磁盘阵列原理

6　磁盘阵列配置

磁盘阵列(Disk Array)为“独立磁盘冗余阵列”简称，英文全称Redundant Array of Independent Disks，简称RAID。指将多块独立硬盘(物理硬盘)按不同方式组合成一个硬盘组(逻辑硬盘)，从而提供比单个硬盘更高的存储性能和数据备份功能。磁盘组如同一块硬盘，操作与单个硬盘相同，可分区、格式化等。但磁盘阵列存储速度远高于单个硬盘，可自动完成数据备份。而数据备份作用，在于数据一旦发生损坏，即可迅速利用备份信息恢复损坏数据，从而保障数据安全。

RAID通常由在硬盘阵列塔中的RAID控制器或电脑中的RAID卡来实现。

早期RAID技术主要应用于高级服务器中SCSI接口硬盘系统。由于快速、安全，近年来随着计算机技术的发展，PC机的CPU的速度已进入GHz时代，IDE接口的硬盘也不甘落后，相继推出了ATA66和ATA100硬盘，这就使得RAID技术被应用于中低档甚至个人PC成为可能。

6．1　磁盘阵列原理

组成磁盘阵列的不同方式称为RAID级别(RAID Levels)，不同RAID级别代表着不同的存储性能、数据安全性和存储成本。经过不断发展，现在已拥有了从RAID 0到RAID 6，这七种基本的RAID级别。另外，还有一些基本RAID级别的组合形式，例如RAID 10是RAID 0与RAID 1的组合;RAID 50是RAID 0与RAID 5的组合等。目前最为常用的RAID形式是:

(1)RAID 0。

(2)RAID 1。

(3)RAID 0+ 1。

(4)RAID 3。

(5)RAID 5。

RAID级别的选择因素主要是可用性(数据冗余)、性能和成本。撇开可用性

不谈，选择RAID 0能获得最佳性能;若只注重可用性和性能，不考虑成本，可根据硬盘数量选择RAID 1;但若要全盘兼顾可用性、性能和成本，则应根据一般的数据传输情况和硬盘数量选择RAID 3、RAID 5。

6．1．1　RAID 0

RAID 0又称Stripe(条带化)或Striping，它代表了所有RAID级别中最高的存储性能。RAID 0提高存储性能的原理是把连续的数据分散到多个磁盘上进行存取。这样，系统有数据请求时，就可以被多个磁盘并行执行，每个磁盘执行属于自身部分的数据请求。这种数据上的并行操作可以充分利用总线带宽，显著提高磁盘整体存取性能。

如上图所示，系统向由三个磁盘组成的逻辑硬盘(RAID 0磁盘组)发出的I/O数据请求被转化为3项操作，每一项操作对应于一块物理硬盘。通过建立RAID 0，原先顺序的数据请求被分散到所有的三块硬盘中同时执行。从理论而言，三块硬盘的并行操作使同一时间内的磁盘读写速度提升了3倍。但由于会受到总线带宽等多种因素的影响，实际上的提升速率必定低于理论值。但与串行传输相比，大量数据并行传输的提速效果之显著，仍然毋庸置疑。

RAID 0的缺点是不提供数据冗余，一旦用户数据损坏，损坏的数据将无法得到恢复。

RAID 0的特点，使其特别适合于对性能要求较高，但不很在意数据安全的领域，例如图形工作站等。对于个人用户，RAID 0也是提高硬盘存储性能的绝佳选择。

6．1．2　RAID 1

RAID 1又称Mirror或Mirroring(镜像)，它能最大限度地保证数据的可用性和可修复性。RAID 1的操作方式是将用户写入硬盘的数据，百分之百地自动复制到另一个硬盘上。

如上图所示，读取数据时，系统先从RAID1的源盘开始读取，若读取成功，系统就不去管备份盘上的数据，若失败，则系统自动转而读取备份盘上的数据，这样就不会造成用户工作任务的中断。当然，如果发生硬盘损坏，仍应当及时更换，并利用备份数据重建Mirror，以免备份盘一旦也损坏，造成不可挽回的数据损失。

由于对所存储的数据进行百分之百的备份，因此在所有RAID级别中，RAID 1的数据安全性最高。但是，也同样因为百分之百备份数据，备份数据占用了总存储空间的一半，因而造成了其磁盘空间利用率较低，存储成本高。

