RAID 独立磁盘冗余阵列技术笔记

1. 概述

• RAID 是什么？
• RAID 是英文 Redundant Array of Independent Disk 的首字母缩写，中文意思是：独立磁盘冗余阵列。通俗的讲就是把多块硬盘组成一个独立的磁盘阵列进行管理。
• RAID 白皮书上的解释：RAID（独立冗余磁盘阵列）是一项能提升外部存储解决方案性能的简单技术。它能让您根据自己的需要选择最佳的设备使用方式，简而言之，RAID 技术可以将一个硬盘上的任务分散或复制到多个（至少两个）磁盘上，借此来提高性能或建立数
  据冗余以防驱动器发生故障。您可以通过设定设备的 RAID 模式来决定设备以何种方式处理数据。
  
  

• 使用 RAID 的好处
• 对于普通用户而言，使用 RAID 技术管理硬盘并不常用，但是对于企业用户，尤其是要使用高可用、稳定等解决方案保证硬盘数据稳定、安全、可靠时，RAID 就显得尤为重要。因为 RAID 技术可以为硬盘数据提供安全性和稳定性的保障，保证硬盘数据容错性或者读写性能的提升等。

 

• RAID 的实现方式
• RAID 可以按照硬盘数量和组织方式不同分为不同类型的 RAID 实现。
• 常见的有： RAID 0、RAID 1、RAID 5、RAID 6、RAID 01、RAID 10。
• 不常见的有：RAID 2、RAID 3、RAID 4、RAID 7、RAID 50、RAID 53。

 

2. 各种 RAID 详解

• 下面是不同实现方式下的 RAID，各种 RAID 的优点和缺点，在什么场景下应使用何种 RAID。正式开始之前要先穿插介绍一下 RAID 实现中有时需要使用到 Spare(备用硬盘)，Spare 是在 RAID 实现中需要额外添加的硬盘，当组成 RAID 的硬盘都正常工作的时候，Spare 硬盘是处于空闲状态的，只有当组成 RAID 的硬盘中有损坏的时候，Spare 硬盘才会自动替换损坏的硬盘位置，加入到 RAID 阵列中。
• 另外还需要了解一些 RAID 术语：
• 条带化：指将数据分到多个驱动器上。条带 RAID 阵列通常用于将最大的容量合并到单个卷中。
• 镜像：指将数据复制到多个磁盘上。镜像 RAID 阵列通常能在阵列中有磁盘（至少一个）发生故障时确保数据不丢失，具体取决于阵列的 RAID 级别。
• 容错：指可让 RAID 阵列在磁盘发生故障时继续工作（即用户仍然可以使用阵列中存储的数据）。

 

2.1. RAID 0

• 原理：将数据条带化，最少需要两块硬盘（每块硬盘的容量一样，实际生产环境中建议使用同品牌同型号同批次同容量的硬盘组成 RAID 0），即将所有组成 RAID 0 的硬盘的可用容量组合在一起，形成计算机上的一个逻辑卷。通俗的讲就是至少使用两块硬盘来存储数据，但是我要存储的数据不是全部存在某一块硬盘上，而是把我要存储的数据分成均等的多部分，然后平均分散存储在组成 RAID 0 的磁盘阵列上。

其中每块硬盘都被分成 ABCD 四个条带，然后我要存数据就先存把数据均分成四部分，如果 A1 能存下其中一份，那就直接将四部分分别存入 A1-A4，如果存不下就先存满 A1-A4，剩下的按同样的方式存 B1-B4，以此类推。

 

• 可用容量：组成 RAID 0 所有硬盘容量的总和
• 优点：
• 提高读写速度，对硬盘的总容量没有损失。                 速写速度：单盘速度×盘数，但是不会大于控制器带宽
• 处理大文件很快。

• 缺点：
• 一旦阵列中某块硬盘损坏了，所有数据将不可恢复。

 

2.2. RAID 1

• 原理：镜像存储，RAID 1 至少需要两块硬盘组成，两块硬盘互为备份，存储的内容完全相同。建议硬盘容量大小也要一样，如果不一样，那实际可用容量跟随容量小的硬盘。

• 可用容量：不超过较小的一侧硬盘的容量总和。
• 优点：
• 读取性能翻倍。
• 提供数据冗余，如果其中一块数据丢失，可以通过另一块还原。

• 缺点：
• 磁盘的利用率低，成本高。

 

2.3. RAID 2（已淘汰）

• 原理：RAID 2 本质上是 RAID 0，只是加入了汉明码来做数据的纠错。以此来优化 RAID 0。
• 汉明码：（Hamming Code）是广泛用于内存和磁盘纠错的编码。汉明码不仅可以用来检测转移数据时发生的错误，还可以用来修正错误。（要注意的是，汉明码只能发现和修正一位错误，对于两位或者两位以上的错误无法正确和发现）

• 优点：
• 加入了数据纠错机制

• 缺点：
• 成本增高，需要额外的盘做汉明码纠错

• RAID 2 的应用场景不多，目前已经被淘汰。

 

