Raid级别结构知识浅析

一、Raid介绍


RAID是(Redundent Array of Inexpensive Disks)的缩写,直译为“廉价冗余磁盘阵列”,也简称为“磁盘阵列”。后来RAID中的字母I被改作了Independent,RAID就成了“独立冗余磁盘阵列”,但这只是名称的变化,实质性的内容并没有改变。可以把RAID理解成一种使用磁盘驱动器的方法,它将一组磁盘驱动器用某种逻辑方式联系起来,作为逻辑上的一个磁盘驱动器来使用。
RAID 包含一组或者一个集合甚至一个阵列。使用一组磁盘结合驱动器组成 RAID 阵列或 RAID 集。将至少两个磁盘连接到一个 RAID 控制器,而成为一个逻辑卷,也可以将多个驱动器放在一个组中。一组磁盘只能使用一个 RAID 级别。使用 RAID 可以提高服务器的性能。不同 RAID 的级别,性能会有所不同。它通过容错和高可用性来保存我们的数据。
RAID的优点:
    []传输速率高。在部分RAID模式中,可以让很多磁盘驱动器同时传输数据,而这些磁盘驱动器在逻辑上又是一个磁盘驱动器,所以使用RAID可以达到单个的磁盘驱动器几倍的速率。因为CPU的速度增长很快,而磁盘驱动器的数据传输速率无法大幅提高,所以需要有一种方案解决二者之间的矛盾。[/][]更高的安全性。相较于普通磁盘驱动器很多RAID模式都提供了多种数据修复功能,当RAID中的某一磁盘驱动器出现严重故障无法使用时,可以通过RAID中的其他磁盘驱动器来恢复此驱动器中的数据,而普通磁盘驱动器无法实现,这是使用RAID的第二个原因。[/]

二、Raid概念


软件 RAID 和硬件 RAID
软件 RAID 的性能较低,因为其使用主机的资源。 需要加载 RAID 软件以从软件 RAID 卷中读取数据。在加载 RAID 软件前,操作系统需要引导起来才能加载 RAID 软件。在软件 RAID 中无需物理硬件。零成本投资。
硬件 RAID 的性能较高。他们采用 PCI Express 卡物理地提供有专用的 RAID 控制器。它不会使用主机资源。他们有 NVRAM 用于缓存的读取和写入。缓存用于 RAID 重建时,即使出现电源故障,它会使用后备的电池电源保持缓存。对于大规模使用是非常昂贵的投资。
硬件 RAID 卡如下所示:
yraid.png

几个重要Raid概念:
    []校验方式用在 RAID 重建中从校验所保存的信息中重新生成丢失的内容。 RAID 5,RAID 6 基于校验。[/][]条带化是将切片数据随机存储到多个磁盘。它不会在单个磁盘中保存完整的数据。如果我们使用2个磁盘,则每个磁盘存储我们的一半数据。[/][]镜像被用于 RAID 1 和 RAID 10。镜像会自动备份数据。在 RAID 1 中,它会保存相同的内容到其他盘上。[/][]热备份只是我们的服务器上的一个备用驱动器,它可以自动更换发生故障的驱动器。在我们的阵列中,如果任何一个驱动器损坏,热备份驱动器会自动用于重建 RAID。[/][]是 RAID 控制器每次读写数据时的最小单位,最小 4KB。通过定义块大小,我们可以增加 I/O 性能。[/]

三、Raid级别


RAID有不同的级别,下面列举比较常用的模式:
    []RAID0 = 条带化[/][]RAID1 = 镜像[/][]RAID5 = 单磁盘分布式奇偶校验[/][]RAID6 = 双磁盘分布式奇偶校验[/][]RAID10 = 镜像 + 条带。(嵌套RAID)[/]

 
Raid 0
raid0.png
RAID 0,无冗余无校验的磁盘阵列。数据同时分布在各个磁盘上,没有容错能力,读写速度在RAID中最快,但因为任何一个磁盘损坏都会使整个RAID系统失效,所以安全系数反倒比单个的磁盘还要低。一般用在对数据安全要求不高,但对速度要求很高的场合,如:大型游戏、图形图像编辑等。此种RAID模式至少需要2个磁盘,而更多的磁盘则能提供更高效的数据传输。
条带化有很好的性能。在RAID0(条带化)中数据将使用切片的方式被写入到磁盘。一半的内容放在一个磁盘上,另一半内容将被写入到另一个磁盘。 
假设我们有2个磁盘驱动器,例如,如果我们将数据“TECMINT”写到逻辑卷中,“T”将被保存在第一盘中,“E”将保存在第二盘,'C'将被保存在第一盘,“M”将保存在第二盘,它会一直继续此循环过程。(LCTT 译注:实际上不可能按字节切片,是按数据块切片的。)


