RAID原理和級(jí)別

一、概述

1988年美國加州大學(xué)伯克利分校的提出了RAID概念(RedundantArrayofInexpensiveDisks廉價(jià)冗余磁盤陣列)，隨著磁盤成本的不斷降低，RAID變成了(RedundantArrayofIndependentDisks獨(dú)立磁盤冗余陣列)，但實(shí)質(zhì)內(nèi)容沒有改變。SNIA、Berkeley等組織機(jī)構(gòu)把RAID0~RAID6七個(gè)等級(jí)定為標(biāo)準(zhǔn)的RAID等級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)RAID可以組合成其他RAID等級(jí)，而實(shí)際中使用最多的等級(jí)是RAID0、RAID1、RAID3、RAID5、RAID6和RAID10。

RAID每一個(gè)等級(jí)代表一種實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)，等級(jí)之間并無高低之分。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)，綜合考慮可用性、性能和成本來選擇合適的RAID等級(jí)，以及具體的實(shí)現(xiàn)方式。

從實(shí)現(xiàn)角度看，RAID主要分為軟RAID、硬RAID以及軟硬混合RAID三種。

• 軟RAID：所有功能均由操作系統(tǒng)和CPU來完成，效率自然最低

• 硬RAID：配備了專門的RAID控制/處理芯片和I/O處理芯片以及陣列緩沖，不占用CPU資源，但成本很高

• 軟硬混合RAID：具備RAID控制/處理芯片，但缺乏I/O處理芯片，需要CPU和驅(qū)動(dòng)程序來完成，性能和成本在軟RAID和硬RAID之間

二、RAID基本原理

RAID是由多個(gè)獨(dú)立的高性能磁盤驅(qū)動(dòng)器組成的磁盤子系統(tǒng)，從而提供比單個(gè)磁盤更高的存儲(chǔ)性能和數(shù)據(jù)冗余的技術(shù)。

RAID是一類多磁盤管理技術(shù)，其向主機(jī)環(huán)境提供了成本適中、數(shù)據(jù)可靠性高的高性能存儲(chǔ)。RAID的兩個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是提高數(shù)據(jù)可靠性和I/O性能。

磁盤陣列中，數(shù)據(jù)分散在多個(gè)磁盤中，然而對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來說，就像一個(gè)單獨(dú)的磁盤。通過把相同數(shù)據(jù)同時(shí)寫入到多塊磁盤(典型的如鏡像)，或者將計(jì)算的校驗(yàn)數(shù)據(jù)寫入陣列中來獲得冗余能力，當(dāng)單塊磁盤出現(xiàn)故障時(shí)可以保證不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

RAID中主要有三個(gè)關(guān)鍵概念和技術(shù)：鏡像(Mirroring)、數(shù)據(jù)條帶(DataStripping) 和 數(shù)據(jù)校驗(yàn)(Dataparity)：

• 鏡像：將數(shù)據(jù)復(fù)制到多個(gè)磁盤，一方面可以提高可靠性，另一方面可并發(fā)從兩個(gè)或多個(gè)副本讀取數(shù)據(jù)來提高讀性能。顯而易見，鏡像的寫性能要稍低，確保數(shù)據(jù)正確地寫到多個(gè)磁盤需要更多的時(shí)間消耗。

• 數(shù)據(jù)條帶：將數(shù)據(jù)分片保存在多個(gè)不同的磁盤，多個(gè)數(shù)據(jù)分片共同組成一個(gè)完整數(shù)據(jù)副本，這與鏡像的多個(gè)副本是不同的，它通常用于性能考慮。數(shù)據(jù)條帶具有更高的并發(fā)粒度，當(dāng)訪問數(shù)據(jù)時(shí)，可以同時(shí)對位于不同磁盤上數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，從而獲得非常可觀的I/O性能提升。

• 數(shù)據(jù)校驗(yàn)：利用冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測和修復(fù)，冗余數(shù)據(jù)通常采用海明碼、異或操作等算法來計(jì)算獲得。利用校驗(yàn)功能，可以很大程度上提高磁盤陣列的可靠性、魯棒性和容錯(cuò)能力。不過，數(shù)據(jù)校驗(yàn)需要從多處讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算和對比，會(huì)影響系統(tǒng)性能。

不同等級(jí)的RAID采用一個(gè)或多個(gè)以上的三種技術(shù)，來獲得不同的數(shù)據(jù)可靠性、可用性和I/O性能。至于設(shè)計(jì)何種RAID(甚至新的等級(jí)或類型)或采用何種模式的RAID，需要在深入理解系統(tǒng)需求的前提下進(jìn)行合理選擇，綜合評(píng)估可靠性、性能和成本來進(jìn)行折中的選擇。

總體說來，RAID主要優(yōu)勢有：大容量、高性能、可靠性、可管理性。

三、常見RAID等級(jí)

