[交流] RAID的性能与数据安全

IDE教学课程（二）：
RAID的性能与数据安全









文章内容

IDE教学课程（二）：
RAID的性能与数据安全
已创建:
八月 18, 2002
作者:
Patrick Schmid

类别:
存储指南

小结:
数年前，IDE硬盘只是储存数据的硬件，但现在有了便宜的RAID控制卡，你可以同时连接数个硬盘，组成一个新的大硬盘。RAID 0会将数据平均分散在所有硬盘上，让传输速率倍增；相反的RAID 1则将同一数据同时写入两个硬盘，以增加数据的安全性。 前言


自有计算机以来，其性能就一直是人们所追求的目标。尤其在这不断加速的时代，硬盘的影响要比很多人想象中来得大。Windows操作系统提供了数种优化性能的方法，但硬盘仍有其先天上的限制。使用多个硬盘同时工作可以有效的改善性能问题。
这里所说的技术叫做RAID（Redundant Array of Independent Disk Drives，独立磁盘冗余阵列）。简单的说，我们把数个硬盘组合起来成为一颗硬盘，以增加数据的传输效率，并提高数据安全性。视硬盘数目而定，你可以有多种选择，以达成以下目标：追求高安全性、追求性能、或是两者兼具。要使用不同模式的磁盘阵列，除了硬盘以外，还需要购买相对应的RAID控制卡。这些卡多半可以插进所有计算机的PCI插槽，甚至已经内建在主板上。
选择硬盘时有两点要注意：磁盘空间与转速。目前的磁盘驱动器接口不是UltraATA/100就是UltraATA/133，速度够快了。高转速提供了最大传输效率，以及最小存取时间；但也伴随着高热与噪音等缺点。RAID可以使用任何硬盘；本篇文章将简介这些技术，并着重在这些技术的一些重要细节上。

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数年前，IDE硬盘只是储存数据的硬件，但现在有了便宜的RAID控制卡，你可以同时连接数个硬盘，组成一个新的大硬盘。RAID 0会将数据平均分散在所有硬盘上，让传输速率倍增；相反的RAID 1则将同一数据同时写入两个硬盘，以增加数据的安全性。 入门：存取时间与数据传输率
新一代硬盘的容量将创新高，达200 GB；这是我们两年前无法想象的。
除了这个以外，有两项因素影响硬盘的性能，「存取时间（access time）」与「数据传输率（data transfer rate）」，这两个名词皆望文生义，很好解释。「存取时间」愈短愈好，指得是当我们对硬盘发出读写的请求时，硬盘完成所有动作的时间。由于硬盘每天都有着成千上万次的读写动作，这项因素就显得格外重要，尤其是在使用者常常读写小量数据时。顺道一提，常常我们买硬盘时，会听到「寻道时间（seek time）」，它与「存取时间」无关，时间也极短，两者基础完全不同，无法相提并论。
第二项因素是「数据传输率」，通常它与数据密度（用来描述单位空间所能储存的数据量，或每碟多少GB）与「硬盘转速（rotational speed）」有关。数据间的距离愈短，通过读写头的速度愈快，每个单位时间内的读写量就愈多。
而事实上，「硬盘转速」也对「存取时间」影响很大，因为读取下一笔数据间的空档减少了。多装设缓冲区（也就是所谓的「高速缓存（cache）」）也能大幅提升效率，目前的IDE硬盘多配有2 MB的缓存，有些甚至多达8 MB。最后值得一提的，则是硬盘的电路设计，由于它负责完成所有的工作，所以在有大量请求的情况下，更能显出其长处或缺陷。
与多数计算机周边不同的，是硬盘的性能无法调节，或说「超频（overclocking）」。你可以选用一些软件工具，但这些工具多半只是让你降低硬盘的噪音，或是整理文件碎片以增进性能而已。

