磁碟陣列(RAID)原理及各個階層詳細介紹 前言： 什麼是磁碟陣列？ 磁碟陣列的由來： 磁碟陣列，時事所趨： 磁碟陣列有那些優點： 各階層磁碟陣列(RAID)介紹： RAID 0：Striping/Span (切分/延展) RAID 1：Mirroring (磁碟鏡射) RAID 0+1：Mirror + Striping (磁碟鏡射+切分/延展) RAID 3：Parallel with Parity (平行同位元檢查) RAID 5：Striping with Rotating Parity (切分/延展+輪轉同位元) 前言： 現在己經有很多主機板都內建了IDE RAID晶片，除了提供ATA/133功能外，也提供了磁碟陣列功能，給使用者一個完整的 IDE周邊解決方案。不過，應該還有很多人弄不清楚磁碟陣列是什麼，對磁碟陣列的使用及工作原理也有很多疑問。在這裏我 們就來介紹一下磁碟陣列(RAID)的概念與工作原理，相信對各位會有所幫助。 什麼是磁碟陣列？ 磁碟陣列簡稱RAID(Redundant Arrays of Inexpensive Disks)，有”價格便宜且多餘的磁碟陣列”之意。其原理是利用陣列方式來 作磁碟組，配合資料分散排列的設計，提升資料的安全性。磁碟陣列主要針對硬碟，在容量及速度上，無法跟上CPU及記憶體 的發展，提出改善方法。磁碟陣列是由很多便宜、容量較小、穩定性較高、速度較慢磁碟，組合成一個大型的磁碟組，利用個 別磁碟提供資料所產生的加成效果來提升整個磁碟系統的效能。同時，在儲存資料時，利用這項技術，將資料切割成許多區 段，分別存放在各個硬碟上。 磁碟陣列還能利用同位元檢查(Parity Check)的觀念，在陣列中任一顆硬碟故障時，仍可讀出資料，在資料重建時，將故障硬 碟內的資料，經計算後重新置入新硬碟中。 磁碟陣列的由來： 由美國柏克萊大學(University of California-Berkeley)在１９８７年，發表的文章：”A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks”。文章中，談到了RAID這個字彙，而且定義了RAID的5層級。柏克萊大學研究其研究目的為，反應當時CPU快速的性 能。CPU效能每年大約成長30∼50%，而硬磁機只能成長約7%。研究小組希望能找出一種新的技術，在短期內，立即提升效能 來平衡電腦的運算能力。在當時，柏克萊研究小組的主要研究目的是效能與成本。 另外，研究小組也設計出容錯(fault-tolerance)，邏輯資料備份(logical data redundancy)，而產生了RAID 理論。研究初期，便宜 (Inexpensive)的磁碟也是主要的重點，但後來發現，大量便宜磁碟組合並不能適用於現實的生產環境，後來Inexpensive被改為 independence，許多獨立的磁碟組。 磁碟陣列，時事所趨： 自有PC以來，硬碟是最常使用的儲存裝置。但在整個電腦系統架構中，跟CPU與RAM來比，硬碟的速度是PC中最弱的設備 之一。所以，為了加速電腦整體的資料流量，增加儲存的吞吐量，進階改進硬碟資料的安全，磁碟陣列的設計因應而生。 硬碟隨著科技的日新月異，現在其容量已達40GB以上，轉速到了1萬轉，甚至15000轉，而且價格實在是很便宜，再加現在 企業流行，人力資源規畫(Enterprise Resource Planning：ERP)是每個公司建構網路的主要目標。所以，利用區域網路來傳遞資 料，伺服器所使用的硬碟顯得非常重要，除了容量大、速度快之外，穩定更是基本要求。基於此因，磁碟陣列開始廣泛的應用 在個人電腦上。 磁碟陣列其樣式有三種，一是外接式磁碟陣列櫃、二是內接式磁碟陣列卡，三是利用軟體來模擬。外接式磁碟陣列櫃最常被 使用大型伺服器上，具可熱抽換(Hot Swap)的特性，不過這類產品的價格都很貴。內接式磁碟陣列卡，因為價格便宜，但需要 較高的安裝技術，適合技術人員使用操作。另外利用軟體模擬的方式，由於會拖累機器的速度，不適合大資料流量的伺服器。 