1、RAID0

RAID0稱為條帶，是一種簡單的、無數(shù)據(jù)校驗(yàn)的數(shù)據(jù)條帶化技術(shù)。性能在所有RAID等級(jí)中是最高的。不提供任何形式的冗余策略,如果一個(gè)磁盤（物理）損壞，所有數(shù)據(jù)都會(huì)丟失。100%利用存儲(chǔ)空間。

寫數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)將數(shù)據(jù)分為N份，以獨(dú)立的方式實(shí)現(xiàn)N塊磁盤的讀寫，那么這N份數(shù)據(jù)會(huì)同時(shí)并發(fā)的寫到磁盤中，因此執(zhí)行性能非常的高。

• 高性能

• 容量零損失

• 零容錯(cuò)，一旦一塊磁盤故障則數(shù)據(jù)丟失

• 寫和讀有很高的性能

2、RAID1

RAID1稱為鏡像，它將數(shù)據(jù)完全一致地分別寫到工作磁盤和鏡像磁盤，它的磁盤空間利用率為50%。數(shù)據(jù)寫入時(shí)性能有所影響，但是讀數(shù)據(jù)沒有影響。提供了最佳的數(shù)據(jù)保護(hù)，一旦工作磁盤發(fā)生故障，系統(tǒng)自動(dòng)從鏡像磁盤讀取數(shù)據(jù)，不會(huì)影響用戶工作。

• 良好的性能

• 總?cè)萘縼G失一半可用空間

• 完全容錯(cuò)

• 重建會(huì)更快

• 寫性能變慢

• 讀性能變好

• 能用于操作系統(tǒng)和小規(guī)模的數(shù)據(jù)庫

3、RAID3

RAID3稱為專用奇偶校驗(yàn)條帶，它采用一個(gè)專用的磁盤作為校驗(yàn)盤，其余磁盤作為數(shù)據(jù)盤，數(shù)據(jù)按 *位* 或 *字節(jié)* 為單位的方式交叉存儲(chǔ)到各個(gè)數(shù)據(jù)盤中。RAID3至少需要三塊磁盤。寫數(shù)據(jù)時(shí)性能過低。

• 當(dāng)一塊硬盤失效時(shí)，該硬盤上的所有數(shù)據(jù)塊必須使用校驗(yàn)信息重新建立。如果是從好盤中讀取數(shù)據(jù)塊，不會(huì)有任何變化。但是如果要讀取的數(shù)據(jù)塊正好位于已經(jīng)損壞的硬盤上，則必須同時(shí)讀取同一條帶中的所有其他數(shù)據(jù)塊，并根據(jù)校驗(yàn)值重建丟失的數(shù)據(jù)。

• 出現(xiàn)大量的寫操作，RAID-3會(huì)把數(shù)據(jù)的寫入操作分散到多個(gè)磁盤上進(jìn)行，但是不管是向哪一個(gè)數(shù)據(jù)盤寫入數(shù)據(jù)，都需要同時(shí)重寫校驗(yàn)盤中的相關(guān)信息

如下圖所示，物理盤2中的每一個(gè)校驗(yàn)塊所包含的都是其他兩塊物理盤中對應(yīng)數(shù)據(jù)塊的校驗(yàn)信息，P0為數(shù)據(jù)0、1的異或值，P1為數(shù)據(jù)2、3的異或值，P2為數(shù)據(jù)4、5的異或值

但是這種情況會(huì)導(dǎo)致物理盤2，也就是存放校驗(yàn)位的磁盤經(jīng)常性故障，于是出現(xiàn)了解決方案 RAID5

5、RAID4

RAID4與RAID3的原理大致相同，RAID-4是以 *條帶* 為單位。提供了非常好的讀性能，但寫性能比較差。而且隨著成員磁盤數(shù)量的增加，校驗(yàn)盤的系統(tǒng)瓶頸將更加突出。在實(shí)際應(yīng)用中很少見，主流存儲(chǔ)產(chǎn)品也很少使用RAID4保護(hù)。

6、RAID5

RAID5稱為分布奇偶校驗(yàn)條帶，應(yīng)該是目前最常見的RAID等級(jí)，原理與RAID4相似，但不存在RAID4中的并發(fā)寫操作時(shí)的校驗(yàn)盤性能瓶頸問題。

RAID-5數(shù)據(jù)以 *條帶* 為單位分布到各個(gè)硬盤上，不是把所有的校驗(yàn)塊集中保存在一個(gè)專門的校驗(yàn)盤中，而是將校驗(yàn)塊分散到所有的數(shù)據(jù)盤中。

• 性能卓

• 讀速度將非常好

• 寫速度處于平均水準(zhǔn)，如果我們不使用硬件 RAID 控制器，寫速度緩慢

• 從所有驅(qū)動(dòng)器的奇偶校驗(yàn)信息中重建

• 完全容錯(cuò)