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数年前，IDE硬盘只是储存数据的硬件，但现在有了便宜的RAID控制卡，你可以同时连接数个硬盘，组成一个新的大硬盘。RAID 0会将数据平均分散在所有硬盘上，让传输速率倍增；相反的RAID 1则将同一数据同时写入两个硬盘，以增加数据的安全性。 追求更多容量
要增加计算机存储容量，最直接的方法就是多用几个硬盘。通常只要加一个硬盘，就可以让系统性能提升一点。就Windows操作系统而言，加上第二个硬盘之后，你可以把耗带宽的交换文件（swap file，即所谓的「虚拟内存（virtual memory）」）移到这个硬盘上，好与系统文件隔开来。举例来说，执行像Photoshop这一类的应用程序，不把交换文件与系统文件隔开，其速度会慢得让人受不了。
但是，更能增进性能的方式莫过于使用RAID。RAID中的硬盘不是独立运行，而是统一由RAID控制卡指挥。
那RAID到底是如何运行的呢？
建立一个磁盘阵列要从RAID控制卡本身的BIOS开始，把一个个的硬盘加入阵列中。视RAID控制卡、区块大小（block size）、以及硬盘大小的不同，初始化的过程可以花上数个小时。设定区块大小值得我们注意，较大的区块大小可以提供较高的传输效率；但如果你的文件都不太大（小于区块大小），就会造成空间的浪费。一个64 KB的区块就是64 KB，即使你的文件只有1 KB，还是占用了64 KB的大小。
在启动了操作系统之后，接下来要做的就是格式化。在Windows下的「快速格式化（Quick Format）」几乎花不到多少时间；而「完整的格式化（Full Format）」则会检查每个扇区，花上不少时间。在重新启动计算机后，这个磁盘阵列就会被视为一个新的磁盘驱动器，使用上跟单个硬盘没有两样。

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数年前，IDE硬盘只是储存数据的硬件，但现在有了便宜的RAID控制卡，你可以同时连接数个硬盘，组成一个新的大硬盘。RAID 0会将数据平均分散在所有硬盘上，让传输速率倍增；相反的RAID 1则将同一数据同时写入两个硬盘，以增加数据的安全性。 RAID：各种模式的比较
RAID 0：Striping（条带）
就技术上来说，这模式根本无法符合RAID的精神，因为它没有冗余地记录任何数据。这也表示RAID 0不能保证任何数据的安全。所有数据会被平均分散的储存在所有硬盘上，这个阵列被称为「条带集（stripe set）」，这方法也被称为「拉链法（zipper method）」。它的优点非常明显，由于数据分散在多个硬盘上，传输速率会以硬盘的数目倍增，上限为传输通道的最大值（例如在UltraATA/100的计算机上，速度为100 MB/s），或是PCI总线的最大值（以66 MHz、32位的计算机来说，速度为266 MB/s）。然而，这项速度上的优势却牺牲了数据安全性，除非你能保证所有的硬盘都不会出问题。如果任何一个硬盘坏掉，那你会失去所有数据。
RAID 1：磁盘镜像
而RAID 1则完全与RAID 0相反，不追求高性能，而以数据安全性优先。在读写时，所有阵列中的硬盘都会一起动作，读写相同的数据，所以一份数据会有两个的备份，而且保证是最新的数据。
RAID 2：Striping
RAID 2采用了与RAID 0相同的方法，「条带集」会将数据分散在所有硬盘上；但它不是以区块的方式作分散，而是以位（bit）的方式来作。这是因为在存取数据时，RAID 2还加入了ECC（Error Correcting Code）校验码，这些校验码会记录在额外的硬盘上。如果你要确保数据的完整性，那就需要10个数据硬盘，以及4个ECC硬盘。如果要再高一个等级，那就要用到32个数据硬盘，以及7个ECC硬盘。这应该说明了RAID 2未曾流行过的原因。
由于RAID 2使用了以位为基础的「条带集」，所以性能只有二流的表现。如果存取的次数愈多、存取的数据愈短，那RAID 2的表现就愈差。
RAID 3：数据条带化，专门的奇偶校验盘
RAID 3加入了更细致的错误检查方法，数据是以字节（byte）的方式分配到每个硬盘里面去，而奇偶校验码则存在一个单独的硬盘中。但这也正是RAID 3的缺点，因为每次存取数据时，都要到另一个硬盘中去读取校验码；也因此组成磁盘阵列的本意，也就是增进性能这一点，反而被打了折扣。顺道一提，RAID 3最少需要3颗硬盘。
这模式需要非常复杂的控制卡，这也是RAID 3、4、5没有办法流行主流市场的原因。
RAID 4：数据条带化，专门的奇偶校验盘
RAID 4所使用的技术与RAID 3类似，但不是以字节的方式写入数据，而是区块（block）。理论上，这可以加快存取速度；但到另一颗硬盘中去读取校验码仍然是它的瓶颈。
RAID 5：分布式数据、分布式奇偶校验
RAID 5是公认在性能与数据安全上获得平衡的方式。不管是原始数据或是奇偶校验码，都平均的分散在所有硬盘中。它的速度只比RAID 3稍慢；但是安全性会受限，只容许一个硬盘损坏，如果有2个以上损坏，那所有数据都会遗失。要组成RAID 5，最少需要3个硬盘。
RAID 6：分布式数据、分布式奇偶校验
提到RAID 6，就跟提到RAID 5一样；只是奇偶校验的部分加倍而已。这会让性能再往下降一些；但容错能力则增加到两个硬盘损坏，也能运作无误。这模式最少需要5颗硬盘。

