RAID磁盤陣列異常處理

文/賈海鵬 申瑩 寧華

RAID磁盤陣列異常處理

文/賈海鵬1申瑩2寧華1

RAID磁盤陣列技術(shù)作為一種高效、安全的存儲(chǔ)管理技術(shù)被廣泛應(yīng)用。本文對(duì)RAID的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、級(jí)別分類及級(jí)別之間的性能差異進(jìn)行深度分析，并根據(jù)多年的RAID管理經(jīng)驗(yàn)，給出各種RAID出現(xiàn)異常后的處理方案，方案簡單有效。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，各行各業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性、穩(wěn)定性及讀寫速率的要求也越來越高。數(shù)據(jù)的安全顯得尤為重要，數(shù)據(jù)容錯(cuò)機(jī)制也備受關(guān)注。

作為網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)主流技術(shù)的磁盤陣列，它通過數(shù)據(jù)分布存儲(chǔ)、并行訪問以及信息冗余等技術(shù)，極大地?cái)U(kuò)大存儲(chǔ)容量，增強(qiáng)I/O請(qǐng)求處理能力、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)容錯(cuò)，提高數(shù)據(jù)的可靠性。

RAID使用多種存儲(chǔ)技術(shù)保護(hù)數(shù)據(jù)

RAID(Redundant Array of Independent Disks，獨(dú)立磁盤冗余陣列)是一種使用多磁盤驅(qū)動(dòng)器來存儲(chǔ)信息的信息存儲(chǔ)系統(tǒng)，它可以使用多種不同的存儲(chǔ)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別的冗余、錯(cuò)誤恢復(fù)和數(shù)據(jù)保護(hù)功能。

一個(gè)磁盤陣列就是多個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器的集合。磁盤陣列有物理驅(qū)動(dòng)器陣列與邏輯驅(qū)動(dòng)器陣列之分。物理驅(qū)動(dòng)器陣列可以被分開或組合成一個(gè)或多個(gè)邏輯驅(qū)動(dòng)器陣列，邏輯驅(qū)動(dòng)器陣列可以是一個(gè)硬盤，也可以是硬盤中的一個(gè)分區(qū)，邏輯驅(qū)動(dòng)器陣列由可以在操作系統(tǒng)中看到的邏輯驅(qū)動(dòng)器組成。

RAID控制器就是在物理和邏輯驅(qū)動(dòng)器陣列中管理數(shù)據(jù)存取的功能部件。它的功能可以通過硬件實(shí)現(xiàn)，也可以通過軟件來完成。系統(tǒng)通過管理陣列中數(shù)據(jù)的存取，集中力量進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理，提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。硬件RAID控制器一般用于處理大量數(shù)據(jù)的RAID模式。軟件RAID需要占用一定的CPU處理時(shí)間，當(dāng)處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該使用硬件RAID控制器。

通過RAID可以在一個(gè)或多個(gè)磁盤出現(xiàn)故障的情況下防止數(shù)據(jù)丟失，而對(duì)磁盤陣列的操作與單個(gè)硬盤一樣，由于把小容量的磁盤延伸虛擬成大容量的單一磁盤,用戶不必規(guī)劃數(shù)據(jù)在各磁盤的分布,它提高了磁盤空間的使用率,并使磁盤容量幾乎可作無限的延伸。由于存取數(shù)據(jù)時(shí)各個(gè)磁盤一起作存取的動(dòng)作，所以存取更為快捷，大幅加快數(shù)據(jù)存取的時(shí)間。用RAID技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)是一個(gè)符合服務(wù)器大容量硬盤、大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、保護(hù)數(shù)據(jù)安全性、提高運(yùn)行速度等綜合要求的信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。

表1 RAID性能差異比較

RAID技術(shù)優(yōu)勢(shì)

廉價(jià)性

RAID技術(shù)設(shè)計(jì)的基本思想就是把多個(gè)相對(duì)便宜的硬盤組合起來，虛擬成為一個(gè)硬盤陣列組，使性能達(dá)到甚至超過一個(gè)同樣容量的專用硬盤，但是價(jià)格卻低很多。

擴(kuò)展存儲(chǔ)性

多個(gè)硬盤組成更大的空間提供給服務(wù)器使用，并可高效恢復(fù)磁盤，保證數(shù)據(jù)的完整性。

提高吞吐量

多個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，而這些磁盤驅(qū)動(dòng)器在邏輯上又是一個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器，所以使用RAID可以達(dá)到單個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器幾倍、幾十倍甚至上百倍的速率，大幅提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。

