RAID技术浅识

最近在进行服务器相关的环境的搭建和维护，接触到了RAID，做了点了解，于是写一点相关知识。

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RAID简介

RAID即磁盘阵列，英文全称为 Redundant Arrays of Independent Drives 独立磁盘冗余阵列，顾名思义，就是使用独立磁盘构成具有冗余能力的磁盘阵列。

它是由很多的磁盘组合成一个容量巨大的磁盘组，利用个别磁盘提供数据所产生加成效果提升整个磁盘系统效能，同时具备一定的冗余容错能力。利用这项技术，将数据切割成许多区段，分别存放在各个硬盘上，还能够在阵列中任意一个或几个磁盘故障时，利用冗余信息恢复数据，在更换硬盘后能够进行数据重构，将信息计算后重新置入新磁盘。

RAID 技术作为高性能、高可靠的存储技术，已经得到了非常广泛的应用。 RAID 主要利用数据条带、镜像和数据校验技术来获取高性能、可靠性、容错能力和扩展性，根据运用或组合运用这三种技术的策略和架构，可以把 RAID 分为不同的等级，以满足不同数据应用的需求。

D. A. Patterson 等的论文中定义了 RAID1 ~ RAID5 原始 RAID 等级， 1988 年以来又扩展了 RAID0 和 RAID6 。近年来，存储厂商不断推出诸如 RAID7 、 RAID10/01 、 RAID50 、 RAID53 、 RAID100 等 RAID 等级，但这些并无统一的标准。目前业界公认的标准是 RAID0 ~ RAID5 ，除 RAID2 外的四个等级被定为工业标准，而在实际应用领域中使用最多的 RAID 等级是 RAID0 、 RAID1 、 RAID3 、 RAID5 、 RAID6 和 RAID10。

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基本原理

简单地说， RAID 是由多个独立的高性能磁盘驱动器组成的磁盘子系统，从而提供比单个磁盘更高的存储性能和数据冗余的技术。 RAID 的初衷是为大型服务器提供高端的存储功能和冗余的数据安全。在整个系统中， RAID 被看作是由两个或更多磁盘组成的存储空间，通过并发地在多个磁盘上读写数据来提高存储系统的 I/O 性能。大多数 RAID 等级具有完备的数据校验、纠正措施，从而提高系统的容错性，甚至镜像方式，大大增强系统的可靠性， Redundant 也由此而来。

磁盘阵列可以在部分磁盘（单块或多块，根据实现而论）损坏的情况下，仍能保证系统不中断地连续运行。在重建故障磁盘数据至新磁盘的过程中，系统可以继续正常运行，但是性能方面会有一定程度上的降低。一些磁盘阵列在添加或删除磁盘时必须停机，而有些则支持热交换 （ Hot Swapping ），允许不停机下替换磁盘驱动器。

RAID 主要优势如下：

1. 大容量：这是 RAID 的一个显然优势，它扩大了磁盘的容量，由多个磁盘组成的 RAID 系统具有海量的存储空间。
2. 高 I/O 性能：RAID 的高性能受益于数据条带化技术，数据分散在多个磁盘中，然而对于计算机系统来说，就像一个单独的磁盘。在把数据写入到磁盘时，同时往多块磁盘里写入不同的信息，读取时也是同时从多块盘中读取，类似于存储器地位交叉编址一样，变相的增加了磁盘带宽，从而提升磁盘 I/O 能力。
3. 高可靠性：RAID在写入数据的同时，将计算的校验数据写入阵列中来获取冗余能力（甚至直接镜像备份数据），使得当单块磁盘或者多块（不多于一半的磁盘）出现故障的时候保证不会导致数据丢失。
4. 可管理性：RAID 是一种虚拟化技术，它对多个物理磁盘驱动器虚拟成一个大容量的逻辑驱动器。对于外部主机系统来说， RAID 是一个单一的、快速可靠的大容量磁盘驱动器。由于 RAID 内部完成了大量的存储管理工作，管理员只需要管理单个虚拟驱动器，可以节省大量的管理工作。 RAID 可以动态增减磁盘驱动器，可自动进行数据校验和数据重建，这些都可以 大大简化管理工作。

