RAID技术详解与总结
目录
1. RAID概述
2. RAID基本原理
3. RAID相应术语
3.1 扇区、块、段、条带
3.2 磁盘的IO指令
3.3 数据校验（ Data parity）
4. RAID标准分级
4.1 RAID0
4.2 RAID1
4.3 RAID2
4.4 RAID3
4.5 RAID4
4.6 RAID5
4.7 RAID6
4.8 RAID7
5 RAID的升级衍型
5.1 RAID00
5.2 RAID01和RAID10
5.3 RAID30
5.4 RAID50
5.5 RAID100
1. RAID概述
1988 年美国加州大学伯克利分校的 D. A. Patterson 教授等首次在论文 “A Case of Redundant Array of Inexpensive Disks” 中提出了 RAID 概念 [1] ，即廉价冗余磁盘阵列（ Redundant Array of Inexpensive Disks ）。由于当时大容量磁盘比较昂贵， RAID 的基本思想是将多个容量较小、相对廉价的磁盘进行有机组合，从而以较低的成本获得与昂贵大容量磁盘相当的容量、性能、可靠性。随着磁盘成本和价格的不断降低， RAID 可以使用大部分的磁盘， “廉价” 已经毫无意义。因此， RAID 咨询委员会（ RAID Advisory Board, RAB ）决定用 “ 独立 ” 替代 “ 廉价 ” 。
于是RAID 变成了独立磁盘冗余阵列（ RAID，Redundant Array of Independent Disks ）。
D. A. Patterson 等的论文中定义了 RAID1 ~ RAID5 原始 RAID 等级，1988 年以来又扩展了 RAID0 和 RAID6 。近年来，存储厂商不断推出诸如 RAID7 、 RAID10/01 、 RAID50 、 RAID53 、 RAID100 等 RAID 等级，但这些并无统一的标准。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。(不同的RAID方式应用于不同的数据存储需求)
2. RAID基本原理
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。
3. RAID相应术语
3.1 扇区、块、段、条带
图中Extent0、Extent1...Extent4，分别为5个磁盘，磁盘横向逻辑分割形成条带（Stripee），一个条带所横跨的扇区或块的个数或字节容量，就是条带长度，Stripe Length。而1个条带所占用的单块磁盘上的区域称之为1个段（Segment），1个段所包含的Data Block个数成为条带深度（Stripe Depth），而Data Block 可以是N倍个扇区容量大小。
3.2 磁盘的IO指令
磁盘IO指令分为：读/写IO、大/小块IO、随机/连续IO、顺序/并发IO
读/写IO，最为常见说法，读IO，就是发指令，从磁盘读取某段扇区的内容。指令一般是通知磁盘开始扇区位置，然后给出需要从这个初始扇区往后读取的连续扇区个数，同时给出动作是读，还是写。磁盘收到这条指令，就会按照指令的要求，读或者写数据。控制器发出的这种指令＋数据，就是一次IO，读或者写。
大/小块IO，指控制器的指令中给出的连续读取扇区数目的多少，如果数目很大，比如128，64等等，就应该算是大块IO，如果很小，比如1， 4，8等等，就应该算是小块IO，大块和小块之间，没有明确的界限。
连续/随机IO，连续和随机，是指本次IO给出的初始扇区地址，和上一次IO的结束扇区地址，是不是完全连续的，或者相隔不多的，如果是，则本次IO应该算是一个连续IO，如果相差太大，则算一次随机IO。连续IO，因为本次初始扇区和上次结束扇区相隔很近，则磁头几乎不用换道或换道时间极短；如果相差太大，则磁头需要很长的换道时间，如果随机IO很多，导致磁头不停换道，效率大大降底。
顺序/并发IO，这个的意思是，磁盘控制器每一次对磁盘组发出的指令套（指完成一个事物所需要的指令或者数据），是一条还是多条。如果是一条，则控制器缓存中的IO队列，只能一个一个的来，此时是顺序IO；如果控制器可以同时对磁盘组中的多块磁盘，同时发出指令套，则每次就可以执行多个IO，此时就是并发IO模式。并发IO模式提高了效率和速度。
IO并发几率。单盘，IO并发几率为0，因为一块磁盘同时只可以进行一次IO。对于raid0，2块盘情况下，条带深度比较大的时候（条带太小不能并发IO，下面会讲到），并发2个IO的几率为1/2。其他情况请自行运算。
IOPS。一个IO所用的时间＝寻道时间＋数据传输时间。 IOPS＝IO并发系数/（寻道时间＋数据传输时间），由于寻道时间相对传输时间，大几个数量级，所以影响IOPS的关键因素，就是降底寻道时间，而在连续IO的情况下，寻道时间很短，仅在换磁道时候需要寻道。在这个前提下，传输时间越少，IOPS就越高。
