RAID（独立冗余磁盘阵列）技术浅析

时间：2016-09-14 15:13:23 阅读：181 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

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引言

如果我们有一个需要很大容量，一块硬盘存储不了的数据，只能存储到多个硬盘上，最简单的思维是：一块硬盘一块硬盘的读取/存储。

很显然，这样单纯的堆积法虽然解决了容量的问题，但是也带来的浪费，因为一次只是从一块硬盘上进行读/写，同时，单块硬盘的读取速度，也是整个磁盘组合的读取速度。

因为CPU和缓存的速度远远大于磁盘的读取数据，因此我们可以将CPU数据读/取请求按照顺序给不同的磁盘，让磁盘“同时”读/写数据，也就是下面的RAID 0.

RAID 0

将连续的数据拆分成block，分散将数据block的读/写请求给各个磁盘，达到“同时”读/写的目的。

也叫Stripe条带模式。

优点：这种数据上的并行操作可以充分利用总线的带宽，显著提高磁盘整体存取性能。因为读取和写入是在设备上并行完成的，读取和写入性能将会增加，
缺点：没有数据冗余，如果其中一个磁盘Disk出现错误，将影响所有的读/写操作，并且不能从错误中恢复数据。

P.S.磁盘上只有实实在在的扇区结构，并没有什么Stripe结构，Stripe只是一种逻辑上由程序根据某种算法实现的一种的概念。Stripe后的多个硬盘，数据是被并行写入磁盘的，而不是只有写满了一个磁盘的Stripe区域后，再写下个磁盘的Stripe区域。

RAID 1

又称为镜像(Mirroring)，一个具有全冗余的模式。

优点：需要极高的可靠性和安全性。支持"热替换"，即不断电的情况下对故障磁盘进行更换。
缺点：其磁盘的利用率却只有50%，是所有RAID级别中最低的。

RAID 1+0

先做镜像(1)，再做条带(0)。

比如，有HDD0~HDD7共7个磁盘，其中HDD0~HDD3是数据盘，HDD4~HDD7是对应的镜像盘。同时，有”ABCD”四个数据的磁盘写请求。

当数据A的写请求在磁盘HDD0上执行时，就在对应的镜像盘HDD4中进行镜像A’。与此同时，按照与数据A类似的步骤，并行在相应磁盘中写入数据B、数据C和数据D。

优点：兼顾了RAID0和RAID1的优点，在可靠性和I/O性能上有保证。只要不是数据盘和对应的镜像盘同时出现损坏，数据就能保证完整性，写功能不会受到影响。如果损坏了其中一块比如HDD0时，读性能可能会稍微降低(读取数据时可以并行操作)。
缺点：从上图可以看出，需要分出一半的磁盘组作为Mirror，因此空间利用率只有50%，成本大。

RAID1+0 由于兼具可靠性和好的性能，在商业应用中很广泛，常应用于数据库等要求安全性，小数据频繁写的场合。

RAID 0+1

先做条带(0)，再做镜像(1)。

先对数据进行RAID 0条带化，然后将Stripe后的数据进行备份。

RAID01几乎不会在实际环境中应用，因为RAID0+1和RAID1+0在读取效率上没有差异，但是RAID0+1在安全性和可靠性低。

RAID 2

可以认为是RAID0的改进版，加入了汉明码(Hanmming Code)错误校验。

汉明码(Hamming Code)是一种能够自动检测并纠正一位错码的线性纠错码，即SEC(Single Error Correcting)码。汉明码通过在要传输的数据位中增加一些bit作为校验位，可以验证数据的有效性。

汉明码的原理举例说明，如果传输的数据位数为k，使用的校验位的位数为r，组成一个n=k+r位数的汉明码。为了能够发现这n位数的数据在传输给后端时是否出错，并且能够指明是那一位数据出错，那么r位的校验位至少能够代表k+r+1个状态(k+r表明出错的位置，其中多出来的1表示数据传输正确)。那么关系式如下：