RAID 中主要有三个关键概念和技术：镜像（ Mirroring ）、数据条带（ Data Stripping ）和数据校验（ Data parity ）。

1. 镜像：将数据复制到多个磁盘，一方面可以提高可靠性，另一方面可并发从两个或多个副本读取数据来提高读性能。显而易见，镜像的写性能要稍低， 确保数据正确地写到多个磁盘需要更多的时间消耗。
2. 数据条带：将数据分片保存在多个不同的磁盘，多个数据分片共同组成一个完整数据副本，这与镜像的多个副本是不同的，它通常用于性能考虑。数据条带具有更高的并发粒度，当访问数据时，可以同时对位于不同磁盘上数据进行读写操作， 从而获得非常可观的 I/O 性能提升 。
3. 数据校验：利用冗余数据进行数据错误检测和修复，冗余数据通常采用海明码、异或操作等算法来计算获得。利用校验功能，可以很大程度上提高磁盘阵列的可靠性、鲁棒性和容错能力。不过，数据校验需要从多处读取数据并进行计算和对比，会影响系统性能。

不同等级的 RAID 采用一个或多个以上的三种技术，来获得不同的数据可靠性、可用性和 I/O 性能。至于设计何种 RAID （甚至新的等级或类型）或采用何种模式的 RAID ，需要在深入理解系统需求的前提下进行合理选择，综合评估可靠性、性能和成本来进行折中的选择。

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RAID等级

RAID0

RAID0 是一种简单的、无数据校验的数据条带化技术。实际上不是一种真正的 RAID ，因为它只是单纯的扩大容量和提高性能，并不提供任何形式的冗余策略。 RAID0 将所在磁盘条带化后组成大容量的存储空间（如下图 所示），将数据分散存储在所有磁盘中，以独立访问方式实现多块磁盘的并读访问。

理论上讲，一个由 n 块磁盘组成的 RAID0 ，它的读写性能是单个磁盘性能的 n 倍，但由于总线带宽等多种因素的限制，实际的性能提升低于理论值。RAID0 具有低成本、高读写性能、 100% 的高存储空间利用率等优点，但是它不提供数据冗余保护，一旦数据损坏，将无法恢复。

RAID1

RAID1 称为镜像，它将数据完全一致地分别写到工作磁盘和镜像磁盘，它的磁盘空间利用率为 50% 。 RAID1 在数据写入时，响应时间会有所影响，但是读数据的时候没有影响。 RAID1 提供了最佳的数据保护，一旦工作磁盘发生故障，系统自动从镜像磁盘读取数据，不会影响用户工作。工作原理如下图所示。

RAID1 与 RAID0 刚好相反，是为了增强数据安全性使两块 磁盘数据呈现完全镜像，从而达到安全性好、技术简单、管理方便。 RAID1 拥有完全容错的能力，但实现成本高。

RAID2

RAID2 称为纠错海明码磁盘阵列，其设计思想是利用海明码实现数据校验冗余。如下图所示的为数据宽度为 4 的 RAID2 ，它需要 4 块数据磁盘和 3 块校验磁盘。如果是 64 位数据宽度，则需要 64 块 数据磁盘和 7 块校验磁盘。可见， RAID2 的数据宽度越大，存储空间利用率越高，但同时需要的磁盘数量也越多。

但是，海明码的数据冗余开销太大，而且 RAID2 的数据输出性能受阵列中最慢磁盘驱动器的限制。再者，海明码是按位运算， RAID2 数据重建非常耗时。由于这些显著的缺陷，再加上大部分磁盘驱动器本身都具备了纠错功能，因此 RAID2 在实际中很少应用。

RAID3

RAID3 是使用专用校验盘的并行访问阵列，它采用一个专用的磁盘作为校验盘，其余磁盘作为数据盘，数据按位和字节的方式交叉存储到各个数据盘中。RAID3 至少需要三块磁盘，不同磁盘上同一带区的数据作 XOR 校验，校验值写入校验盘中。 RAID3 完好时读性能与 RAID0 完全一致，并行从多个磁盘条带读取数据，性能非常高，同时还提供了数据容错能力。向 RAID3 写入数据时，必须计算与所有同条带的校验值，并将新校验值写入校验盘中。一次写操作包含了写数据块、读取同条带的数据块、计算校验值、写入校验值等多个操作，系统开销非常大，性能较低。工作原理如下图所示。

RAID3 只需要一个校验盘，阵列的存储空间利用率高，再加上并行访问的特征，能够为高带宽的大量读写提供高性能，适用大容量数据的顺序访问应用。但是随着 RAID5 算法不断改进，在大数据量读取时能够模拟 RAID3 ，而且 RAID3 在出现坏盘时性能会大幅下降，因此常使用 RAID5 替代 RAID3 来运行具有持续性、高带宽、大量读写特征的应用。

RAID4

RAID4 与 RAID3 的原理大致相同，区别在于条带化的方式不同。 RAID4 按照 块的方式来组织数据，写操作只涉及当前数据盘和校验盘两个盘，多个 I/O 请求可以同时得到处理，提高了系统性能。 RAID4 按块存储可以保证单块的完整性，可以避免受到其他磁盘上同条带产生的不利影响。工作原理如下图所示。