每秒IO吞吐量。显然，每秒IO吞吐量＝IOPS乘以平均IO SIZE。 Io size越大，IOPS越高，每秒IO吞吐量就越高。设磁头每秒读写数据速度为V，V为定值。则IOPS＝IO并发系数/（寻道时间＋IO SIZE/V），代入，得每秒IO吞吐量＝IO并发系数乘IO SIZE乘V/（V乘寻道时间＋IO SIZE）。我们可以看出影响每秒IO吞吐量的最大因素，就是IO SIZE和寻道时间，IO SIZE越大，寻道时间越小，吞吐量越高。相比能显著影响IOPS的因素，只有一个，就是寻道时间。
3.3 数据校验（ Data parity）
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。
4. RAID标准分级
RAID的级别从RAID概念的提出到现在，巳经发展了多个级别，有明确标准级别分别是RAID0、RAID1、RAID2、RAID3、RAID4、RAID5、RAID6等。但是最常用的是0、1、3、5四个级别。其他还有6、7、10、30、50等。RAID为使用者降低了成本、增加了执行效率，并提供了系统运行的稳定性。
4.1 RAID0
RAID0也称为条带模式（striped），即把连续的数据分散到多个磁盘上存取，如图所示。当系统有数据请求就可以被多个磁盘并行的执行，每个磁盘执行属于它自己的那部分数据请求。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，这通常是运行 RAID 0 的主要原因。但RAID 0没有数据冗余，如果磁盘出现故障，那么将无法恢复任何数据。
4.2 RAID1
RAID1 也被称为RAID镜象（Disk Mirroring），因为一个磁盘上的数据被完全复制到另一个磁盘上。如果一个磁盘的数据发生错误，或者硬盘出现了坏道，那么另一个硬盘可以补救回磁盘故障而造成的数据损失和系统中断。这种阵列可靠性很高，但其有效容量减小到总容量的一半，同时这些磁盘的大小应该相等，否则总容量只具有最小磁盘的大小。
RAID1技术支持"热替换"，即不断电的情况下对故障磁盘进行更换，更换完毕只要从镜像盘上恢复数据即可。当主硬盘损坏时，镜像硬盘就可以代替主硬盘工作。镜像硬盘相当于一个备份盘，可想而知，这种硬盘模式的安全性是非常高的，RAID 1的数据安全性在所有的RAID级别上来说是最好的。但是其磁盘的利用率却只有50%，是所有RAID级别中最低的。
4.3 RAID2
RAID2的思想是将原本连续的一个扇区的数据，以位为单位，全部分割到不连续的多块磁盘上，这样可以使在任何条件下迫使所有磁盘进行并行的读写操作，提高性能，也就是说条带的深度只有1位（1b，通常磁盘最小的IO单位扇区，有512B。）
RAID2在数据校验上采用了汉明码，这种校验方式可以判断修复1位错误的数据，校验盘的数量随着数据盘的数量增多所占比例显著减小。
汉明码的说明链接https://blog.csdn.net/ynd_sg/article/details/78700540?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522164880624616782094829982%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fall.%2522%257D&request_id=164880624616782094829982&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~first_rank_ecpm_v1~rank_v31_ecpm-1-78700540.142^v5^pc_search_result_cache&utm_term=%E6%B1%89%E6%98%8E%E7%A0%81&spm=1018.2226.3001.4187
4.4 RAID3
RAID3 是使用专用校验盘的并行访问阵列，它采用一个专用的磁盘作为校验盘，其余磁盘作为数据盘，数据按位可字节的方式交叉存储到各个数据盘中。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 完好时读性能与 RAID0 完全一致，并行从多个磁盘条带读取数据，性能非常高，同时还提供了数据容错能力。
XOR校验算法及原理https://blog.csdn.net/weixin_34067980/article/details/90198042?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522164880664616781685359878%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fall.%2522%257D&request_id=164880664616781685359878&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~first_rank_ecpm_v1~rank_v31_ecpm-8-90198042.142^v5^pc_search_result_cache&utm_term=XOR%E6%A0%A1%E9%AA%8C&spm=1018.2226.3001.4187
