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本文轉載自微信公眾號「智能計算芯世界」，作者Microsemi 。轉載本文請聯系智能計算芯世界公眾號。

本文全面講解了RAID相關技術和知識，內容包括RAID概念、各種常見的RAID實現形式，實施方案，以及RAID結合應用的實踐等內容，全文下載鏈接：硬件RAID與軟件RAID解析。

近年來，RAID(獨立磁盤冗余陣列)技術逐步發展成滿足數據保護要求的服務器選項。RAID 的首款實施方案誕生于 1990 年，搭載高性能 I/O 處理器的控制器板價格非常昂貴。該處理器的性能與主機CPU 一樣強大。當時，基于硬件的 RAID 解決方案是唯一選項，而 RAID 控制器的成本限制了其在昂貴服務器中的應用。

如今，RAID 的技術廣泛應用，從操作系統軟件功能到獨立的控制器，均可在高端存儲區域網絡內提供優異的數據完整性。這項技術適用于裝載大量硬盤驅動的筆記本電腦、臺式機、工作站、服務器以及移動存儲盒這類移動環境。RAID 甚至還可以應用于 TV 機頂盒或個人存儲設備。本白皮書從較高層面針對各種 RAID 解決方案進行了概述。本書開頭定義了“軟件 RAID”與“硬件RAID”，介紹了這些不同 RAID 實施方案的工作原理及其優勢，幫助用戶為個人應用選擇最佳 RAID 解決方案。

什么是 RAID?

RAID 是一種將多塊獨立式硬盤驅動虛擬化為一個或多個陣列的方式，能夠改善性能、容量和可靠性(可用性)。總陣列容量取決于構建的 RAID 陣列類型以及硬盤驅動的數量和容量。總陣列容量與使用軟件或硬件 RAID 無關。后續章節介紹不同實施方案、優勢和缺點，以及它們對于系統性能和增強數據可用性的效率所產生的影響。

軟件 RAID

簡而言之，軟件 RAID 是 RAID 任務在計算機系統的 CPU 中運行。下圖顯示了一種軟件 RAID 系統。部分軟件 RAID 實施方案中包含一個硬件，初看上去類似于硬件 RAID 實施方案。因此，了解 RAID 代碼利用 CPU 計算能力這一點至關重要。提供 RAID 功能的代碼運行于系統 CPU 中，其與所有相關應用共享操作系統的計算能力。

軟件RAID實施方案

軟件 RAID 可通過多種方法實現：

• 作為純正的操作系統軟件 RAID 解決方案
• 作為包含某些專用硬件的解決方案，可提升性能并減少系統 CPU 資源占用率.

操作系統軟件RAID

在這種情況下，RAID 實施方案應用在不含其他任何硬件的主機中運行。此類軟件 RAID 使用計算機系統附帶的硬盤驅動，該系統內置 I/O 接口或無處理器主機總線陣列卡 (HBA)。RAID 在操作系統加載 RAID 驅動程序軟件后立即激活。這種純正的軟件 RAID 解決方案通常集成于服務器操作系統中，可供用戶免費使用。低成本是這種解決方案的主要優勢。

操作系統軟件RAID的優點：

• 低成本：RAID 功能內置于操作系統內，無需額外付費。唯一的成本是附加硬盤驅動。

操作系統軟件RAID的缺點：

• 啟動時無保護(無法在啟動時管理或保護數據)：RAID 軟件啟動過程中或激活前可能發生驅動器故障或數據受損，導致系統無法運行。
• 附加服務器性能負載：服務器性能受 RAID 應用的影響。涉及的驅動越多(例如涉及 RAID 5 中的奇偶校驗)，RAID 系統越復雜，因此對整體性能的影響越大。該解決方案更加適用于簡單的RAID 0/1/10 場景。
• 操作系統遷移受限：RAID 功能可能受限于當前操作系統。如果部分操作系統版本不支持 RAID 功能，則沒有任何方法可以將陣列遷移到其他操作系統或同一操作系統的不同版本。
• 容易感染病毒：RAID 作為應用程序在操作系統中運行，其功能將遭受病毒攻擊或其他有害軟件的影響。
• 系統崩潰導致數據完整性受損：服務器中的軟件或硬件問題將影響數據一致性和完整性。
• 無回寫緩存：軟件 RAID 僅以直寫模式運行，但硬件 RAID 可在由電池供電的情況下以回寫模式運行，提升了數據保護等級。回寫模式顯著增強 RAID 陣列的寫操作性能。不能為軟件 RAID 增加電池。
• 取決于驅動器品牌和型號。

硬件輔助型軟件RAID

然而，這仍屬軟件 RAID，只是使用硬件輔助彌補純正軟件 RAID 的缺點。這類解決方案通常帶有附加硬件(例如采用 RAID BIOS 的 HBA，或者僅將 RAID BIOS 集成于主板)。附加 BIOS 確保 RAID 功能在系統導通后的可用性，能夠在啟動期間提供冗余，幫助削弱介質錯誤對 RAID 的影響，避免數據損壞或系統操作故障。

此外，這些解決方案多數可以提供一個 BIOS 安裝軟件，適用于系統啟動。這顯著簡化了 RAID 陣列的安裝和維護，無需通過硬盤或 CD-ROM 安裝或啟動操作系統。此外，硬件輔助型軟件 RAID 通常配有各種驅動程序，適用于最為常見的操作系統，因此比純正的軟件 RAID 更加獨立于操作系統。

硬件輔助型軟件RAID的優點：

• 價格適中：主板中的 BIOS 僅需 HBA(插卡)或附加閃存;如果控制器支持 RAID 5，還可能還包含一個硬件 XOR 加速器。
• 啟動時受保護：當啟動驅動器出現介質錯誤或完全故障時，數據可用性不受任何負面影響。
• 通過專用 GUI 和軟件編譯并維護 RAID：輕松安裝并維護 RAID 陣列.

