硬體 - 磁碟陣列原理介紹說明

[飛鳥]

最近想說一下備份和磁碟陣列，Backup and RAID都在保護資料，為什麼都要同時做了，不能只做一種嗎？

因為我以前不太了解這兩種的差別，所以都會搞不清楚
搞懂了又沒時間記錄

先說說說RAID是什麼東西好了
RAID（Redundant Array of Independent Disks，獨立磁盤冗餘陣列；在台灣一般俗稱：磁碟陣列）

一般的使用
一般會從順序的寫入硬碟(HD)
買了一個新硬碟100G，Format成D:

在我的電腦裡顯示成一個磁碟槽

一般使用把檔案寫到D:，也就是把檔案寫入實碟硬碟中存放

這是現在大多數個人電腦裡的使用方式，如果硬硬壞了，又沒有做備份的話，那資料就沒有了，想辦法找回來吧

相信有人都試過硬碟壞掉過吧，真的想哭都哭不回來的資料…

RAID的誕生
如果是企業資料，重要性比個人資料重要多了，假設政府用來save民眾身份證資料的Server HD，萬一壞掉怎麼辦，那麼重要的資料怎麼可以流失呢，是不是用不會壞的硬碟(應該沒有不會壞的硬碟吧)

為了要保證資料的永久性保存，必須要作一些保護措施，那RAID就此誕生了
RAID有分RAID0,RAID1,RAID2,RAID3,RAID4,RAID5,RAID6 ，也就是0~6，都是對一筆資料作鏡像寫入(Mirroring)或數據交錯存儲(interleaving)等等，來使得資料的正確性，有時還會增加I/O讀取的存取效能，先說幾個模式是最常使用的，就RAID 0 , RAID 1 , RAID 5

RAID 0 (模式0)
這個是最沒有安全性的模式，只是把2台以上的硬碟合併，使得容量變大，如右圖：

當我把2台以上的硬碟合併，實際上是多顆HD組成的，但在我的電腦裡看到的是單一個總容量為200GB的磁區，重新format就可以用200G了

這個RAID的模式是可以增加存取，看看右圖，我如果要把一個檔案寫入時，RAID 0會把檔案分成2份，各自平均的寫入2個硬碟上，這樣以前如果要花1秒鐘才寫入HD，現在只要500ms就完成了，那如果我用5個HD，那就是200ms 了，同樣的，要讀取一個檔案，單個硬碟要500ms，2個就250ms了，所以I/O的速度是成個數成長的，個數愈多，寫入及讀取的時間就變短，這就是 RAID 0的優點

RAID 0 那也是有缺點的，就是當你其中一個HD壞掉，在其他好的硬碟上的資料都是不完整的，就等於沒有保護資料的作用了，所以這是RAID 0的最大缺點，沒有保護作用

RAID 0 優/缺點整理
優點
存儲性能快，可完整使用所有的空間(存儲成本優)

缺點
沒有保護機制


RAID 1 (模式1)
這個是比較有保障的陣列，他的原理是這樣的，使用兩個一樣的硬碟，空間必須要一樣的磁區大小，當你寫入一個檔時，RAID 1 會分別把完整的檔案各自寫入兩個硬碟，也叫作鏡射(Mirror)如右圖：

這是最有保護作用的RAID陣列，不過很浪費硬碟空間，因為如果兩個硬碟各為100GB，共200GB，但可用空間為100GB，讀寫時間沒有變快，因為是同時寫入同一份資料到各個硬碟上，只是最有保障的RAID方式。


這是很但前堤是建議要兩個硬碟必須要磁區一樣的大小，才可以使用到所有的空間，如果一大一小，就會以小空間為準則來使用，比如一個100GB，一個120GB，作RAID 1 可用空間還是100GB而已