實(shí)現(xiàn)安全性

普通磁盤驅(qū)動(dòng)器無法提供容錯(cuò)功能，而RAID和容錯(cuò)是建立在每個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器的硬件容錯(cuò)功能上的，所以它提供更高的安全性。

RAID級(jí)別分類

現(xiàn)有的RAID已經(jīng)比較成熟，成為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通常將組成磁盤陣列的不同方式稱為RAID級(jí)別。

隨著RAID技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已擁有以RAID 0到RAID 7八種基本級(jí)別。另外，還有一些基本RAID級(jí)別的混合模式，如RAID 10、RAID 50、RAID 60等。

最為流行的是RAID 0、RAID 1、RAID 5、RAID 6四種，以及他們之間的混合模式,不同的級(jí)別意義和適用范圍有所不同。下面我們將分別介紹這四種級(jí)別，并以表格形式比較各種RAID級(jí)別的性能差異。

RAID 0

它的數(shù)據(jù)并不是保存在一塊硬盤上,而是分成數(shù)據(jù)塊保存在不同的驅(qū)動(dòng)器上，在N個(gè)磁盤上并行讀寫，讀寫速度理論上將會(huì)是單個(gè)相同硬盤的N倍，因此數(shù)據(jù)吞吐量比較大,負(fù)載也較為平衡。但由于沒有數(shù)據(jù)冗余，它只是單純地提高性能。如果RAID 0陣列中的一個(gè)磁盤失效將直接影響到所有數(shù)據(jù)，所以它不適合應(yīng)用于數(shù)據(jù)安全性高的場(chǎng)合。

RAID 1

通常被稱為RAID鏡像，是通過磁盤數(shù)據(jù)鏡像實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余，在成對(duì)的獨(dú)立磁盤上產(chǎn)生互為備份的數(shù)據(jù)，即所有數(shù)據(jù)都進(jìn)行百分之百的備份。當(dāng)原始數(shù)據(jù)繁忙時(shí)，可直接從鏡像磁盤上讀寫，而不需要重組失效數(shù)據(jù)。

對(duì)于使用RAID 1結(jié)構(gòu)的設(shè)備來說,RAID控制器必須能夠同時(shí)對(duì)2個(gè)盤進(jìn)行讀操作和對(duì)兩個(gè)鏡像盤進(jìn)行寫操作。因?yàn)殓R像結(jié)構(gòu)在一組盤出現(xiàn)問題時(shí),可以使用鏡像,提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。每讀一次盤只能讀出一塊數(shù)據(jù),也就是說數(shù)據(jù)塊傳送速率與單獨(dú)的盤的讀取速率相同,因?yàn)镽AID 1的校驗(yàn)十分完備,對(duì)系統(tǒng)的處理能力有很大的影響，適用于對(duì)安全性要求極高但容量要求不高的系統(tǒng)。

RAID 5

一種分布式奇偶校驗(yàn)的獨(dú)立磁盤結(jié)構(gòu), 是目前應(yīng)用最廣泛的RAID技術(shù)；也是一種存儲(chǔ)性能、數(shù)據(jù)安全和存儲(chǔ)成本兼顧的存儲(chǔ)解決方案。它把數(shù)據(jù)和相對(duì)應(yīng)的奇偶校驗(yàn)信息存儲(chǔ)到組成RAID 5的各個(gè)磁盤上，并且奇偶校驗(yàn)信息和相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在不同磁盤上。它使用一種特殊算法，可以計(jì)算出任何一個(gè)區(qū)域校驗(yàn)塊的存儲(chǔ)位置。這樣就可以確保對(duì)校驗(yàn)塊的任何讀寫操作都會(huì)在所有RAID磁盤中均衡進(jìn)行，從而消除產(chǎn)生瓶頸的可能。

由N塊硬盤構(gòu)建的RAID 5陣列可以有N－1塊硬盤的容量，存儲(chǔ)空間利用率非常高。因?yàn)槠媾夹ｒ?yàn)碼在不同的磁盤上,所以提高了可靠性。它的讀效率很高，但是每一次寫操作,將產(chǎn)生4個(gè)實(shí)際的讀/寫操作，其中兩次讀舊的數(shù)據(jù)及奇偶信息,兩次寫新的數(shù)據(jù)及奇偶信息,塊式的集體訪問效率不錯(cuò)。當(dāng)陣列中的1塊硬盤發(fā)生故障，系統(tǒng)可以使用保存在其它硬盤上的奇偶校驗(yàn)信息恢復(fù)故障硬盤的數(shù)據(jù)，繼續(xù)進(jìn)行正常工作，但整個(gè)系統(tǒng)的性能將大大降低。