硬件輔助型軟件RAID的缺點：

• 附加服務器性能負載。服務器性能受 RAID 應用的影響。涉及的驅動越多(例如涉及 RAID 5 中的奇偶校驗)，RAID 系統越復雜，因此對整體性能的影響越大。該解決方案更加適用于簡單的RAID 0/1/10 場景。
• 操作系統遷移受限：只要驅動程序在操作系統中運行，RAID 功能便仍然依賴于操作系統。然而，各種操作系統的多個驅動程序允許將陣列遷移到其他操作系統。對于最新推出的操作系統，這可能受 RAID 驅動器可用性的限制(如更新的操作系統版本可能需要新 RAID 驅動器 - RAID 驅動器相比于常規 HBA 驅動器程序更加復雜，所需開發時間可能較長)
• 容易感染病毒：RAID 作為應用程序在操作系統中運行，其功能將遭受病毒攻擊或其他有害軟件的影響。
• 系統崩潰導致數據完整性受損：服務器中的軟件或硬件問題將影響數據一致性和完整性。
• 無回寫緩存：硬件輔助型軟件 RAID 僅以直寫模式運行，但硬件 RAID 可在由電池供電的情況下以回寫模式運行，提升了數據保護等級。回寫模式顯著增強 RAID 陣列的寫操作性能。不能為硬件輔助型軟件 RAID 增加電池。
• 取決于驅動器品牌和型號。

硬件RAID

硬件 RAID 解決方案通過專屬處理器和存儲器運行 RAID 應用程序。在該實施方案中，RAID 系統是一種專用于 RAID 應用程序的獨立式小型計算機系統，能夠將該任務從主機系統中卸載。

硬件RAID 作為解決方案的重要組成部分(例如在主板中集成)或附加卡提供。如果必要的硬件已在系統解決方案中集成，則硬件 RAID 可以作為軟件升級在現有系統中應用。因此，與軟件 RAID 相似，硬件 RAID 初看上去可能無法識別。

辨別解決方案是軟件還是硬件 RAID 最簡單方法是讀取 RAID 解決方案的技術規格或數據表。如果解決方案中包含一個微處理器(通常稱為 I/O 處理器、處理器，有時稱為 ROC(“磁碟陣列控制芯片”)，則該解決方案為硬件 RAID 解決方案。

如果不含處理器，則為軟件 RAID 解決方案。這對于用戶的選擇至關重要，因為軟件 RAID 與硬件 RAID 實施方案對系統產生的影響不同。相關影響包括：

• 運行其他應用程序時的 CPU 利用率和性能
• 可添加到系統中的硬盤驅動可擴展能力
• 數據丟失后可輕松恢復
• 高級數據管理/監視性能
• 支持跨不同操作系統統一管理硬盤驅動
• 支持添加電池備份選項，允許用戶使能控制器寫入緩存，以提升系統的寫操作性能

硬件RAID實施方案，硬件 RAID 可通過多種方法實現：

• 作為分立 RAID 控制器卡
• 作為基于磁碟陣列控制芯片技術的集成硬件

1、分立 RAID 控制器卡

這是一張插入式擴展卡，通常內置 RAID 處理器(I/O 處理器)及專屬驅動器接口(I/O 控制器)。它通常可插入計算機系統主板的 PCI-X 或 PCIe 插槽。這些插卡通常價格最為昂貴，但也是靈活性和性能最優異的 RAID 解決方案。此處的 RAID 功能完全獨立于主機(計算機系統)。該卡的分立式特性允許使用最高性能的 I/O 處理器以及最快的存儲器。RAID 卡可以將創建冗余存儲子系統的任務完全從計算機系統中卸載，即使發生驅動器故障也不會影響系統其余部分的性能。可以使用更加復雜，但空間效率更高的 RAID 等級(如 RAID 5 或 RAID 6)，同時不會影響系統。

卡中的附加 I/O 接口通常可用于提升系統可擴展能力(添加更多硬盤驅動并擴大容量)。即使多個RAID 陣列也不會影響主機系統的性能。這些可以輕松地遷移到其他操作系統，甚至其他主機系統或平臺。

2、基于磁碟陣列控制芯片 (ROC) 技術的集成硬件RAID解決方案

在ROC解決方案中，RAID處理器、內存控制器、主機接口、連接硬盤驅動的 I/O 接口，甚至存儲器均可在同一芯片中集成。該芯片可集成于主板，在節約成本的同時提供硬件 RAID 功能(僅需一個高度集成的 ASIC)。ROC 可替代許多服務器主板中的 I/O 接口芯片(例如 SCSI 控制器芯片)。這表示 ROC 解決方案不只為硬盤驅動集成了連接。

一般而言，硬件RAID 相比于基于軟件的解決方案具備更多優勢，適用于更加復雜的 RAID 算法。例如，測量結果指示軟件 RAID-6 實施方案對系統計算資源造成沉重負載，在降級模式下尤為如此。此時，硬件 RAID 對于這類配置極具吸引力。