硬件RAID與軟件RAID：哪一種最適合？

本文全面講解了RAID相關(guān)技術(shù)和知識(shí)，內(nèi)容包括RAID概念、各種常見的RAID實(shí)現(xiàn)形式，實(shí)施方案，以及RAID結(jié)合應(yīng)用的實(shí)踐等內(nèi)容，全文下載鏈接：硬件RAID與軟件RAID解析。

近年來，RAID（獨(dú)立磁盤冗余陣列）技術(shù)逐步發(fā)展成滿足數(shù)據(jù)保護(hù)要求的服務(wù)器選項(xiàng)。RAID 的首款實(shí)施方案誕生于 1990 年，搭載高性能 I/O 處理器的控制器板價(jià)格非常昂貴。該處理器的性能與主機(jī)CPU 一樣強(qiáng)大。當(dāng)時(shí)，基于硬件的 RAID 解決方案是唯一選項(xiàng)，而 RAID 控制器的成本限制了其在昂貴服務(wù)器中的應(yīng)用。

如今，RAID 的技術(shù)廣泛應(yīng)用，從操作系統(tǒng)軟件功能到獨(dú)立的控制器，均可在高端存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)提供優(yōu)異的數(shù)據(jù)完整性。這項(xiàng)技術(shù)適用于裝載大量硬盤驅(qū)動(dòng)的筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)、工作站、服務(wù)器以及移動(dòng)存儲(chǔ)盒這類移動(dòng)環(huán)境。RAID 甚至還可以應(yīng)用于 TV 機(jī)頂盒或個(gè)人存儲(chǔ)設(shè)備。本白皮書從較高層面針對(duì)各種 RAID 解決方案進(jìn)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(shí)施方案的工作原理及其優(yōu)勢(shì)，幫助用戶為個(gè)人應(yīng)用選擇最佳 RAID 解決方案。

什么是 RAID？

RAID 是一種將多塊獨(dú)立式硬盤驅(qū)動(dòng)虛擬化為一個(gè)或多個(gè)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(gòu)建的 RAID 陣列類型以及硬盤驅(qū)動(dòng)的數(shù)量和容量?？傟嚵腥萘颗c使用軟件或硬件 RAID 無關(guān)。后續(xù)章節(jié)介紹不同實(shí)施方案、優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，以及它們對(duì)于系統(tǒng)性能和增強(qiáng)數(shù)據(jù)可用性的效率所產(chǎn)生的影響。

軟件 RAID

簡(jiǎn)而言之，軟件 RAID 是 RAID 任務(wù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 CPU 中運(yùn)行。下圖顯示了一種軟件 RAID 系統(tǒng)。部分軟件 RAID 實(shí)施方案中包含一個(gè)硬件，初看上去類似于硬件 RAID 實(shí)施方案。因此，了解 RAID 代碼利用 CPU 計(jì)算能力這一點(diǎn)至關(guān)重要。提供 RAID 功能的代碼運(yùn)行于系統(tǒng) CPU 中，其與所有相關(guān)應(yīng)用共享操作系統(tǒng)的計(jì)算能力。

軟件RAID實(shí)施方案

軟件 RAID 可通過多種方法實(shí)現(xiàn)：

? 作為純正的操作系統(tǒng)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(tǒng) CPU 資源占用率.

操作系統(tǒng)軟件RAID

在這種情況下，RAID 實(shí)施方案應(yīng)用在不含其他任何硬件的主機(jī)中運(yùn)行。此類軟件 RAID 使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)附帶的硬盤驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)內(nèi)置 I/O 接口或無處理器主機(jī)總線陣列卡 (HBA)。RAID 在操作系統(tǒng)加載 RAID 驅(qū)動(dòng)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(wù)器操作系統(tǒng)中，可供用戶免費(fèi)使用。低成本是這種解決方案的主要優(yōu)勢(shì)。

操作系統(tǒng)軟件RAID的優(yōu)點(diǎn)：

? 低成本：RAID 功能內(nèi)置于操作系統(tǒng)內(nèi)，無需額外付費(fèi)。唯一的成本是附加硬盤驅(qū)動(dòng)。

操作系統(tǒng)軟件RAID的缺點(diǎn)：

? 啟動(dòng)時(shí)無保護(hù)（無法在啟動(dòng)時(shí)管理或保護(hù)數(shù)據(jù)）：RAID 軟件啟動(dòng)過程中或激活前可能發(fā)生驅(qū)動(dòng)器故障或數(shù)據(jù)受損，導(dǎo)致系統(tǒng)無法運(yùn)行。

