RAID技术详解

左手的ㄟ右手 2022-09-16 15:25 227阅读 0赞

# 一、RAID说明 #

## 1.1、RAID概述 ##

①**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。**

②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。**

③从实现角度看， **RAID 主要分为：【软 RAID】、【硬 RAID】 以及【软硬混合 RAID】 三种。**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，效率自然最低。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，但成本很高。软硬混合 RAID 具备 RAID 控制 / 处理芯片，但缺乏 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。

④**RAID 每一个等级代表一种实现方法和技术，等级之间并无高低之分**。在实际应用中，应当根据用户的数据应用特点，综合考虑可用性、性能和成本来选择合适的 RAID 等级，以及具体的实现方式。

## 1.2、RAID原理 ##

RAID （ Redundant Array of Independent Disks ）即【独立磁盘冗余阵列】，通常简称为**：【磁盘阵列】**。**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 是一类多磁盘管理技术，其向主机环境提供了成本适中、数据可靠性高的高性能存储】**。

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。

**RAID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。这种高端磁盘阵列主要用于要求高可能性的应用系统，系统不能停机或尽可能少的停机时间。一般来说， **RAID 不可作为数据备份的替代方案**，它对非磁盘故障等造成的数据丢失无能为力，比如[病毒][Link 1]、人为破坏、意外删除等情形。此时的数据丢失是相对操作系统、文件系统、卷管理器或者应用系统来说的，对于 RAID 系统来身，数据都是完好的，没有发生丢失。所以，数据备份、灾 备等数据保护措施是非常必要的，与 RAID 相辅相成，保护数据在不同层次的安全性，防止发生数据丢失。

## 1.3、RAID优势 ##

**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。

# 二、关键技术 #

## 2.1、镜像 ##

**《1》说明**

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。①**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**。②**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。**

**《2》应用场景**

**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】。**

## **2.2、数据条带** ##

**《1》说明**

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。**

## 2.3、数据校验 ##

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。

# 三、RAID等级 #

## 3.0、常见的RAID等级 ##

**《1》标准RAID：**RAID0 、 RAID1 、 RAID2 、 RAID3 、 RAID4 、 RAID5 、RAID6 七个等级定为标准的 RAID 等级。

**《2》混合RAID**：RAID10、RAID50、RAID60...。

## 3.1、**RAID 0** ##

**《1》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。

下图是用四块硬盘组成 RAID 0 的示意图，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。

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**《2》可用容量：组成 RAID 0 所有硬盘容量的总和** 。

**《3》优点：**

①提高读写速度，对硬盘的总容量没有损失。

②处理大文件很快。

**《4》缺点：**

①**一旦阵列中某块硬盘损坏了，所有数据将不可恢复。**

**《5》应用场景：****RAID 0** **不应用于任务关键系统**；**非常适合非关键存储必须高速读取/编写的数据，例如在图像修饰或视频编辑站上。**

## 3.2、**RAID 1** ##

**《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，那实际可用容量不超过较小的那块硬盘的容量。**

下图是 RAID 1 的示意图，左右两边存储的数据是完全相同的。

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAeGlhb2NoZW5YSUhVQQ_size_14_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1][]

**《2》可用容量：****不超过最小的那块硬盘的容量总和。**

**《3》优点：**

①读取性能翻倍。

②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。

**《4》缺点：**

①主要缺点是：**有效存储容量仅占总驱动器容量的一半，因为所有数据都写两次。**

②**软件 RAID 1 解决方案并不总是允许对失败的驱动器进行热交换**。这意味着只有在关闭连接到的计算机后才能更换故障驱动器。对于许多人同时使用的服务器，这可能是不能接受的。此类系统通常使用支持热交换的硬件控制器。

**《5》应用场景：非常适合任务关键存储，例如会计系统**。它也适用于小型服务器，其中将只使用两个数据驱动器。

## 3.3、 **RAID 2（已淘汰）** ##

**《1》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。

①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）。

**《2》优点：**

①加入了数据纠错机制。

**《3》缺点：**

①成本增高，需要额外的盘做汉明码纠错

**注意：RAID 2 的应用场景不多，目前已经被淘汰，所以没有必要研究它。**

## 3.4、 **RAID 3** ##

**《1》原理：RAID 3，【最少需要3块硬盘】 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 4 就是那块专用的奇偶校验磁盘。

![dc095deebcb6f73f29288b9ea246fa4b.png][]