2.4. RAID 3

• 原理：RAID 3 使用字节级别的条带化技术，并采用专用的奇偶校验磁盘。RAID 3 阵列能在一个磁盘出现故障的情况下确保数据不丢失。如果一个物理磁盘出现故障，该磁盘上的数据可以重建到更换磁盘上。如果数据尚未重建到更换驱动器上，而此时又有一个磁盘出现故障，那么阵列中的所有数据都将丢失。本质上和 RAID 0 相同，与 RAID 2 相似，作为 RAID 0 的优化版本。

下图是 RAID 3 的实现架构图，图中 Disk 3 就是那块专用的奇偶校验磁盘。              专用奇偶校验盘  校验盘故障则数据无法恢复

 

• 优点：
• 加入了数据纠错机制。

• 缺点：
• 做奇偶校验会消耗系统性能，容易导致系统出现性能瓶颈。

• 变种（RAID 3 + Spare）

 

这种变种在主磁盘遇到故障的时候不需要立即处理，Spare 热配磁盘会无缝顶替上去。

 

2.5. RAID 4

原理：和 RAID 3 一样，唯一的区别是在数据分割上 RAID 3 对数据的访问是按位进行的，RAID 4 是以数据块为单位。
 RAID4 在生产环境中几乎不用。

 

2.6. RAID 5

• 原理：RAID 5 综合了 RAID 0 的条带化技术以及阵列数据冗余技术（阵列最少包括三个磁盘）。RAID 3 与 RAID 5 区别在于，RAID 3 配置提供的性能更高，但总容量略低。数据会在所有磁盘之间分条，并且每个数据块的奇偶校验块 (P) 写入到同一条带上。如果一个物理磁盘出现故障，该磁盘上的数据可以重建到更换磁盘上。单个磁盘出现故障时，数据不会丢失，但如果数据尚未重建到更换驱动器上，而此时又有一个磁盘出现故障，那么阵列中的所有数据都将丢失。

下图是实现的架构图，其中能够看到，Ap-Dp 奇偶校验是放到和数据同一条带上的。

 

• 优点：
• 读写性能高。
• 有校验机制。
• 空间利用率高。

• 缺点：
• 组成 RAID 5 的磁盘越多，安全性能越差，容易丢失数据。连续两块硬盘损坏，数据则丢失。

• 变种（RAID 5 + Spare）       常用

 

这种变种通过加入空闲的 Spare 盘，在系统将数据重建至备用驱动器时用户仍可以继续访问数据。它能提供良好的数据安全，但磁盘空间由于热备用磁盘的存在（在其他磁盘出现故障之后才使用）而受到限制。磁盘故障不需要立即处理，因为系统会使用热备用磁盘对自己进行重建，但故障磁盘还是应尽快更换。

 

2.7. RAID 6

• 原理：与 RAID 5 相比，RAID 6 增加了第二个独立的奇偶校验信息块，双重奇偶校验，在 RAID 6 中，数据会在所有磁盘（最少四个）间进行分条，并且每个数据块的两个奇偶校验块（如下图中的 p 和 q）写入到同一条带上。如果一个物理磁盘出现故障，该磁盘上的数据可以重建到更换磁盘上。这种 RAID 模式最多允许两个磁盘出故障而不丢失数据，且它能更快地重建故障磁盘上的数据。

 

• 优点：
• 读取性能好。
• 有奇偶校验机制。

• 缺点：
• 成本高，写入性能差。           

  RAID 6需要在每个数据块上进行两次校验计算，因此在写入数据时会比RAID 5慢。具体来说，RAID 6的写入速度通常比RAID 5慢一倍以上

 

2.8. RAID 7（非公开非标准）

• RAID 7 并非公开的 RAID 标准，而是 Storage Compute rCorporation 公司的专利硬体产品名称。
  下图为架构图。

 

2.9. RAID 01

• 原理：RAID 0 + RAID 1，两边都是条带化的 RAID 0 存储数据，然后互为备份，组成镜像存储 RAID 1。
  下图是 RAID 01 的架构图，在 RAID 01 阵列中，最多允许两个磁盘出现故障而不会丢失数据，但故障磁盘必须属于同一 RAID 0 队列。在图中，也就是当磁盘 1 和磁盘 2 出现故障时，数据会保存到磁盘 3 和磁盘 4。

 

• 优点：
• 有数据备份，出现单点故障时可以恢复数据。

• 缺点：
• 成本高。

 

2.10. RAID 10

• 原理：RAID 1 + RAID 0，它合并了其他级别（尤其是 RAID 1 和 RAID 0）特点的另一种 RAID 级别。这是一种“镜像集条带”，意思是数据在两个镜像阵列间分条。“条带化”在阵列之间发生，而“镜像”是在相同的阵列中出现，两种技术的组合加快了重建的速度。RAID 10 阵列包含的磁盘数应为四的倍数。
  下图是 RAID 10 的架构图，在 RAID 10 阵列中，每个镜像对中，可以有一个磁盘出现故障而不丢失数据。不过，故障磁盘所在阵列的工作磁盘会成为整个阵列中的弱点。如果镜像对中的另一个磁盘也发生故障，则会丢失整个阵列。