RAID 6

RAID 6是在RAID 5基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)保護(hù)而設(shè)計(jì)的一種RAID方式，實(shí)際上是一種擴(kuò)展RAID 5級(jí)別。與RAID 5相比，它增加了第二個(gè)獨(dú)立的奇偶校驗(yàn)信息塊，除了每個(gè)硬盤上都有同級(jí)數(shù)據(jù)XOR校驗(yàn)區(qū)外，還有一個(gè)針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊的XOR校驗(yàn)區(qū)。兩個(gè)獨(dú)立的奇偶校驗(yàn)系統(tǒng)使用不同的算法，數(shù)據(jù)的可靠性非常高，即使兩塊磁盤同時(shí)失效也不會(huì)影響數(shù)據(jù)的使用。

RAID 6的數(shù)據(jù)冗余性能非常好。但是，由于增加了一個(gè)校驗(yàn)，所以寫入的效率較RAID 5還差，并且損失了兩塊有效的存儲(chǔ)空間。表1對(duì)RAID 0、RAID 1、RAID 5、RAID 6性能進(jìn)行比較。

三種RAID異常處理

RAID磁盤陣列出現(xiàn)異常的原因有很多,突然斷電、重構(gòu)RAID、磁盤順序混亂、誤刪除、誤格式化、誤分區(qū)、病毒損壞、硬盤出現(xiàn)壞道或損壞等情況都可能導(dǎo)致RAID信息的異常。

網(wǎng)絡(luò)管理員可以在使用專業(yè)數(shù)據(jù)恢復(fù)軟件之前做一些常規(guī)的判斷與處理。先行關(guān)閉計(jì)算機(jī)的電源，檢查硬盤電源的連接，以及數(shù)據(jù)線是否與硬盤和RAID控制卡連接正常再重新開機(jī)。如果仍不能解決，可能是硬盤的故障，針對(duì)不同級(jí)別的RAID進(jìn)行不同的處理。

RAID 0的異常處理。

不能簡單地使用一塊同規(guī)格的硬盤進(jìn)行替換，因?yàn)镽AID 0的數(shù)據(jù)是分布到每一塊磁盤上，如果任何一塊盤出現(xiàn)問題，數(shù)據(jù)就不會(huì)完整，從而導(dǎo)致RAID失效。所以硬盤必須按順序做好標(biāo)號(hào)后從RAID控制器中取出來，作為單盤進(jìn)行重組。再根據(jù)標(biāo)號(hào)按順序依次從各個(gè)盤數(shù)據(jù)組成一個(gè)鏡像文件，得到完整數(shù)據(jù)。

RAID 1異常處理

RAID l中的兩塊硬盤互為鏡像。所有數(shù)據(jù)都是完全一樣的，所以直接就可以用一塊同規(guī)格的硬盤替換壞硬盤。

RAID 5、RAID 6異常處理

圖1 異常處理的流程

RAID 5機(jī)制支持一塊硬盤offline的情況下保證數(shù)據(jù)的正常訪問，而RAID 6能夠同時(shí)容忍兩塊硬盤offline,數(shù)據(jù)仍能正常訪問，只不過R A I D的性能將大大減弱，成為降級(jí)模式。在RAID 5/RAID 6機(jī)制容忍硬盤損壞的范圍內(nèi)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并用同一規(guī)格的硬盤把壞盤進(jìn)行替換，RAID將會(huì)自動(dòng)重構(gòu),信息數(shù)據(jù)不受影響。如果硬盤損壞數(shù)量超出容忍范圍，陣列便會(huì)失效，我們可以通過RAID控制臺(tái)將失效的最后一塊硬盤force online（強(qiáng)制上線）, 成功后，依次將損壞硬盤換掉；如果不成功就必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重組。重組過程與RAID 0過程類似。RAID異常處理的流程見圖1。

(作者單位1為防空兵學(xué)院教育技術(shù)中心，2為防空兵學(xué)院干部處)