? 附加服務(wù)器性能負(fù)載：服務(wù)器性能受 RAID 應(yīng)用的影響。涉及的驅(qū)動(dòng)越多（例如涉及 RAID 5 中的奇偶校驗(yàn)），RAID 系統(tǒng)越復(fù)雜，因此對(duì)整體性能的影響越大。該解決方案更加適用于簡(jiǎn)單的RAID 0/1/10 場(chǎng)景。

? 操作系統(tǒng)遷移受限：RAID 功能可能受限于當(dāng)前操作系統(tǒng)。如果部分操作系統(tǒng)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(tǒng)或同一操作系統(tǒng)的不同版本。

? 容易感染病毒：RAID 作為應(yīng)用程序在操作系統(tǒng)中運(yùn)行，其功能將遭受病毒攻擊或其他有害軟件的影響。

? 系統(tǒng)崩潰導(dǎo)致數(shù)據(jù)完整性受損：服務(wù)器中的軟件或硬件問題將影響數(shù)據(jù)一致性和完整性。

? 無回寫緩存：軟件 RAID 僅以直寫模式運(yùn)行，但硬件 RAID 可在由電池供電的情況下以回寫模式運(yùn)行，提升了數(shù)據(jù)保護(hù)等級(jí)?；貙懩Ｊ斤@著增強(qiáng) RAID 陣列的寫操作性能。不能為軟件 RAID 增加電池。

? 取決于驅(qū)動(dòng)器品牌和型號(hào)。

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(bǔ)純正軟件 RAID 的缺點(diǎn)。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(tǒng)導(dǎo)通后的可用性，能夠在啟動(dòng)期間提供冗余，幫助削弱介質(zhì)錯(cuò)誤對(duì) RAID 的影響，避免數(shù)據(jù)損壞或系統(tǒng)操作故障。

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

硬件輔助型軟件RAID的優(yōu)點(diǎn)：

? 價(jià)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(gè)硬件 XOR 加速器。

? 啟動(dòng)時(shí)受保護(hù)：當(dāng)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)介質(zhì)錯(cuò)誤或完全故障時(shí)，數(shù)據(jù)可用性不受任何負(fù)面影響。

? 通過專用 GUI 和軟件編譯并維護(hù) RAID：輕松安裝并維護(hù) RAID 陣列.

硬件輔助型軟件RAID的缺點(diǎn)：

? 附加服務(wù)器性能負(fù)載。服務(wù)器性能受 RAID 應(yīng)用的影響。涉及的驅(qū)動(dòng)越多（例如涉及 RAID 5 中的奇偶校驗(yàn)），RAID 系統(tǒng)越復(fù)雜，因此對(duì)整體性能的影響越大。該解決方案更加適用于簡(jiǎn)單的RAID 0/1/10 場(chǎng)景。

? 操作系統(tǒng)遷移受限：只要驅(qū)動(dòng)程序在操作系統(tǒng)中運(yùn)行，RAID 功能便仍然依賴于操作系統(tǒng)。然而，各種操作系統(tǒng)的多個(gè)驅(qū)動(dòng)程序允許將陣列遷移到其他操作系統(tǒng)。對(duì)于最新推出的操作系統(tǒng)，這可能受 RAID 驅(qū)動(dòng)器可用性的限制（如更新的操作系統(tǒng)版本可能需要新 RAID 驅(qū)動(dòng)器 - RAID 驅(qū)動(dòng)器相比于常規(guī) HBA 驅(qū)動(dòng)器程序更加復(fù)雜，所需開發(fā)時(shí)間可能較長(zhǎng)）

? 容易感染病毒：RAID 作為應(yīng)用程序在操作系統(tǒng)中運(yùn)行，其功能將遭受病毒攻擊或其他有害軟件的影響。

? 系統(tǒng)崩潰導(dǎo)致數(shù)據(jù)完整性受損：服務(wù)器中的軟件或硬件問題將影響數(shù)據(jù)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(yùn)行，但硬件 RAID 可在由電池供電的情況下以回寫模式運(yùn)行，提升了數(shù)據(jù)保護(hù)等級(jí)?；貙懩Ｊ斤@著增強(qiáng) 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(qū)動(dòng)器品牌和型號(hào)。