由上述可知，現在IDE磁碟陣列大行其道的道理；IDE介面硬碟的穩定度與效能表現已有很大的提升，加上成本考量，所以採 用IDE介面硬碟來作為磁碟陣列的決解方案，可說是最佳的方式。 磁碟陣列有那些優點： １.傳輸速率快 ２.儲存容量可提升 ３.提升I/O每秒的數量 ４.增加資料安全性及穩定性 ５.大量資料快速及簡易管理 ６.增加可用運時間，減少維護 各階層磁碟陣列(RAID)介紹： 磁碟陣列是由2個以上的硬碟，模擬一個邏輯硬碟出現在系統中；使用磁碟陣列控制器以達成其存在，利用不同陣列形式，模 擬各種層級。現在我們先來了解磁碟陣列(RAID)到底有幾種模式，一般最常提到及應用的RAID層級分為０、１、０＋１、３ 及５。另外還有一些極少用到的RAID ４及RAID ６在此我們就不提它了。 以下就是各個階層的介紹及圖解： RAID 0：Striping/Span (切分/延展) RAID 1：Mirroring (磁碟鏡射) RAID 0+1：Mirror + Striping (磁碟鏡射+切分/延展) RAID 3：Parallel with Parity (平行同位元檢查) RAID 5：Striping with Rotating Parity (切分/延展+輪轉同位元) RAID 0：Striping/Span (切分/延展) RAID 0，它是將資料儲存在2個以上的硬碟機，其將全部磁碟機的儲存容量合併，藉由將資料切分到全部的磁碟機上，進行平 行讀寫，而達到提高效能增加容量。但是缺點是完全沒有容錯能力，只要有一個磁碟故障，就會導致陣列磁碟的所有資料，毀 於一旦無法挽回。 RAID 1：Mirroring (磁碟鏡射) RAID 1，必須由2個以上的硬碟所組成，由磁碟陣列(RAID)來控制，將資料同時寫入第1個與第2個硬碟，其2組硬碟上的資料完 全相同，也就是其中一個硬碟是用來作備份用途；當其中有一個硬碟故障時，系統照常運作正常。RAID 1是所有RAID階層 上，經濟效益最好，效能很高，極佳的資料安全性。是所有階層中使用最多最廣最符合當初RAID設計概念的一種。唯一小缺 點是，其陣列磁碟容量是全部硬碟容量的一半。 RAID 0+1：Mirror + Striping (磁碟鏡射+切分/延展) RAID 0+1，是結合了RAID 0與1兩種模式，這個階層須具備4個或以上的雙數硬碟所組成。這個模式是由2個硬碟遵守RAID 0規 範，設定成一組，再由每組間遵循RAID 1的規範，使RAID 0+1擁有容錯力及整體讀寫速度與資料安全性。不過，缺點是成本很 高。 RAID 3：Parallel with Parity (平行同位元檢查) RAID 3，最少須3個硬碟或以上，這個階層的磁碟陣列具備了同位元高階智慧型演算法，利用一個硬碟來儲存其運算出來的同 位元值的資料。當陣列磁碟中有一個硬碟發生故障時(當然不能是同位元碟)，只要換上新硬碟後，磁碟陣列控制器就能利用同 位元碟的資料，重新演算得到其舊有資料並回寫建立。因為其同位元檢查資料是將資料切割成數個區段，利用XOR演算法計算 出同位元資料；而其區段以Bytes計算時，稱為RAID 3，如果是以Block計算時，就稱為RAID 4。所以RAID 3在整體讀寫效能會 較慢較差，但在成本上會比RAID 0+1還省一點，其陣列磁碟整體容量計算公式為N-1。 RAID 5：Striping with Rotating Parity (切分/延展+輪轉同位元) RAID 5，最少須3個硬碟，其工作原理與RAID 3相似，主要差別是其同位元資料沒有固定在同個硬碟，是以輪流方式儲存在每 個硬碟上，故稱輪轉同位元。當磁碟陣列控制器利用XOR演算出同位元檢查資料後，會隨著資料分別寫入各台硬碟上，因此整 體讀寫效能比RAID 3要好一些，當然比RAID 0要差。不過在大型資料處理時，需同時讀寫多個硬碟，而同位元檢查是由磁碟陣 列控制器的XOR邏輯所控制的，所以資料處理越大越多時，一定會有所遺失，但這個階層的RAID還是可以提供很高的容錯能 力。 |