公司RAID6 RAID P+Q（一）工作原理：计算出两个校验数据P和Q，当有两个数据丢失时，根据P和Q恢复出丢失的数据。-(1)-(2)说明：表示xor运算 表示GF乘法,A1,A2,A3,An-

18、1是固定系数.我们可以看到，(1)(2)两式组合起来可以得到一个方程组。当同时有两个数据丢失时，我们可以对这个方程组进行求解，从而得到两个丢失的数据。RAID6 RAID P+Q（二）恢复过程：现假设Disk3和Disk4磁盘损坏，则：Stripe1中,丢失的数据为D13，D14，有方程组：P1=D13 D14 D15-(1)Q1=(D13)(D14)(D15)-(2)解方程组可得：Stripe2中，丢失的数据为Q2和D24，则：根据P可以算出D24，知道了D21,D24,D25，根据Q定义可以算出Q2Stripe3中，丢失的数据为P3和Q3，则：根据P和Q定义，可以有数据算出P和QStrip

19、e4中，丢失的数据为对于D43和P4，则：P4=D41 D42 D43-(3)D43=D41 D42P4-(5)Q4=(D41)(D42)(D43)-(4)(4)和(5)式同样可以组成一个方程组，这样，用在Stripe1中所使用的方法，解方程组，从而得到D43和P4RAID6 RAID DP（一）工作原理：DP：Double ParityRAID DP在RAID4所使用的一个行xor检验磁盘的基础上，又增加了一个磁盘，用于存放斜XOR校验信息。Data Disk1 Data Disk2Data Disk3 Data Disk4Parity Disk1D11D21D31D41D12D22D32D

20、42D13D23D33D43D14D24D34D44P11P21P31P41Dual Parity Disk RAID4xorRAID DPD11D22D33D44DP1DP5D12D23D34P41DP2D13D24D31D41DP3D14D21D31D42DP4RAID6 RAID DP（二）恢复过程：Data Disk1 Data Disk2Data Disk3 Data Disk4Parity Disk1D13D23D33D43D14D24D34D44P11P21P31P41Dual Parity DiskxorD33D44DP1DP5D23D34P41DP2D13D24P31DP3D

21、14P21DP4Disk1和Disk2同时损坏恢复开始D21D32D11D22D12D41D31D42RAID组合级别 RAID10（一）定义：将镜像和条带组合起来的组合RAID级别，最低一级是RAID1镜像对，第二级为RAID0图解：D1D2D4D4D2D7D8D8D10D11D11D1D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15逻辑磁盘物理磁盘0 物理磁盘1物理磁盘2 物理磁盘3stripe0stripe1stripe2stripe3D13D14D13stripe4D5D7D10D5D14D3D3D9D9D12D12D15D6D6D15物理磁盘4 物理磁盘5RA

22、ID组合级别 RAID10（二）RAID10 小结：至少需要磁盘数4优点缺点高读取速率高写速率，较校验RAID而言，写开销最小至多可以容许n个磁盘同时损坏（2N个磁盘组成的RAID10阵列）贵只有1/2的磁盘利用率适用领域要求高可靠性和高性能的数据库服务器RAID组合级别 RAID50（一）定义：将镜像和条带组合起来的组合RAID级别，最低一级是RAID5镜像对，第二级为RAID0图解：D1P11D4P12D2P13D11P23D15P14D16D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15逻辑磁盘物理磁盘0物理磁盘1物理磁盘2物理磁盘3stripe0stripe

23、1stripe2stripe3D5D10D14D6D3P12D12D13D17P24P22D7物理磁盘4物理磁盘5D16D17D0RAID组合级别 RAID50（二）RAID50 小结：至少需要磁盘数6优点缺点比单个RAI5容纳更多的磁盘比单个RAID5有更好的读性能至多可以容许n个磁盘同时损坏（N个RAID5组成的RAID50阵列）比相同容量的单个RAID5重建时间更短比较难实现同一个RAID5组内的两个磁盘损坏会导致整个RAID50阵列的失效适用领域大型数据库服务器应用服务器文件服务器 目 录RAID基本概念分区，条块，条带，镜像冗余，校验冗余，软/硬RAID，热备/热换，冗余阵列的运行状

24、态RAID级别以下级别阵列的虚拟磁盘和各物理成员磁盘之间的数据映射关系：0,1,3,5(5E,5EE),6(P+Q,DP),10,50RAID3 vs RAID5，RAID10 vs RAID5比较：RAID3 vs RAID5（一）项目RAID3RAID5最少磁盘数33数据保护允许1个磁盘损坏允许1个磁盘损坏读性能很高高写性能高低降级读性能中低降级写性能中低空间利用率67946794比较：RAID10 vs RAID5（二）项目RAID10RAID5最少磁盘数43数据保护每个RAID1子阵列中允许有一个磁盘损坏允许1个磁盘损坏读性能好好写性能中等低降级读性能高低降级写性能高低空间利用率506794 由上表可见，RAID10的整体性能是要好于RAID5的，RAID10的缺点是空间利用率低，由于磁盘价格在不断下降，所以这一缺点所带来的影响正在日益降低谢 谢 !