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数年前，IDE硬盘只是储存数据的硬件，但现在有了便宜的RAID控制卡，你可以同时连接数个硬盘，组成一个新的大硬盘。RAID 0会将数据平均分散在所有硬盘上，让传输速率倍增；相反的RAID 1则将同一数据同时写入两个硬盘，以增加数据的安全性。 RAID：该怎么搭建？
到目前为止，我们已经讨论过硬盘，却没有对它做深入详解。在设立RAID磁盘阵列时，原则上应该使用一样的硬盘，才能达到最高性能。
不过事实上，还是可以使用不同型号的硬盘；但整个RAID会以较小、较慢的硬盘为运作基础。例如说，在RAID 0数组中有一个30 GB、2个40 GB的硬盘，那么整个数组的大小为90GB，也就是最小那个硬盘的3倍。
同样的情形也发生在2台同样是40 GB，但转速分别为5,400与7,200转的硬盘上：整个数组会以低速的为准。要想让性能增加，换掉那台老旧的硬盘会有所帮助。
如果你用的是多台不同种类的硬盘，那还可以选择磁盘组（span array），又名JBOD（just a bunch of drives，就是一堆磁盘驱动器）。在这种情况中，所有的硬盘都会被串成一列，当作一台磁盘驱动器来用；但它无法提供任何性能，或是数据完整的好处。
另一个不稳定因素是该把硬盘接在哪一个IDE通道上。如果可能的话，每颗硬盘都该拥有自己的IDE通道，并且设为主盘（master）。在双通道的控制卡上，最好只接2个硬盘。虽然接满4个硬盘（每个通道接上2个硬盘，master与slave）应该可以增加性能，但还是比不上用4个通道连接4个硬盘快。
另一个问题是目前只有很少一些IDE RAID控制器支持ATAPI协议。CD-ROM与DVD-ROM都没有必要接在这些控制卡上（更不要去试RAID了）。
硬盘牺牲了！怎么办？


如果你以数据安全为出发点，选对了RAID的等级，那么当硬盘坏掉时，也可以高枕无忧。只要选用了RAID 1、3、4、5、6等模式，那么一颗硬盘坏掉并不会让数据受损。至于此时要采取的步骤，那就因RAID控制卡而异了。
目前大部分的RAID控制卡，会在硬盘损坏时用嘟嘟声、或电子邮件通知网管人员（当然啦，如果你的系统就安装在RAID 0上，那可就不保证这功能能运作正常了）。
如果你用的是较老或较简单的RAID控制卡，那么可能得先将计算机关机，才能更换坏掉的硬盘。重新启动计算机后，进入RAID卡的BIOS中，开始数据重建的过程。
事实上，目前市面上所有的控制卡，包括精简型的，都可以让你在不需要关机的情形下，直接更换硬盘：这叫做「热交换（hot swapping）」；同时数据重建的步骤也完全自动，啥事也不用做。
另一个功能叫做「热备品（hot-spare）」，许多控制卡能让你多接一个预备硬盘，当阵列中的某个硬盘坏掉了，这个预备硬盘就会马上激活，替代坏掉的那一个。
如果你用的是RAID 0或JBOD，而其中有个硬盘坏掉，那你可能再也不会想用这些模式了。虽然还是有办法找回数据，但代价昂贵。有些公司专门帮人救回宝贵的数据（例如OnTrack），不管是读写头损坏、火警、或是其它天灾，他们都会把硬盘拆解开来，救回大部分的数据。但值得注意的是，救回RAID磁盘阵列中的数据要比挽救单个硬盘来得麻烦，其价格也不是以倍数计算就可以了事。
结论是：要常做备份！