• 1個(gè)磁盤空間將用于奇偶校驗(yàn)

• 可以被用在文件服務(wù)器，Web服務(wù)器，非常重要的備份中

RAID-5的校驗(yàn)值采用的是異或算法。異或運(yùn)算是二進(jìn)制數(shù)值間的一種算法，其運(yùn)算符號(hào)為XOR，或者用“⊕”表示。RAID-5之所以能夠容錯(cuò)，就是利用了異或運(yùn)算的以下特點(diǎn)

# 1.運(yùn)算結(jié)果與運(yùn)算順序無關(guān)
（a ⊕ b） ⊕ c＝a ⊕ （b ⊕ c）

# 2.各個(gè)參與運(yùn)算的數(shù)字與結(jié)果循環(huán)對稱
# 如果a ⊕ b ⊕ c＝d， 那么：
a＝b ⊕ c ⊕ d
b＝a ⊕ c ⊕ d
c＝a ⊕ b ⊕ d

上面例子中的a、b、c、d看作RAID-5四塊成員盤上的條帶，其中三個(gè)是數(shù)據(jù)條帶，剩下一個(gè)是校驗(yàn)條帶，如果有一塊成員盤離線，不管哪個(gè)條帶丟失了，都可以用剩下的三個(gè)條帶經(jīng)過異或計(jì)算出來。

如下圖所示，RAID-5的校驗(yàn)碼存在于所有硬盤上，其中P0為數(shù)據(jù)條帶0、1的校驗(yàn)值，P1為數(shù)據(jù)2、3的校驗(yàn)值，P2為數(shù)據(jù)4、5的校驗(yàn)值。

7、RAID6

RAID6稱為雙重奇偶校驗(yàn)條帶，引入雙重校驗(yàn)的概念解決其他RAID等級(jí)無法解決的兩個(gè)磁盤同時(shí)發(fā)生故障數(shù)據(jù)完整性問題。但是，它的成本要高于RAID5許多，寫性能也較差，且設(shè)計(jì)和實(shí)施非常復(fù)雜。因此RAID6很少得到實(shí)際應(yīng)用，一般是替代RAID10方案的經(jīng)濟(jì)性選擇。

標(biāo)準(zhǔn)RAID等級(jí)各有優(yōu)勢和不足。把多個(gè)RAID等級(jí)組合起來，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，彌補(bǔ)相互的不足，從而達(dá)到在性能、數(shù)據(jù)安全性等指標(biāo)上更高的RAID系統(tǒng)。當(dāng)然，組合等級(jí)的實(shí)現(xiàn)成本一般都非常昂貴，只是在少數(shù)特定場合應(yīng)用。實(shí)際得到較為廣泛應(yīng)用的只有RAID01和RAID10兩個(gè)等級(jí)。

• 性能不佳

• 讀的性能很好

• 如果我們不使用硬件 RAID 控制器寫的性能會(huì)很差

• 從兩個(gè)奇偶校驗(yàn)驅(qū)動(dòng)器上重建

• 完全容錯(cuò)

• 2個(gè)磁盤空間將用于奇偶校驗(yàn)， 成本高

• 可用于大型陣列

• 用于備份和視頻流中，用于大規(guī)模

8、RAID10

RAID 10 可以被稱為1 + 0或0 +1。同時(shí)擁有RAID0的超凡速度和RAID1的高數(shù)據(jù)可靠性，但是磁盤的利用率比較低

• RAID01是先做條帶化再作鏡像，本質(zhì)是對物理磁盤實(shí)現(xiàn)鏡像；

• RAID10是先做鏡像再作條帶化，是對虛擬磁盤實(shí)現(xiàn)鏡像。

相同的配置下，通常RAID01比RAID10具有更好的容錯(cuò)能力。RAID01兼?zhèn)淞薘AID0和RAID1的優(yōu)點(diǎn)，整體磁盤利用率均僅為50%。

• 良好的讀寫性能

• 總?cè)萘縼G失一半的可用空間

• 容錯(cuò)

• 從副本數(shù)據(jù)中快速重建

• 由于其高性能和高可用性，常被用于數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)中

四、主流RAID等級(jí)對比

五、RAID選擇

在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)和具體情況，綜合考慮可用性、性能和成本來選擇合適的RAID等級(jí)。RAID等級(jí)的選擇主要有三個(gè)因素：數(shù)據(jù)可用性、I/O性能、成本。

• 如果不要求可用性，選擇RAID0以獲得高性能。

• 如果可用性和性能是重要的，而成本不是一個(gè)主要因素，則根據(jù)磁盤數(shù)量選擇RAID1。

• 如果可用性，成本和性能都同樣重要，則根據(jù)一般的數(shù)據(jù)傳輸和磁盤數(shù)量選擇RAID3或RAID5。