RAID技术及发展趋势探讨

（肖嵘）随着大容量硬盘的价格不断降低，个人电脑的性能不断提升，RAID作为磁盘性能改善的最廉价解决方案，开始进入一般用户的计算机系统。

随着计算机技术的发展，CPU的处理速度成几何级数跃升，内存的存取速度亦大幅增加，而磁盘的存取速度相比之下则显得甚为缓慢。整个I/O吞吐量不能和系统匹配，形成计算机整个系统的瓶颈，降低了计算机的整体性能。为了改进磁盘的存取速度，大型服务器的磁盘多采用RAID技术（Redundant Array of Inexpensive Disks，廉价冗余磁盘阵列）。

RAID技术把多个物理磁盘组成一个阵列，作为一个逻辑磁盘组，将数据以分段的方式存储在这个逻辑磁盘组的不同物理磁盘上，进行数据存取时，阵列中的相关磁盘并行工作，大幅减低了数据存取的时间，同时有更佳的空间利用率。

RAID技术发展的很大原因在于：许多大型机构的数据十分宝贵，如银行的存取款信息、电信的收费记录、国税局的纳税人档案等，这些机构在实施企业信息化时，就要考虑到数据的安全性。目前，很多服务器都会不间断地工作，由于长时间服役，一些磁盘会出现故障，如果没有保护措施，大量重要数据就会丢失。在这种情况下，磁盘阵列的容错功能可以保护这些重要数据的安全。

为了加强容错功能以及使系统在磁盘故障的情况下能迅速地重建数据，以维持系统的性能，一般的磁盘阵列系统都使用热备份的功能。所谓热备份，是在建立磁盘阵列系统时，将其中一个磁盘指定为后备磁盘，这个磁盘在平常并不操作，当阵列中某一个磁盘发生故障时，磁盘阵列立即让后备磁盘取代故障磁盘，并自动将故障磁盘的数据重建在后备磁盘之上，因为反应快速，加上内存减少了磁盘的存取，所以数据重建很快便能完成，对系统的性能影响不大。对于要求不停机的大型数据处理中心或控制中心，热备份更是一项重要的功能，因为它可避免晚间或无人守护时发生磁盘故障所引起的种种不便。

4种磁盘阵列原理

RAID是一种工业标准，各厂商对RAID级别的定义也不尽相同。目前对RAID级别的定义可以获得业界广泛认同的有4种: RAID 0、RAID 1和RAID 5和RAID 7。

RAID 0：没有容错设计的条带磁盘阵列。

如图1所示，一个圆柱代表一块磁盘，它们并联在一起，组成一个磁盘阵列。RAID 0在存储数据时由RAID控制器分割成大小相同的数据条，同时写入阵列中的磁盘。在读取数据时，也是顺序从阵列磁盘中读取后再由RAID控制器进行组合，再传送给系统，这是RAID的一个最重要的特点。这样，数据就等于并行地写入和读取，从而非常有助于提高存储系统的性能。

RAID 0不能算是真正的RAID，因为它没有数据冗余能力。由于没有备份或校验恢复设计，在RAID 0阵列中任何一个磁盘损坏就可导致整个阵列数据的损坏，因为数据都是分布存储的。

RAID 1：采用两个磁盘进行数据完全镜像的磁盘阵列。

如图2所示，两个磁盘彼此镜像，磁盘的内容两两相同。数据写入时，RAID控制器将数据同时写入两个磁盘。当其中一个磁盘发生故障时，另一个磁盘立即进行恢复。

这种磁盘阵列安全性好，技术简单，管理方便，读写性能均好。因为它是一一对应的，所以它无法单块硬盘扩展，要扩展则必须同时对镜像的双方进行同容量的扩展。因为这种冗余方式为了安全起见，实际上只利用了一半的磁盘容量，数据空间浪费大。

RAID 5：采用独立的数据磁盘与分布式校验块的磁盘阵列。

如图3所示，RAID 5采用了数据块的存储方式，在每个独立的磁盘中都开辟了单独的区域用于存储同级数据的XOR校验数据。数据写入时，同级校验数据将即时生成并写入，数据读取时，同级校验数据也将被即时读出并检查源数据的正确性。

RAID 5是目前应用最广泛的RAID技术。各块独立磁盘进行条带化分割，相同的条带区进行奇偶校验，校验数据平均分布在每块硬盘上。以n块硬盘构建的RAID 5阵列可以有n-1块硬盘的容量，存储空间利用率非常高。任何一个磁盘上的数据丢失，均可以通过校验数据推算出来。RAID 5具有数据安全、读写速度快、空间利用率高等优点，应用非常广泛，但不足之处是如果1个磁盘出现故障以后，整个系统的性能将大大降低。

RAID 7：最优化的异步高I/O速率和高数据传输率的磁盘阵列。

RAID 7等级是至今为止理论上性能最高、最优化的异步高I/O速率和高数据传输率的磁盘阵列模式，因为它从组建方式上就已经和以往的方式有了重大的不同。如图4所示，以往一个圆柱代表一个磁盘，而在RAID 7中，多个磁盘组成一个圆柱，它们都有各自的通道，也正因为如此，这个图也可以被分解成一个个磁盘连接在主通道上。这样做的好处就是在读写某一区域的数据时，可以迅速定位，而不会因为以往因单个磁盘的限制，同一时间只能访问该数据区的一部分。在RAID 7中，以前的单个磁盘相当于分割成多个独立的磁盘，有自己的读写通道，效率也大大提高了。

RAID 7是一个整体的系统，有自己的操作系统，有自己的处理器，有自己的总线，而不是通过简单的插卡就可以实现的。按照RAID 7设计者的说法，这种阵列将比其他RAID等级提高150%～600%写入时的I/O性能。

RAID

最新发展趋势

据IDC集团近期公布的一份调查报告表明，外挂RAID设备的销售额占去了外置磁盘存储系统总营收的90%，年增长率达到8.9%。与以往的产品相比，RAID的改进之处多集中在磁盘排列方式的调整上。不过，我们还是从中总结出一些值得关注的新发展趋势。

Disk Trend总裁，自由存储分析师Jim Porter认为: “近年来，RAID技术一直固步自封，没有出现任何新的重大突破。”不过，Porter指出适合小型企业和家庭用户的RAID产品的问世，确实给人们带来了意外的惊喜。

Data Mobility Group公司的高级分析师John Webster也同意Porter的看法，认为“日用化、迷你化”将是RAID产品最大的发展趋势，Webster还特别提到了Broadcom公司推出的嵌在芯片上的Raidcore RAID（RAID-on-a-chip），它就是一款非常典型的微型产品。

除此之外，部分RAID产品还朝着其它一些方向发展。数月前，存储网络产业协会（SNIA）公布了通用独立磁盘冗余阵列（RAID）磁盘数据格式（DDF）架构。通用RAID DDF架构是由DDF技术工作团体（TWG）设计的，旨在规范物理磁盘上存储的RAID配置信息格式，让不同厂商生产的RAID设备在一个操作环境下实现相互协作。

据SNIA的相关负责人士介绍，之所以推出该套标准，主要是为了帮助终端用户完成一些日常任务，比如说，在不同型号不同品牌的RAID设备之间迁移数据。通过套用标准格式来规范化配置信息，依靠部署DDF架构来提升RAID设备的互操作性能，最终扩大终端用户选择产品的空间。