RAID 磁盘阵列

概述　

独立冗余磁盘阵列   Redundant Array of Independent Disks  

简单的说，RAID是一种把多块独立的硬盘（物理硬盘）按不同的方式组合起来形成一个硬盘组（逻辑硬盘），从而提供比单个硬盘更高的存储性能和提供数据备份技术。

在用户看起来，组成的磁盘组就像是一个硬盘，用户可以对它进行分区，格式化等等。不同的是，磁盘阵列的存储速度要比单个硬盘高很多，而且可以提供自动数据备份。

RAID通常是由在硬盘阵列塔中的RAID控制器或电脑中的RAID卡来实现的。

好处

• (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。现在单个磁盘的容量就可以到 1TB 以上，这样 RAID 的存储容量就可以达到 PB 级，大多数的存储需求都可以满足。一般来说， RAID 可用容量要小于所有成员磁盘的总容量。不同等级的 RAID 算法需要一定的冗余开销，具体容量开销与采用算法相关。如果已知 RAID 算法和容量，可以计算出 RAID 的可用容量。通常， RAID 容量利用率在 50% ~ 90% 之间。

• (2) 高性能

   　　RAID 的高性能受益于数据条带化技术。单个磁盘的 I/O 性能受到接口、带宽等计算机技术的限制，性能往往很有 限，容易成为系统性能的瓶颈。通过数据条带化， RAID 将数据 I/O 分散到各个成员磁盘上，从而获得比单个磁盘成倍增长的聚合 I/O 性能。

• (3) 可靠性
  　　可用性和可靠性是 RAID 的另一个重要特征。从理论上讲，由多个磁盘组成的 RAID 系统在可靠性方面应该比单个磁盘要差。这里有个隐含假定：单个磁盘故障将导致整个 RAID 不可用。 RAID 采用镜像和数据校验等数据冗余技术，打破了这个假定。 镜像是最为原始的冗余技术，把某组磁盘驱动器上的数据完全复制到另一组磁盘驱动器上，保证总有数据副本可用。 比起镜像 50% 的冗余开销 ，数据校验要小很多，它利用校验冗余信息对数据进行校验和纠错。 RAID 冗余技术大幅提升数据可用性和可靠性，保证了若干磁盘出错时，不 会导致数据的丢失，不影响系统的连续运行。

• (4) 可管理性

  　　实际上， 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。这样，用户就可以在这个虚拟驱动器上来组织和存储应用系统数据。 从用户应用角度看，可使存储系统简单易用，管理也很便利。 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。

分类

• 软 RAID：所有功能均有操作系统和 CPU 来完成，没有独立的 RAID 控制 / 处理芯片和 I/O 处理芯片，效率最低，配置管理和数据恢复简单，一般不支持热交换技术
• 硬 RAID ：配备了专门的 RAID 控制 / 处理芯片和 I/O 处理芯片以及阵列缓冲，不占用 CPU 资源，成本很高，通常都支持热交换技术，在系统运行下更换故障磁盘。
• 软硬混合 RAID ：只有 RAID 控制 / 处理芯片，没有 I/O 处理芯片，需要 CPU 和驱动程序来完成，性能和成本 在软 RAID 和硬 RAID 之间。为了节省成本，芯片往往比较廉价且处理能力较弱， RAID 任务大部分还是由CPU 来完成。

三个关键技术

镜像（ Mirroring ）　　

镜像是一种冗余技术，为磁盘提供保护功能，防止磁盘发生故障而造成数据丢失。对于 RAID 而言，采用镜像技术 典型地 将会同时在阵列中产生两个完全相同的数据副本，分布在两个不同的磁盘驱动器组上。镜像提供了完全的数据冗余能力，当一个数据副本失效不可用时，外部系统仍可正常访问另一副本，不会对应用系统运行和性能产生影响。而且，镜像不需要额外的计算和校验，故障修复非常快，直接复制即可。

镜像技术可以从多个副本进行并发读取数据，提供更高的读 I/O 性能，但不能并行写数据，写多个副本会会导致一定的 I/O 性能降低。镜像技术提供了非常高的数据安全性，其代价也是非常昂贵的，需要至少双倍的存储空间。高成本限制了镜像的广泛应用，主要应用于至关重要的数据保护，这种场合下数据丢失会造成巨大的损失。另外，镜像通过“ 拆分 ”能获得特定时间点的上数据快照，从而可以实现一种备份窗口几乎为零的数据备份技术。