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不过性能与数据安全不是我们唯一的考虑；在许多情形下，有大量的数据需要被管理与存放，解决这类问题的正确途径是使用大硬盘组成的RAID阵列。由于几年前，昂贵的SCSI适配卡与SCSI硬盘是唯一的选择，高容量的阵列只有公司与少数玩家用得起。
而现在，100 GB的硬盘要不了几百美元就买得到，跟廉价商品感觉差不多。只要花500美元，就可以拥有一个300~400 GB的磁盘阵列。新推出的硬盘容量甚至高达200 GB，用5颗硬盘就可以跨入1 TB（1000 GB）的境界，高贵而不贵。
混乱会带来麻烦
不管你用的是哪一种RAID模式，对操作系统来说，它仅仅是一个单个的硬盘，也同样需要维护。你每年应该做几次磁盘文件整理；如果是重运行量的磁盘阵列，那么应该每个月都做。为了方便起见，你可以将这烦人的工作放入任务计划中，让计算机自己去执行。
如果其中有颗硬盘开始哀嚎（发出奇怪的声音、性能变差、或是其它不祥的征兆），千万不要迟疑，开始备份重要的数据。如果你的操作系统安装在RAID阵列上，建议你将整个操作系统复制到另一台计算机上；否则的话，可能所有东西都得重装了。

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当购买RAID控制卡时，你大概有2种选择。精简型到处都买得到，甚至已经集成在主板上，其中包含2个IDE通道，支持RAID 0、1、10（条带与镜像），但如果不用RAID，也可以当成一般的ATA控制卡来用。
较复杂的控制卡会有自己的RISC处理器（例如i960），也可以另外安装高速缓存。有了这处理器，你就可以尝试奢侈的RAID模式，例如RAID 3与RAID 5–如果你的硬盘够多的话。
Adaptec

说到高品质的SCSI硬件，直觉上就会想到Adaptec；但它最近几年也开始跨足IDE市场。
双通道UltraATA/100：ATA RAID 1200A
RAID 0、1、10、JBOD、热交换、电子邮件通知
4通道UltraATA/100：ATA RAID 2400A
RAID 0、1、3、10、JBOD、热交换、电子邮件通知
HighPoint

在主板上看到HighPoint控制芯片的机率，会比看到其控制卡的机率要大：
双通道UltraATA/133：RocketRAID133
RAID 0、1、10、JBOD、热交换、电子邮件通知
4通道UltraATA/133：RocketRAID404
RAID 0、1、10、JBOD、热交换、电子邮件通知
LSI Logic

双通道UltraATA/100：Mega RAID IDE 100（原属于AMI公司）
RAID 0、1、10、JBOD、热交换、电子邮件通知
4通道UltraATA/100：Mega RAID i4
RAID 0、1、5、10、JBOD、热交换、电子邮件通知


不适合家用：Promise的SuperTrak SX6000支持RAID 5，并可以安装128 MB的高速缓存。
Promise（乔鼎）

Promise的产品在集成市场与零售市场都同样出色：
双通道UltraATA/133：FastTrak TX2000
RAID 0、1、10、JBOD、热交换、电子邮件通知
5通道UltraATA/133：FastTrak TX2000
RAID 0、1、3、5、10、JBOD、热交换、电子邮件通知

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数年前，IDE硬盘只是储存数据的硬件，但现在有了便宜的RAID控制卡，你可以同时连接数个硬盘，组成一个新的大硬盘。RAID 0会将数据平均分散在所有硬盘上，让传输速率倍增；相反的RAID 1则将同一数据同时写入两个硬盘，以增加数据的安全性。 没有RAID时的RAID
RAID 2、6一定要有RAID控制卡才能运作；而Windows 2000与Windows XP则以软件方式提供了RAID 0、1功能，只要你有足够的硬盘即可。
你可以在「计算机管理」中的「磁盘管理」改变分区或磁盘驱动器号，也可以选取2个以上的硬盘，组成一个软件RAID。
这篇文章
不须额外硬件的磁盘阵列：Windows 2000下自己动手做软RAID
告诉你，在Windows 2000或Windows XP下，如何设定软件RAID的方法。
RAID的限制
要解决长期的性能不足以及安全性问题，RAID无疑是个极佳的方法。但请容我们指出，它不能创造奇迹；如果你因为网管人员没有定期备份RAID上的数据，而造成数据遗失，那千万不要轻易地放过他们。
举例来说，RAID控制卡不能承受短路或雷击；这也表示在最坏的情形下，你的数据会像面包一样的被「烤焦」。所以在关键系统中，UPS（uninterruptible power supply，不断电系统）是必要的配备。
再者，RAID只能提供技术上的保障，可千万不要低估了人为疏失。许多人都有误删文件，又清空了回收站的经验，类似的状况也会在RAID上出现。
人为因素也包括了恶意的攻击，或是不当的软件问题（会将文件删除、格式化、更名、或是安全漏洞等），甚至是现实世界中的威胁（窃盗、野蛮的破坏、火警、洪水等等）。
千万别忘记，只有备份才能确保数据的安全。