Mirror虽不能提高存储性能，但由于具有的高数据安全性，使其尤其适合于存放重要数据，例如服务器和数据库存储等领域。

6．1．3　RAID 0+1

正如其名字一样，RAID 0+ 1是RAID 0和RAID 1的组合形式，也称RAID 10。RAID 0+ 1兼顾了存储性能和数据安全，在提供与RAID 1一样的数据安全保障的同时，又提供了与RAID 0近似的存储性能。以四个磁盘组成的RAID 0+ 1为例，其数据存储方式如下图所示:

由于RAID 0+ 1也通过百分之百备份数据来提供数据安全保障，因此RAID 0 + 1的磁盘空间利用率与RAID 1相同，存储成本高。

RAID 0+ 1的特点使其特别适合于既有大量数据需要存取，又严格要求数据安全性的领域，例如银行、金融、商业超市、仓储库房、各种档案管理等。

6．1．4　RAID 3

RAID 3是将数据分成多个“块”，按照一定的容错算法，存放在N+ 1个硬盘上，实际数据占用的有效空间为N个硬盘的空间总和，而第N+ 1个硬盘上存储的数据是校验容错信息。当这N+ 1个硬盘中的其中一个出现故障时，通过其他N个硬盘中的数据也可以恢复原始数据，因此仅使用这N个硬盘也可以“带伤”继续工作。更换掉故障硬盘后，系统可以重新恢复完整的校验容错信息。由于在一个硬盘阵列中，一个以上硬盘同时出现故障的几率很小，所以一般情况下，RAID 3的安全性是可以保障的。

与RAID 0相比，RAID 3的读写速度相对较慢。通常，RAID 3比较适合大文件类型且安全性要求较高的应用，例如视频编辑、硬盘播出机、大型数据库等。

6．1．5　RAID 5

RAID 5是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案。以4个硬盘组成的RAID 5为例，其数据存储方式如下图所示:

图中的P0为D0、D1和D2的奇偶校验信息，其他以此类推。从图中可以看出，RAID 5并不对存储的数据进行备份，而是把数据和相对应的奇偶校验信息存储到组成RAID5的各个磁盘上，并且奇偶校验信息和相对应的数据是分别存储于不同的磁盘上。当其中某一个磁盘数据发生损坏，就可利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息来恢复被损坏的数据。

RAID 5可以理解为是RAID 0和RAID 1的折衷方案。它可以为系统提供数据安全保障，但保障程度要比Mirror低，但磁盘空间利用率比Mirror高。RAID 5具有和RAID 0相近似的数据读取速度，只是多了一个奇偶校验信息，写入数据的速度比对单个磁盘进行写入操作要稍慢。同时，由于是多个数据对应一个奇偶校验信息，因此RAID 5的磁盘空间利用率要比RAID 1高，存储成本相对较低。

6．2　磁盘阵列配置实例

当硬盘连接到磁盘阵列卡(RAID)上时，操作系统并不能直接看到物理硬盘，而需要被分别创建成RAID 0、1或者5等的虚拟磁盘(Virtual Drive，又称容器＜Container＞、逻辑磁盘＜Logic Drive＞，不同阵列卡厂商的叫法不同)，系统才能够正确识别。

磁盘阵列的配置通常是利用磁盘阵列卡的BIOS工具进行，或者使用用第三方提供的配置工具软件来实现对阵列卡的管理，例如Dell Array Manager。本文将要介绍的是在DELL服务器中，利用阵列卡的BIOS工具进行磁盘阵列配置的方法。

配置Adaptec磁盘阵列控制器(PERC2、PERC2/SI、PERC3/SI和PERC3/DI)的DELL服务器，在系统开机自检时将看到以下信息:

Dell PowerEdge Expandable RAID Controller 3/Di，BIOS V2．7－x［Build xxxx］(c) 1998－2002 Adaptec，Inc．All Rights Reserved．　＜＜＜Press CTRL+ A for Configuration Utility!＞＞＞

配置AMI/LSI磁盘阵列控制器(PERC2/SC、PERC2/DC、PERC3/SC、PERC3/ DC、PERC4/DI和PERC4/DC)的DELL服务器，在系统开机自检时将看到以下信息:

Dell PowerEdge Expandable RAID Controller BIOS X．XX Jun 26．2001 Copyright (C) AMERICAN MEGATRENDS INC．

Press CTRL+M to Run Configuration Utility or Press CTRL+H　for WebBios

或者是:

PowerEdge Expandable RAID Controller BIOSX．XX Feb 03，2003 Copyright(C) LSILogic Corp．

Press CTRL+M to Run Configuration Utility or Press CTRL+H　for WebBios

以下将就上述两种情况分别予以介绍。

6．2．1在Adaptec磁盘阵列控制器上创建RAID

(1)开始创建前先备份服务器上数据，因为配置磁盘阵列的过程将会删除服务器硬盘上的所有数据。

(2)当系统自检过程中出现下图中的提示时，同时按下“Ctrl”+“A”键。

(3)进入磁盘阵列卡的配置程序界面，选择“Container configuration utility”，按“回车”。

(4)进入配置界面，选择“Initialize Drivers”，按回车。

(5)界面中出现的是RAID卡的通道和连接通道的硬盘，使用“Insert”键选中需要被初始化的硬盘(具体操作方法参见界面底部的提示)。选择完所有需要加入阵列的磁盘后，按“回车”。

(6)然后系统会弹出提示框，提示用户“进行初始化操作将全部删除所选硬盘中的数据，并中断所有正在使用这些硬盘的用户”，按“Y”键确认。

(7)进入配置主菜单(Main Menu)界面。硬盘初始化后就可根据需要，创建相应阵列级别的RAID(本文以RAID 5进行说明)。选择“Create container”，按“回车”。

(8)进入配置界面，按“insert”键添加需要用于创建Container的硬盘至右侧列表中，然后按“回车”。

(9)用“回车”选择好RAID级别，输入卷标和大小，其他项均保持默认值不变，然后点击“Done”按钮进行确认。

(10)然后系统会提示“在所创建的容器没有被成功完成‘Scrub(清除)’之前，这个容器是没有冗余功能的”。

(11)按“回车”键返回到主菜单配置界面，选中“Manage containers”，按“回车”后即弹出当前的容器配置状态。选中相应的容器，检查该容器“Container Status”选项中的“Scrub”进程百分比。当其变为“Ok”时，这个新创建的“Container”便具有了冗余功能。

(12)容器创建好后，按“ESC”键退出磁盘阵列配置界面，然后重新启动计算机即可。

6．2．2　在AIM/LSI磁盘阵列控制器上创建逻辑磁盘

(1)开始创建前先备份服务器上数据，因为配置磁盘阵列的过程将会删除服务器硬盘上的所有数据。

(2)在开机自检过程中，出现如下提示画面时，同时按下“Ctrl”+“M”键。

(3)进入RAID的配置界面，按任意键继续。

(4)继续进入管理主菜单(Management Menu)配置界面，选中“Configure”，按“回车”键后，会弹出下级子菜单。

(5)若已经存在一个可使用的逻辑磁盘，请选中“View/Add Configuration”，按“回车”键;若要重新配置一个RAID，则选“New Configuration”。本文将以新建磁盘阵列为例进行介绍。选中“New Configuration”并按“回车”，在弹出的小对话框中选择“YES”，再按“回车”。

(6)进入如下配置界面后，使用“空格”键选中准备要创建逻辑磁盘的硬盘，当该逻辑磁盘里最后的一个硬盘被选中后，按“回车”。

(7)若服务器中的阵列卡类型不是PERC4 DI/DC，则跳过本小节直接进入下一步，配置逻辑磁盘。若是PERC4 DI/DC类型，此时将显示如下图所示的配置界面。在此可以创建多个阵列，然后将其跨接。使用“空格”键选择阵列跨接信息，例如Span－1。

(8)按“F10”，选择适合的RAID类型，其余项保留默认值。选中“Accept”，按“回车”键确认后，会弹出最终配置信息提示框。

(9)按“ESC”键返回主菜单，选中“Initialize”，按“回车”，进入初始化逻辑磁盘界面。

(10)选中需要初始化的逻辑磁盘，按“空格”键后，会弹出一个确认框，选“YES”并按“回车”，即开始初始化进程。

(11)初始化完成后，按任意键继续，然后重启系统，至此RAID配置过程结束。