当IO SIZE大于条带长度时，假设共有4块数据盘，1块校验盘，段size为2个扇区（1KB），条带长度为4KB。当控制器IO SIZE为16KB，则控制器一次性并行写入的MAX为4KB，这16KB需要分成4批写入4个条带。然而这4个条带内容不是分批写入，而是并行由1个IO写入。即将16KB中的第1、5、9、13KB将由控制器连续写入磁盘1，第2、6、10、14写入磁盘2，以此类推。这样的话，校验盘数据也可以一次性计算校验数据值，并且和数据一并写入条带。
如果 RAID3 中某一磁盘出现故障，不会影响数据读取，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。
RAID3 只需要一个校验盘，阵列的存储空间利用率高，再加上并行访问的特征，能够为高带宽的大量读写提供高性能，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。
4.5 RAID4
RAID 4是带奇偶校验码的独立磁盘结构。它和RAID 3很相似，不同的是RAID 4对数据的访问是按数据块进行的。RAID 3是一次一横条，而RAID 4一次一竖条。RAID4 与 RAID3 的原理大致相同，区别在于条带化的方式不同。 RAID4 写操作只涉及当前数据盘和校验盘两个盘，多个 I/O 请求可以同时得到处理，提高了系统性能。
RAID4 按块存储可以保证单块的完整性，可以避免受到其他磁盘上同条带产生的不利影响。RAID4 在不同磁盘上的同级数据块同样使用 XOR 校验，结果存储在校验盘中。写入数据时， RAID4 按这种方式把各磁盘上的同级数据的校验值写入校验 盘，读取时进行即时校验。因此，当某块磁盘的数据块损坏， RAID4 可以通过校验值以及其他磁盘上的同级数据块进行数据重建。（当磁盘坏损2块时将无法恢复数据）
4.6 RAID5
RAID5 与 RAID4 之间最大的区别就是校验信息均匀分布在各个驱动器上，如图7所示，这样就避免了RAID 4中出现的瓶颈问题。如果其中一块磁盘出现故障，那么由于有校验信息，所以所有数据仍然可以保持不变。如果可以使用备用磁盘，那么在设备出现故障之后，将立即开始同步数据。如果两块磁盘同时出现故障，那么所有数据都会丢失。RAID5 可以经受一块磁盘故障，但不能经受两块或多块磁盘故障。
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。
在RAID5的基础上又衍生除了RAID5E、RAID5EE两种方案，分别加入了热备份与随机热备份。
4.7 RAID6
从RAID0到RAID5都只能保护因单个磁盘失效而造成的数据丢失。如果两个磁盘同时发生故障，数据将无法恢复。 RAID6 引入双重校验的概念，它可以保护阵列中同时出现两个磁盘失效时，阵列仍能够继续工作，不会发生数据丢失。 RAID6 等级是在 RAID5 的基础上为了进一步增强数据保护而设计的一种 RAID 方式，它可以看作是一种扩展的 RAID5 等级。RAID6相比于RAID5所增加的校验盘，同样分散在各个磁盘上，只不过用另一个方程式来计算新的校验数据。
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 思想最常见的实现方式是采用两个独立的校验算法，假设称为 P 和 Q ，校验数据可以分别存储在两个不同的校验盘上，或者分散存储在所有成员磁盘中。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 具有快速的读取性能、更高的容错能力。但是，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。
4.8 RAID7
RAID 7自身带有智能化实时操作系统和用于存储管理的软件工具，可完全独立于主机运行，不占用主机CPU资源。RAID 7存储计算机操作系统（Storage Computer Operating System）是一套实时事件驱动操作系统，主要用来进行系统初始化和安排RAID 7磁盘阵列的所有数据传输，并把它们转换到相应的物理存储驱动器上。通过Storage Computer Operating System来设定和控制读写速度，可使主机I/O传递性能达到最佳。如果一个磁盘出现故障，还可自动执行恢复操作，并可管理备份磁盘的重建过程。RAID 7全称叫“Optimized Asynchrony for High I/O Rates as well as High Data Transfer Rates(最优化的异步高I/O速率和高数据传输率)”，它与以前我们见到RAID级别具有明显的区别。RAID 7完全可以理解为一个独立存储计算机，它自身带有操作系统和管理工具，完全可以独立运行。RAID 7的图解如下:
图中每个“柱体”是由多个磁盘构成，而不是我们以前看到的一个磁盘表示一个“柱体”。从上图我们可以看出，每个磁盘都有一个独立的I/O通道，它们与主通道相连，操作系统可以直接对每个磁盘的访问进行控制，可以让每个磁盘在不同的时段进行数据读写，这样就大大改善了I/O的应用，同时也提高了数据读写的能力，而这种磁盘访问方式也叫做非同步访问。在RAID 7中，提供了一个磁盘作为专门的校验盘，它适合于任何一个磁盘进行数据恢复。
RAID 7采用的是非同步访问方式，极大地减轻了数据写瓶颈，提高了I/O速度。（所谓非同步访问，即RAID 7的每个I/O接口都有一条专用的高速通道，作为数据或控制信息的流通路径，因此可独立地控制自身系统中每个磁盘的数据存取。）如果RAID 7有N个磁盘，那么除去一个校验盘（用作冗余计算）外，可同时处理N－1个主机系统随机发出的读/写指令，从而显著地改善了I/O应用。RAID 7系统内置实时操作系统还可自动对主机发送过来的读/写指令进行优化处理，以智能化方式将可能被读取的数据预先读入快速缓存中，从而大大减少了磁头的转动次数，提高了I/O速度。RAID 7可帮助用户有效地管理日益庞大的数据存储系统，并使系统的运行效率提高至少一倍以上,满足了各类用户的不同需求。总的来说，RAID 7与我们传统的RAID级别有很大区别，它的优点很多，但缺点也非常明显，那就是价格非常高，对于普通企业用户并不实用。
5 RAID的升级衍型
标准 RAID 等级各有优势和不足。通过把多个 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。目前主要有 RAID00 、 RAID01 、 RAID10 、 RAID100 、 RAID30 、 RAID50 、 RAID53 、 RAID60 。
5.1 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。
5.2 RAID01和RAID10
RAID 0+1是存储性能和数据安全兼顾的方案。它在提供与RAID 1一样的数据安全保障的同时，也提供了与RAID 0近似的存储性能。由于RAID 0+1也通过数据的100%备份提供数据安全保障，因此RAID 0+1的磁盘空间利用率与RAID 1相同，存储成本高。RAID 0+1的特点使其特别适用于既有大量数据需要存取，同时又对数据安全性要求严格的领域，如银行、金融、商业超市、仓储库房、各种档案管理等。
RAID1+0，也被称为镜象阵列条带，现在我们一般称它为RAID 0+1。RAID 10（RAID 0+1）提供100%的数据冗余，支持更大的卷尺寸。组建RAID 10（RAID 0+1）需要4个磁盘，其中两个为条带数据分布，提供了RAID 0的读写性能，而另外两个则为前面两个硬盘的镜像，保证了数据的完整备份。RAID (0+1) 允许多个硬盘损坏，因为它完全使用硬盘来实现资料备余。如果有超过两个硬盘做RAID 1，系统会自动实现RAID(0+1)。
5.3 RAID30
RAID 30也被称为专用奇偶位阵列条带。它具有RAID 0和RAID 3的特性，由两组RAID 3的磁盘（每组3个磁盘）组成阵列，使用专用奇偶位，而这两种磁盘再组成一个RAID 0的阵列，实现跨磁盘抽取数据。RAID 30提供容错能力，并支持更大的卷尺寸。象RAID 10一样，RAID 30也提供高可靠性，因为即使有两个物理磁盘驱动器失效（每个阵列中一个），数据仍然可用。RAID 30最小要求有6个驱动器，它最适合非交互的应用程序，如视频流、图形和图象处理等。这些应用程序顺序处理大型文件，而且要求高可用性和高速度。
5.4 RAID50
RAID 50被称为分布奇偶位阵列条带。同RAID 30相仿的，它具有RAID 5和RAID 0的共同特性。它由两组RAID 5磁盘组成（每组最少3个），每一组都使用了分布式奇偶位，而两组硬盘再组建成RAID 0，实验跨磁盘抽取数据。RAID 50提供可靠的数据存储和优秀的整体性能，并支持更大的卷尺寸。即使两个物理磁盘发生故障（每个阵列中一个），数据也可以顺利恢复过来。
需要注意的是：磁盘故障会影响吞吐量。故障后重建信息的时间比镜像配置情况下要长。
5.5 RAID100
通常看作 RAID 1+0+0 ，有时也称为 RAID 10+0 ，即条带化的 RAID10 。 RAID100 的缺陷与 RAID10 相同，任意一个 RAID1 损坏一个磁盘不会发生数据丢失，但是剩下的磁盘存在单点故障的危险。最顶层的 RAID0 ，即条带化任务，通常由软件层来完成。RAID100 突破了单个 RAID 控制器对物理磁盘数量的限制，可以获得更高的 I/O 负载均衡， I/O 压力分散到更多的磁盘上，进一步提高随机读性能，并有效降低热点盘故障风险。因此， RAID100 通常是大数据库的最佳选择。
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