硬件RAID

硬件 RAID 解決方案通過專屬處理器和存儲(chǔ)器運(yùn)行 RAID 應(yīng)用程序。在該實(shí)施方案中，RAID 系統(tǒng)是一種專用于 RAID 應(yīng)用程序的獨(dú)立式小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，能夠?qū)⒃撊蝿?wù)從主機(jī)系統(tǒng)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(tǒng)解決方案中集成，則硬件 RAID 可以作為軟件升級(jí)在現(xiàn)有系統(tǒng)中應(yīng)用。因此，與軟件 RAID 相似，硬件 RAID 初看上去可能無法識(shí)別。

辨別解決方案是軟件還是硬件 RAID 最簡(jiǎn)單方法是讀取 RAID 解決方案的技術(shù)規(guī)格或數(shù)據(jù)表。如果解決方案中包含一個(gè)微處理器（通常稱為 I/O 處理器、處理器，有時(shí)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(duì)于用戶的選擇至關(guān)重要，因?yàn)檐浖?RAID 與硬件 RAID 實(shí)施方案對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響不同。相關(guān)影響包括：

? 運(yùn)行其他應(yīng)用程序時(shí)的 CPU 利用率和性能

? 可添加到系統(tǒng)中的硬盤驅(qū)動(dòng)可擴(kuò)展能力

? 數(shù)據(jù)丟失后可輕松恢復(fù)

? 高級(jí)數(shù)據(jù)管理/監(jiān)視性能

? 支持跨不同操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理硬盤驅(qū)動(dòng)

? 支持添加電池備份選項(xiàng)，允許用戶使能控制器寫入緩存，以提升系統(tǒng)的寫操作性能

硬件RAID實(shí)施方案，硬件 RAID 可通過多種方法實(shí)現(xiàn)：

? 作為分立 RAID 控制器卡

? 作為基于磁碟陣列控制芯片技術(shù)的集成硬件

1、分立 RAID 控制器卡

這是一張插入式擴(kuò)展卡，通常內(nèi)置 RAID 處理器（I/O 處理器）及專屬驅(qū)動(dòng)器接口（I/O 控制器）。它通?？刹迦胗?jì)算機(jī)系統(tǒng)主板的 PCI-X 或 PCIe 插槽。這些插卡通常價(jià)格最為昂貴，但也是靈活性和性能最優(yōu)異的 RAID 解決方案。此處的 RAID 功能完全獨(dú)立于主機(jī)（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）。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(chǔ)器。RAID 卡可以將創(chuàng)建冗余存儲(chǔ)子系統(tǒng)的任務(wù)完全從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中卸載，即使發(fā)生驅(qū)動(dòng)器故障也不會(huì)影響系統(tǒng)其余部分的性能?？梢允褂酶訌?fù)雜，但空間效率更高的 RAID 等級(jí)（如 RAID 5 或 RAID 6），同時(shí)不會(huì)影響系統(tǒng)。

卡中的附加 I/O 接口通常可用于提升系統(tǒng)可擴(kuò)展能力（添加更多硬盤驅(qū)動(dòng)并擴(kuò)大容量）。即使多個(gè)RAID 陣列也不會(huì)影響主機(jī)系統(tǒng)的性能。這些可以輕松地遷移到其他操作系統(tǒng)，甚至其他主機(jī)系統(tǒng)或平臺(tái)。

2、基于磁碟陣列控制芯片 (ROC) 技術(shù)的集成硬件RAID解決方案

在ROC解決方案中，RAID處理器、內(nèi)存控制器、主機(jī)接口、連接硬盤驅(qū)動(dòng)的 I/O 接口，甚至存儲(chǔ)器均可在同一芯片中集成。該芯片可集成于主板，在節(jié)約成本的同時(shí)提供硬件 RAID 功能（僅需一個(gè)高度集成的 ASIC）。ROC 可替代許多服務(wù)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(qū)動(dòng)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(yōu)勢(shì)，適用于更加復(fù)雜的 RAID 算法。例如，測(cè)量結(jié)果指示軟件 RAID-6 實(shí)施方案對(duì)系統(tǒng)計(jì)算資源造成沉重負(fù)載，在降級(jí)模式下尤為如此。此時(shí)，硬件 RAID 對(duì)于這類配置極具吸引力。