 

数据条带（ Data Stripping ）

磁盘存储的性能瓶颈在于磁头寻道定位，它是一种慢速机械运动，无法与高速的 CPU 匹配。再者，单个磁盘驱动器性能存在物理极限， I/O 性能非常有限。 RAID 由多块磁盘组成，数据条带技术将数据以块的方式分布存储在多个磁盘中，从而可以对数据进行并发处理。这样写入和读取数据就可以在多个磁盘上同时进行，并发产生非常高的聚合 I/O ，有效提高了整体 I/O 性能，而且具有良好的线性扩展性。这对大容量数据尤其显著，如果不分块，数据只能按顺序存储在磁盘阵列的磁盘上，需要时再按顺序读取。而通过条带技术，可获得数倍与顺序访问的性能提升。

　　数据条带技术的分块大小选择非常关键。条带粒度可以是一个字节至几 KB 大小，分块越小，并行处理能力就越强，数据存取速度就越高，但同时就会增加块存取的随机性和块寻址时间。实际应用中，要根据数据特征和需求来选择合适的分块大小，在数据存取随机性和并发处理能力之间进行平衡，以争取尽可能高的整体性能。
数据条带是基于提高 I/O 性能而提出的，也就是说它只关注性能， 而对数据可靠性、可用性没有任何改善。实际上，其中任何一个数据条带损坏都会导致整个数据不可用，采用数据条带技术反而增加了数据发生丢失的概念率。

 

数据校验（ Data parity ）

镜像具有高安全性、高读性能，但冗余开销太昂贵。数据条带通过并发性来大幅提高性能，然而对数据安全性、可靠性未作考虑。数据校验是一种冗余技术，它用校验数据来提供数据的安全，可以检测数据错误，并在能力允许的前提下进行数据重构。相对镜像，数据校验大幅缩减了冗余开销，用较小的代价换取了极佳的数据完整性和可靠性。数据条带技术提供高性能，数据校验提供数据安全性， RAID 不同等级往往同时结合使用这两种技术。
　　采用数据校验时， RAID 要在写入数据同时进行校验计算，并将得到的校验数据存储在 RAID 成员磁盘中。校验数据可以集中保存在某个磁盘或分散存储在多个不同磁盘中，甚至校验数据也可以分块，不同 RAID 等级实现各不相同。当其中一部分数据出错时，就可以对剩余数据和校验数据进行反校验计算重建丢失的数据。校验技术相对于镜像技术的优势在于节省大量开销，但由于每次数据读写都要进行大量的校验运算，对计算机的运算速度要求很高，必须使用硬件 RAID 控制器。在数据重建恢复方面，检验技术比镜像技术复杂得多且慢得多。
　　海明校验码和 异或校验是两种最为常用的 数据校验算法。海明校验码是由理查德.海明提出的，不仅能检测错误，还能给出错误位置并自动纠正。海明校验的基本思想是：将有效信息按照某种规律分成若干组，对每一个组作奇偶测试并安排一个校验位，从而能提供多位检错信息，以定位错误点并纠正。可见海明校验实质上是一种多重奇偶校验。异或校验通过异或逻辑运算产生，将一个有效信息与一个给定的初始值进行异或运算，会得到校验信息。如果有效信息出现错误，通过校验信息与初始值的异或运算能还原正确的有效信息。

 

等级

根据运用或组合运用以上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

 RAID0 - RAID6 七个等级定为标准的 RAID 等级，被业界和学术界所公认

实际应用中使用最多的 是 RAID0 、 RAID1 、 RAID3 、 RAID5 、 RAID6 和 RAID10。

 

JBOD

JBOD （ Just a Bunch Of Disks ）不是标准的 RAID 等级，它通常用来表示一个没有控制软件提供协调控制的磁盘集合。 JBOD 将多个物理磁盘串联起来，提供一个巨大的逻辑磁盘。 JBOD （如图 1 ）的数据存放机制是由第一块磁盘开始按顺序往后存储，当前磁盘存储空间用完后，再依次往后面的磁盘存储数据。 JBOD 存储性能完全等同于单块磁盘，而且也不提供数据安全保护。它只是简单提供一种扩展存储空间的机制， JBOD 可用存储容量等于所有成员磁盘的存储空间之和。目前 JBOD 常指磁盘柜，而不论其是否提供 RAID 功能。