**《2》优点：**

①加入了数据纠错机制。

**《3》缺点：**

①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）

![ea3de37816c22fb349187ff72e96be5d.png][]

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

## 3.5、**RAID 4** ##

**《1》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。  
这里就不画图介绍了，图和 RAID 3 一样，这种 RAID **在生产环境中几乎不用。**

## 3.6、**RAID 5** ##

**《1》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 和 RAID 5 之间的区别在于，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。

虽然 RAID 5 可以在软件中实现，但建议使用硬件控制器。通常，这些控制器上会使用额外的缓存内存来提高书写性能。

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。

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**《2》 优点：**

①读取数据非常快，而写入数据则稍慢（由于必须计算的平价）。

②有校验机制。

③空间利用率高。

**《3》缺点：**

①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，数据就找不回来了。

②驱动器故障对吞吐量有影响，尽管这仍然是可以接受的。

**《4》应用场景：**RAID 5 是一款出色的全方位系统，将高效的存储与出色的安全性和良好的性能相结合。**它是数据驱动器数量有限的文件和应用程序服务器的理想选择。**

*  变种（RAID 5 + Spare）

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。

## **3.7、RAID 10** ##

**《1》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。

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAeGlhb2NoZW5YSUhVQQ_size_14_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2][]

**《2》优点：**

①如果 RAID 10 配置中的某个磁盘出现问题，则重建时间非常快，因为只需要将所有数据从幸存的后视镜复制到新驱动器。这可能需要30分钟，驱动器1结核病。

**《3》缺点：**

①一半的存储容量用于镜像，因此与大型 RAID 5 或 RAID 6 阵列相比，这是一种具有冗余的昂贵方式。

# 四、RAID 应用选择 #

**RAID 等级的选择主要有三个因素【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。

①如果不要求可用性，选择 RAID0 以获得高性能。

②**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** 。

③**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。**

表1 主流 RAID 等级技术对比

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**近年来，企业的信息化水平不断发展，数据已经取代计算成为了信息计算的中心，信息数据的安全性就显得尤为至关重要。**随着存储技术的持续发展， RAID 技术在成本、性能、数据安全性等诸多方面都将优于其他存储技术，例如磁带库、光盘库等，大多数企业数据中心首选 RAID 作为存储系统。

当前存储行业的知名存储厂商均提供全线的磁盘阵列产品，包括面向个人和中小企业的入门级的低端 RAID 产品，面向大中型企业的中高端 RAID 产品。这些存储企业包括了国内外的主流存储厂商，如 EMC 、 IBM 、 HP 、 SUN 、 NetApp 、 NEC 、 HDS 、 H3C 、 Infortrend 、华赛等。另外，这些厂商在提供存储硬件系统的同时，还往往提供非常全面的软件系统，这也是用户采购产品的一个主要参考因素。

不同的存储厂商的产品在技术、成本、性能、管理、服务等方面各有优势和不足。**用户选择 RAID 的原则是：在成本预算内，满足数据存储需求的前提下，选择最优的存储厂商解决方案。**因此，首先**用户需要对存储需求作深入的调研和分析，并给出成本预算，然后对众多存储厂商的解决方案进行分析和对比，最后选择出一个综合最优的存储方案。其中，存储产品的扩展性和存储厂家的售后服务需要重点考察，存储需求（如容量、性能）可能会不断升级，存储产品发生故障后的维修和支持保障，这些都要未雨先缪。**

# 五、其他资料 #

[各种 RAID 详解![icon-default.png?t=L9C2][icon-default.png_t_L9C2]https://zhuanlan.zhihu.com/p/119452913][RAID _icon-default.png_t_L9C2_icon-default.png_t_L9C2_https_zhuanlan.zhihu.com_p_119452913][RAID 级别 0、1、5、6 和 10 |优势，劣势，使用 (prepressure.com)![icon-default.png?t=L9C2][icon-default.png_t_L9C2]/images/20220828/991831531fac47ea9a160e3fd467a552.png][RAID _ 0_1_5_6 _ 10 _ _prepressure.com_icon-default.png_t_L9C2_icon-default.png_t_L9C2_https_www.prepressure.com_library_technology_raid]

[Link 1]: http://www.hack520.com/topic/virus/
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