RAID4 提供了 非常好的读性能，但单一的校验盘往往成为系统性能的瓶颈。对于写操作， RAID4 只能一个磁盘一个磁盘地写，并且还要写入校验数据，因此写性能比较差。而且随着成员磁盘数量的增加，校验盘的系统瓶颈将更加突出。正是如上这些限制和不足， RAID4 在实际应用中很少见。

RAID5

RAID5 应该是目前最常见的 RAID 等级，它的原理与 RAID4 相似，区别在于校验数据分布在阵列中的所有磁盘上，而没有采用专门的校验磁盘。对于数据和校验数据，它们的写操作可以同时发生在完全不同的磁盘上。因此， RAID5 不存在 RAID4 中的并发写操作时的校验盘性能瓶颈问题。另外， RAID5 还具备很好的扩展性。当阵列磁盘 数量增加时，并行操作量的能力也随之增长，可比 RAID4 支持更多的磁盘，从而拥有更高的容量以及更高的性能。工作原理如下图所示。

RAID5 的磁盘上同时存储数据和校验数据，数据块和对应的校验信息存保存在不同的磁盘上，当一个数据盘损坏时，系统可以根据同一条带的其他数据块和对应的校验数据来重建损坏的数据。与其他 RAID 等级一样，重建数据时， RAID5 的性能会受到较大的影响。RAID5 兼顾存储性能、数据安全和存储成本等各方面因素，它可以理解为 RAID0 和 RAID1 的折中方案，是目前综合性能最佳的数据保护解决方案。

RAID6

RAID6 引入双重校验的概念，它可以保护阵列中同时出现两个磁盘失效时，阵列仍能够继续工作，不会发生数据丢失。 RAID6 等级是在 RAID5 的基础上为了进一步增强数据保护而设计的一种 RAID 方式，它可以看作是一种扩展的 RAID5 等级。工作原理如下图所示。

RAID6 不仅要支持数据的恢复，还要支持校验数据的恢复，因此实现代价很高，控制器的设计也比其他等级更复杂、更昂贵。 RAID6 思想最常见的实现方式是采用两个独立的校验算法，假设称为 P 和 Q ，校验数据可以分别存储在两个不同的校验盘上，或者分散存储在所有成员磁盘中。当两个磁盘同时失效时，即可通过求解两元方程来重建两个磁盘上的数据。

RAID组合等级

标准 RAID 等级各有优势和不足。自然地，我们想到把多个 RAID 等级组合起来，实现优势互补，弥补相互的不足，从而达到在性能、数据安全性等指标上更高的 RAID 系统。目前得到较为广泛应用的有 RAID01 和 RAID10 两个等级。

RAID01 和 RAID10

RAID01 兼备了 RAID0 和 RAID1 的优点，它先用两块磁盘建立镜像，然后再在镜像内部做条带化。 RAID01 的数据将同时写入到两个磁盘阵列中，如果其中一个阵列损坏，仍可继续工作，保证数据安全性的同时又提高了性能。RAID10相对于RAID01，先做RAID1再在RAID1阵列基础上做RAID0，于RAID01刚好相反，相对于RAID01来说，安全性更好，因为在RAID10中除非底层RAID1磁盘对全部损坏，否则不会对整个系统有太大影响，恢复也只需要恢复损坏磁盘，而在RAID01中，如果底层RAID0损坏了任何一块，都会导致该RAID0阵列损坏失效，整个阵列就只剩一半，即另一个RAID0阵列有效，对读写和安全性影响很大，而在数据重建时也必须恢复该RAID0阵列的所有硬盘，成本和时间过高。 RAID01 和 RAID10 内部都含有 RAID1 模式，因此整体磁盘利用率均仅为 50% 。

RAID对比

RAID等级	RAID0	RAID1	RAID3	RAID5	RAID6	RAID10
别名	条带	镜像	专用奇偶校验条带	分布奇偶校验条带	双重奇偶校验条带	镜像加条带
容错性	无	有	有	有	有	有
冗余类型	无	有	有	有	有	有
热备份选择	无	有	有	有	有	有
读性能	高	低	高	高	高	高
随即写性能	高	低	低	一般	低	一般
连续写性能	高	低	低	低	低	一般
需要磁盘数	n>=1	2n	n>=3	n>=3	n>=4	2n && n>=2
可用容量	1	1/2	(n-1)/n	(n-1)/n	(n-2)/n	1/2