所以RAID 1要比較注意在空間上的配置使用

RAID 1優/缺點整理
優點 缺點
有資料保護安全機制
磁碟利用率最低，存取速度低

[img]RAID 5 (模式5)
RAIS 5 是一種存儲性能、資料保護安全和存儲成本兼顧的存儲解決方案。RAID 5 至少需要三顆硬碟以上，如右圖所示：

有A,B,C三個硬碟，可用空間要用算的，公式是有N個硬碟，可用為


容量 x (N-1)


例如：有三個100GB HD，可用空間為：

100GB x (3-1)
=200GB


那少了的空間去那了呢！？
是這樣的，在一個檔案要寫入陣列時，RAID機制會把檔案分成a,b兩份，寫入a->A , b->B硬碟，而第三部份是把a和b兩部使用奇偶校驗信息，算出來的檢證檔p，p寫入C硬碟，這個p有什麼用的呢？


p這個檔案部份除了日後檢查a,b部份的正確性以外，還有"還原"作用，如果：

使用a和b的部份，可以算出p部份
使用a和p的部份，可以算出b部份
使用b和p的部份，可以算出a部份

所以只要其中兩個部份，就可以重建第三份資料，所以在資料保護方面是非常的完整的，而且[奇偶校驗信息]不是只寫在其中一個HD上，而是均勻地分布在陣列所屬的HD上，如右圖的寫入第二檔案，他的[奇偶校驗信息]是第在另一個HD上的。

萬一現在A硬碟有壞軌，壞掉了，只要去買一個硬碟，重新裝到RAID 5 陣列中，設定RAID 卡新的硬碟，在開機後，RAID機制就會從B和C硬碟重新透過[奇偶校驗信息]算出A硬碟應該有的部份，重建還原A硬碟的資料。

當然有人會問說，那同時壞兩個硬碟怎麼辦，我想沒有人那麼倒楣吧，如果真的怕發生，那就要使用RAID 6了[/img]

RAID 5優/缺點整理
優/缺點
結合RAID 0和1 的優點
寫入資料比RAID 1快，比RAID 0慢
空間利用比RAID高，比RAID 0低
磁碟空間利用率比RAID 高，比RAID低
(算是中等成本及效率)

以上三種都是最常用的RAID 陣列模式，還有RAID2,3,4,6，以下簡單的說明一下，借用WIKIedit/RAID網站的內容簡介：
RAID 2

這是RAID 0的改良版，以漢明碼（Hamming Code）的方式將數據進行編碼後分割為獨立的位元，並將數據分別寫入硬碟中。因為在數據中加入了錯誤修正碼（ECC，Error Correction Code），所以數據整體的容量會比原始數據大一些，RAID2最少要三台磁碟機方能運作

RAID 3

採用Bit－interleaving(數據交錯存儲)技術,它需要通過編碼再將數據位元分割後分別存在硬碟中，而將同位元檢查後單獨存在一個硬碟中，但由於數據內的位元分散在不同的硬碟上，因此就算要讀取一小段數據資料都可能需要所有的硬碟進行工作，所以這種規格比較適於讀取大量數據時使用

RAID 4
它與RAID 3不同的是它在分割時是以區塊為單位分別存在硬碟中，但每次的數據存取都必須從同位元檢查的那個硬碟中取出對應的同位元數據進行核對，由於過於頻繁的使用，所以對硬碟的損耗可能會提高!!!!!
RAID 6

同一陣列中容許兩個硬碟同時失效(或是當一個失效後還來不及更換便有第二個失效)後.更換新硬碟時再由另兩個正常硬碟將備份的資料建立在新的硬碟中.所以至少必須具備四或四個以上硬碟才能生效.

其實RAID還可以混合使用的，像RAID 0+1(RAID01) ,RAID 1+0(RAID 10),RAID 0+3(RAID03),RAID 5+0(RAID50)


如果對RAID陣列組合使用有興趣，可以再拜讀維基百科的Nested_RAID_levels

文章同步於鳥巢學習誌：http://netgames123.blogspot.com/