 

RAID0  无冗错的数据条带

　　n块硬盘并发读写，性能最高，是单个磁盘性能的 n 倍。没有备份。100% 的空间利用率。

　　适用于对性能要求严格但对数据安全性和可靠性不高的应用，如视频、音频存储、临时数据缓存空间等。

 

RAID1  无校验的相互镜像

正因为RAID 0太不可靠，所以衍生出了RAID 1，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 可靠性最高，一旦工作磁盘发生故障，系统自动从镜像磁盘读取数据。

适用于对顺序读写性能要求高以及对数据保护极为重视的应用，如对邮件系统的数据保护。

 

 

RAID3 带有专用位校验的数据条带

1块作为校验盘，n-1块作为数据盘。

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，并行读取数据，性能与 RAID0 一致。

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。

如果 RAID3 中某一磁盘出现故障，可以借助校验数据和其他完好数据来重建数据。假如所要读取的数据块正好位于失效磁盘，则系统需要读取所有同一条带的数据块，并根据校验值重建丢失的数据，系统性能将受到影响。当故障磁盘被更换后，系统按相同的方式重建故障盘中的数据至新磁盘。

适用大容量数据的顺序访问应用，如影像处理、流媒体服务等。

目前， 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。

 

 

 RAID5  带分散校验的数据条带

目前最常见的 RAID 等级，1块盘的大小作为校验盘，n-1块盘的大小作为数据盘，但校验码分布在各个磁盘中，不是单独的一块磁盘，也就是分布式校验盘。最多坏一块盘。n最少为3.

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，

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。

RAID5 基本上可以满足大部分的存储应用需求，数据中心大多采用它作为应用数据的保护方案。

 

 

RAID6 带双重分散校验的数据条带

　　 RAID6 在RAID5的基础上增加一个校验码，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。

　　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 具有快速的读取性能、更高的容错能力。

     它的成本要高于 RAID5 许多，写性能也较差，并有设计和实施非常复杂。因此， RAID6 很少得到实际应用，主要用于对数据安全等级要求非常高的场合。它一般是替代 RAID10 方案的经济性选择。

 

 

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。目前在业界和学术研究中提到的 RAID 组合等级主要有 RAID00 、 RAID01 、 RAID10 、 RAID100 、 RAID30 、 RAID50 、 RAID53 、 RAID60 ，但实际得到较为广泛应用的只有 RAID01 和 RAID10 两个等级。当然，组合等级的实现成本一般都非常昂贵，只是在 少数特定场合应用。 [12]

1.RAID00

　　简单地说， RAID00 是由多个成员 RAID0 组成的高级 RAID0 。它与 RAID0 的区别在于， RAID0 阵列替换了原先的成员磁盘。可以把 RAID00 理解为两层条带化结构的磁盘阵列，即对条带再进行条带化。这种阵列可以提供更大的存储容量、更高的 I/O 性能和更好的 I/O 负均衡。

2. RAID01 和 RAID10

　　一些文献把这两种 RAID 等级看作是等同的，本文认为是不同的。 RAID01 是先做条带化再作镜像，本质是对虚拟磁盘实现镜像；而 RAID10 是先做镜像再作条带化，是对物理磁盘实现镜像。相同的配置下，通常 RAID01 比 RAID10 具有更好的容错能力，原理如图 9 所示。

　　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。 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 应用选择

　　RAID 等级的选择主要有三个因素，即数据可用性、 I/O 性能和成本。　目前，在实际应用中常见的主流 RAID 等级是 RAID0 ， RAID1 ， RAID3 ， RAID5 ， RAID6 和 RAID10 ，它们之间的技术对比情况如表 1 所示。如果不要求可用性，选择 RAID0 以获得高性能。如果可用性和性能是重要的，而成本不是一个主要因素，则根据磁盘数量选择 RAID1 。如果可用性，成本和性能都同样重要，则根据一般的数据传输和磁盘数量选择 RAID3 或 RAID5 。在实际应用中，应当根据用户的数据应用特点和具体情况，综合考虑可用性、性能和成本来选择合适的 RAID 等级。