也是就是说，如果要传输k=4位数据位，根据算式(1) 必须则校验位r≥3，如果用r=3作为校验位数，那么总共传输的数据位数n=k+r=7。

RAID就是利用了汉明码的原理，使用校验磁盘作为错误检查和纠正ECC(Error Correcting Code)盘。如下图，A0-A3四个盘是数据盘，Ax-Az三个盘是校验盘。

根据原理，汉明码有且仅能纠正一个Bit的错误，并且因为校验的原因，校验位和数据位需要一同并行写人或读取(例如，A0-A3，Ax-Az的磁盘需要并行联动)

RAID2技术过于极端，目前基本已经被淘汰了。根据原理，RAID2需要在IO数据到来之后，控制器将数据按Bit分开，顺序并同时在每个数据盘和相应校验盘中存放1Bit，而磁盘上的IO最小单位是扇区512B，那么如何确保写入1Bit并且不至于浪费过多空间的算法就很复杂。此外，需要占用相对较多的校验盘也是原因之一，虽然随着数据盘的增加，校验盘的数量会呈指数下降。

RAID 3

RAID 2的缺点主要是将数据以bit位作为单位来分割，将原本物理连续的扇区转变成了物理不连续、逻辑连续的，这样导致效率低下。RAID3 就准备从根本上就绝这个问题。

RAID3保留了RAID2的一些优点，比如多磁盘同时联动，性能高(利用将一个IO尽量做到能够分割成小块，让每个磁盘能够参与工作)。不过RAID3放弃了将数据分割成Bit这么极端的做法，因为这样就将磁盘扇区的物理连续性打破了。RAID3将数据以一个扇区(512B)或者几个扇区(例如4KB)作为单位来分割数据。此外，RAID3也放弃了使用汉明码来校验，取而代之的是XOR校验算法。XOR校验算法只能判断数据是否有误，不能判断出有那一位有误，更不能更正错误，但是XOR算法可以只需要一块校验盘即可。

在一个磁盘阵列中，一般情况下多于一个磁盘出现故障的几率是很小的，所有一般情况下，RAID3的安全性还是有保障的。

同RAID2一样，由于需要多磁盘同时联动，同时还需要校验。显然，RAID3不适用于有大量写操作的情况，因为这样会使得校验盘的负荷较大，降低RAID系统的性能。RAID3 常用于写操作较少，读操作较多的应用环境，比如数据库和WEB服务器。

RAID 4

从RAID2和RAID3的设计来看，都是为了尽量达到全盘联动，也就是说主要都是为了提高数据传输率而设计的，但是确无法做到并发IO。

然而，现实中例如数据库等应用的特点就是高频率随机IO读写，例如每秒产生的IO数目很大，但是每个IO请求的数据长度都很小。这种情况下，如果所有的磁盘同一时刻都被一个IO占用并且不能并发IO，只能一个IO一个IO的做，必然产生极大的浪费。

那么，要实现并发IO，就需要保证有空闲的磁盘没有被IO占用，这样才能让其他IO去占有这个磁盘进访问。要达到有有空闲磁盘的目的，那么就需要增加每次读/写的容量，例如按块(Block)存取。

RAID4对于写IO有个很难克服的问题，那就是校验盘的争用。例如上图A0-A3四个数据盘和一个校验盘构成的RAID4系统中，某一时刻一个IO只占用了A0和A1两个磁盘和校验盘，此时虽然后面两块磁盘是空闲的，可以同时接受新的IO请求，但是接受了新的IO请求，则新的IO请求也要使用校验盘。这样就导致了校验盘的争用成为并发的瓶颈。(动画演示见http://storage-system.fujitsu...)

基于这个原因，需要特别优化请求的IO数据，才能高效使用RAID4。然而，要优化到并发几率很高很不容易，目前只有NetApp的WAFL文件系统还在使用RAID4，其他产品均未使用了。

RAID4面临淘汰，取而代之的是拥有高盲并发几率的RAID5系统。所谓的高盲并发几率，就是上层文件系统不用感知下层磁盘的结构，即可增加并发的几率。

RAID 5