RAID5磁盤陣列數據恢復

【摘要】當只有一塊磁盤損壞時，RAID5磁盤陣列能通過其它正常運行的磁盤進行異或運算換算出故障磁盤的數據信息，從而保證磁盤陣列存貯信息的完整。通過研究RAID5結構和數據重組的規律，發現兩個以上磁盤同時出現故障或RAID卡失效，也可以恢復故障磁盤陣列的數據。本文嘗試了將RAID5故障磁盤陣列中的磁盤分別制作為磁盤鏡像文件，對有故障的磁盤鏡像文件進行數據恢復后，按照數據重組原理將這些磁盤鏡像文件重組為RAID5鏡像盤，成功恢復了圖書館文獻管理服務器RAID5故障磁盤陣列中的數據。

【關鍵詞】RAID5數據重組磁盤鏡像數據恢復

RAID5是一種存儲性能、數據安全和存儲成本兼顧的存儲解決方案，被廣泛應用于較重要數據存貯。RAID5校驗位算法原理為：假設RAID5由以塊磁盤組成，那么校驗位P=D1 XOR D2 XOR D3…XOR Dn（D1，D2，D3…Dn為數據塊，P為校驗塊，XOR為異或運算），如果i號磁盤失效，也就是Di數據塊的數據丟失，則通過D1，D2，D3…P，Dn它們之間的異或運算重新計算出來，即Di=D1 XOR D2 XOR D3…XOR P XOR Dn一1[1]。該原理論證了一個驅動器失效狀態下，RAID5磁盤陣列的數據是可以恢復的。為了挽救數據，對RAID5的結構和數據重組原理進行了深入研究，發現以扇區為單位來描述磁盤數據時，同一扇區的錯誤小于或等于1，該扇區的完整信息可以通過數據重組和異或運算得以恢復。據此原理，采用磁盤鏡像技術將RAID5故障陣列的磁盤分別制作為磁盤鏡像文件，利用磁盤恢復軟件對有故障的磁盤鏡像文件進行扇區故障修復，最后根據數據重組原理將磁盤鏡像文件重組為RAID5鏡像盤，可以恢復兩個以上驅動器同時出現故障或RAID卡失效的原陣列數據。

一、RAID5結構和數據重組

1.1RAID5結構

RAID5陣列中的數據是分布到每塊硬盤上，RAID5中每個條帶組中總有一個條帶是校驗塊[2]。設RAID5由硬盤0、硬盤1、硬盤2和硬盤3組成，圖中的“A、B、C、……”是數據塊；“P0、P1、P2、P3……”是校驗塊。根據RAID5校驗位算法原理，校驗位P0=A XOR B XOR C，如果硬盤2失效，也就是C數據塊的數據丟失，則通過A，B，P0它們之間的異或運算重新計算出來，即C=A XOR B XOR P0。同理通過異或運算算出P1、H、K等等硬盤2的所有存貯信息。因此RAID5磁盤陣列在一塊驅動器失效的情況下，仍能保證數據完整和工作正常。

如果有兩塊或兩塊以上硬盤同時離線，將會出現RAID控制器物理故障、RAID信息出錯、RAID5成員盤物理故障、人為誤操作、RAID控制器的穩定性變化等故障，陣列便會失效，造成磁盤陣列結構的毀壞，盤序的混亂，處理不當將會丟失數據。這時如果要恢復RAID5故障磁盤陣列中數據就需要對陣列中的磁盤數據進行重組。

1.2數據重組

對RAID5的數據進行重組，需將硬盤從磁盤陣列插槽中分別取出來，作為單盤進行分析，如圖中硬盤0、硬盤1、硬盤2和硬盤3所示的四塊物理盤，把四塊物理盤中的數據塊按照“A、B、C、D、E……”的順序進行數據重組，從而得到RAID5邏輯盤中完整的數據。RAID5需要四個因素才能進行數據重組，第一個是RAID中每個條帶的大小，也就是“A”或“B”這些數據塊所占用的扇區數；第二個因素是RAID中硬盤的排列順序，也就是盤序；第三個因素是校驗塊的循環方向；第四個因素是數據塊的走向[3]。左循環中，校驗塊的排列形狀是從右上角開始的對角線；右循環中，校驗塊的排列形狀是從左上角開始的對角線?？梢韵韧瓿尚ｒ瀴K的排列，再完成數據塊的排列。異步的數據塊寫入方式為從左至右，從上至下排列。同步的數據塊寫入方式為先判斷校驗塊的位置，然后寫滿校驗塊右邊的磁盤，從低號盤至高號盤寫入，最后寫滿校驗塊左邊的磁盤，仍然從低號盤至高號盤寫入[4]。具體來說可以分為左異步、左同步、右異步、右同步四種情況。

二、磁盤鏡像與RAID5鏡像盤

2.1磁盤鏡像介紹

磁盤鏡像是指將磁盤復制到不同的裝置或數據格式，主要用于數據備份和恢復。磁盤鏡像可以將磁盤驅動器的內容與資料，猶如照鏡子時影像反射一般，一模一樣的復制一份。當RAID5磁盤陣列已經出現故障后，可先在正常工作的機器上，通過磁盤鏡像軟件（如GetDataBack），利用SCSI卡，分別讀取RAID5故障陣列每一個磁盤的數據，制作成磁盤鏡像文件，按編號命名為DRIVE0.IMG、DRIVE1.IMG、DRIVE2.IMG、DRIVE3.IMG、……，然后再進行數據恢復工作，這樣可以做到保護原磁盤和避免同時使用多個SCSI卡。只要數據沒有被覆蓋或者硬盤沒有出現嚴重的物理損壞，利用GetDataBack軟件還可以對有故障的磁盤鏡像文件進行數據恢復，這樣可最大限度的恢復硬盤在故障發生前的存貯信息。

2.2重組RAID5鏡像盤

以RAID5結構圖中四塊物理盤組成的RAID5為例，以扇區為單位來描述磁盤數據，假設條帶的大小為32個扇區，并且已知數據重組四個因素。按照數據重組原理，先到硬盤0中取0-31扇區的信息，再到硬盤1中取0-31扇區的信息，再到硬盤2中取0-31扇區的信息，硬盤3中0-31扇區的信息是校驗塊，跳過不取，這樣就可以按順序拼接成完整的0-31扇區信息。接下來回到硬盤0中取32-63扇區的信息，假如硬盤1中的32-63扇區有錯誤，跳過不取，接著依次讀取硬盤2的32-63扇區的校驗塊信息和硬盤3中32-63扇區的信息，通過異或運算可換算出硬盤1中的32-63扇區的信息，從而得到完整的32-63扇區信息。由以上分析可知：當同一扇區的錯誤小于或等于1時，該扇區的信息可以通過數據重組和異或運算得以恢復。就這樣依次按順序取下去，把所有取出來的數據按扇區劃分進行數據重組，順序銜接成一個RAID5鏡像盤，這就成為完整的原RAID5邏輯盤的結構了，通過操作系統可以直接訪問這個重組出來的RAID5鏡像盤，也就說可以讀寫原RAID5邏輯盤中的數據，數據得以恢復。同理如果將上述的物理磁盤換成它們的磁盤鏡像也可以重組為RAID5鏡像盤。

假如硬盤1中的64-95扇區有錯誤和硬盤3中的64-95扇區有錯誤，按RAID5結構和數據重組原理分析，則不能直接恢復完整的64-95扇區的信息，也就是說如果有兩塊以上的硬盤在同一個扇區內發生故障，則不能直接恢復該扇區的數據。這時可以通過GetDataBack軟件創建每一個驅動器的磁盤鏡像文件，恢復有壞扇區驅動器的存貯信息，只有嚴重物理故障的硬盤才不能恢復磁盤鏡像文件的數據信息，而RAID5中同時兩塊硬盤出現嚴重物理故障的概率幾乎為零，這樣就滿足了同一扇區的錯誤小于或等于1的扇區信息恢復基本要求。因此兩塊以上硬盤在同一個扇區內發生故障時，數據也能得到恢復。

三、數據恢復實例

3.1RAID5故障

圖書館的dell PowerEdge 4600服務器，配備3塊Ultra 320 SCSI 73GB的磁盤，組成RAID5磁盤陣列。該磁盤陣列出現故障，文獻管理集成系統不能訪問，服務器的操作系統不能進入，磁盤故障的報警聲持續不斷，第0號和第1號磁盤燈由以前的綠色變為現在的紅色。重新啟動進入RAID設置及檢測發現：第1號插槽磁盤掉線（FAIL）且有Media Errors 11和Other Errors 4，第0號插槽磁盤有Media Errors 3。也就是說三塊磁盤中有兩塊磁盤有故障，RAID5磁盤陣列已經不能正常工作，磁盤中的數據無法直接讀取。該磁盤陣列主要存貯文獻管理集成系統數據，這些數據是全館工作人員多年的工作數據積累，萬一丟失，后果不堪設想。

3.2數據恢復

在物理驅動器上有可能有壞扇區，建立磁盤的鏡像文件是首選方法，將磁盤陣列中的磁盤逐個取出，在數字圖書館服務器上利用GetDataBack軟件，按磁盤鏡像文件的制作方法，制作RAID5故障磁盤陣列每一個硬盤的IMG鏡像文件，分別取名為DRIVE0.IMG、DRIVE1.IMG、DRIVE2.IMG，對有故障的第0號插槽磁盤和第1號插槽磁盤的鏡像文件做數據恢復操作。

用RAID Reconstructor軟件可對這3個硬盤的IMG鏡像文件進行RAID結構分析，確定硬盤的排列順序、塊大小、校驗塊的循環方向和數據塊的走向，按重組RAID5鏡像盤的方法，生成一個RAID5鏡像盤文件，取名為RAID. IMG，將該文件拷貝到另一個磁盤驅動器上，通過操作系統可以對RAID.IMG進行讀寫操作，這樣數據恢復就成功了。

四、結語

雖然利用磁盤鏡像技術和數據重組技術可以恢復兩個以上驅動器同時出現故障或RAID卡失效的原陣列數，但還是存在故障恢復時間過長、操作過程復雜等缺陷。筆者認為數據安全最佳的途徑是備份。

參考文獻

[1]馬林.數據重現一文件系統原理精解與數據恢復最佳實踐[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2]劉偉.數據恢復技術深度揭秘[M].北京：電子工業出版杜，2010. 05

[3]汪中夏，張京生，劉偉編著. RAID數據恢復技術揭秘[M].北京：清華大學出版社，2010.12

[4]魯恩銘，段益群. RAID5結構剖析及其數據恢復策略研究[J].電腦開發與應用.，2012，25（1）

[5]趙振洲，喬明秋. RAID5數據重組及過程研究[J].深圳信息職業技術學院學報.，2010，08（2）