在这种情况下,如果驱动器中的任何一个发生故障,我们就会丢失数据,因为一个盘中只有一半的数据,不能用于重建 RAID。不过,当比较写入速度和性能时,RAID 0 是非常好的。创建 RAID 0(条带化)至少需要2个磁盘。如果你的数据是非常宝贵的,那么不要使用此 RAID 级别。
特点:
    []高性能。[/][]RAID 0 中容量零损失。[/][]零容错。[/][]写和读有很高的性能。[/]

 
Raid 1
raid1.png
RAID 1,镜象磁盘阵列。每一个磁盘都有一个镜像磁盘,镜像磁盘随时保持与原磁盘的内容一致。RAID1具有最高的安全性,但只有一半的磁盘空间被用来存储数据。主要用在对数据安全性要求很高,而且要求能够快速恢复被损坏的数据的场合。此种RAID模式每组仅需要2个磁盘。
镜像可以对我们的数据做一份相同的副本。假设我们有两个2TB的硬盘驱动器,我们总共有4TB,但在镜像中,但是放在RAID控制器后面的驱动器形成了一个逻辑驱动器,我们只能看到这个逻辑驱动器有2TB。
当我们保存数据时,它将同时写入这两个2TB驱动器中。创建 RAID 1(镜像化)最少需要两个驱动器。如果发生磁盘故障,我们可以通过更换一个新的磁盘恢复 RAID 。如果在 RAID 1 中任何一个磁盘发生故障,我们可以从另一个磁盘中获取相同的数据,因为另外的磁盘中也有相同的数据。所以是零数据丢失。
特点:
    []良好的性能。[/][]总容量丢失一半可用空间。[/][]完全容错。[/][]重建会更快。[/][]写性能变慢。[/][]读性能变好。[/][]能用于操作系统和小规模的数据库[/]

Raid 5
raid5.png
RAID 5, 无独立校验盘的奇偶校验磁盘阵列。同样采用奇偶校验来检查错误,但没有独立的校验盘,而是使用了一种特殊的算法,可以计算出任何一个带区校验块的存放位置。这样就可以确保任何对校验块进行的读写操作都会在所有的RAID磁盘中进行均衡,既提高了系统可靠性也消除了产生瓶颈的可能,对大小数据量的读写都有很好的性能。为了能跨越数组里的所有磁盘来写入数据及校验码信息,RAID 5设定最少需要三个磁盘,因此在这种情况下,会有1/3的磁盘容量会被备份校验码占用而无法使用,当有四个磁盘时,则需要1/4的容量作为备份,才能让最坏情况的发生率降到最低。当磁盘的数目增多时,每个磁盘上被备份校验码占用的磁盘容量就会降低,但是磁盘故障的风险率也同时增加了,一但同时有两个磁盘故障,则无法进行数据恢复。
RAID 5多用于企业级。 RAID 5的以分布式奇偶校验的方式工作。奇偶校验信息将被用于重建数据。它从剩下的正常驱动器上的信息来重建。在驱动器发生故障时,这可以保护我们的数据。
假设我们有4个驱动器,如果一个驱动器发生故障而后我们更换发生故障的驱动器后,我们可以从奇偶校验中重建数据到更换的驱动器上。奇偶校验信息存储在所有的4个驱动器上,如果我们有4个 1TB 的驱动器。奇偶校验信息将被存储在每个驱动器的256G中,而其它768GB是用户自己使用的。单个驱动器故障后,RAID 5依旧正常工作,如果驱动器损坏个数超过1个会导致数据的丢失。
特点:
    []性能卓越[/][]读速度将非常好。[/][]写速度处于平均水准,如果我们不使用硬件 RAID 控制器,写速度缓慢。[/][]从所有驱动器的奇偶校验信息中重建。[/][]完全容错。[/][]1个磁盘空间将用于奇偶校验。[/][]可以被用在文件服务器,Web服务器,非常重要的备份中。[/]

Raid 6

raid6.png
RAID 6和RAID 5相似但它有两个分布式奇偶校验。大多用在大数量的阵列中。我们最少需要4个驱动器,即使有2个驱动器发生故障,我们依然可以更换新的驱动器后重建数据。
它比RAID 5慢,因为它将数据同时写到4个驱动器上。当我们使用硬件 RAID 控制器时速度就处于平均水准。如果我们有6个的1TB驱动器,4个驱动器将用于数据保存,2个驱动器将用于校验。
特点:
    []性能不佳。[/][]读的性能很好。[/][]如果我们不使用硬件 RAID 控制器写的性能会很差。[/][]从两个奇偶校验驱动器上重建。[/][]完全容错。[/][]2个磁盘空间将用于奇偶校验。[/][]可用于大型阵列。[/][]用于备份和视频流中,用于大规模。[/]

Raid 10
raid10.png
RAID 10可以被称为1 + 0或0 +1。它将做镜像+条带两个工作。在 RAID 10中首先做镜像然后做条带。在 RAID 01上首先做条带,然后做镜像。RAID 10比RAID 01好。
假设,我们有4个驱动器。当我逻辑卷上写数据时,它会使用镜像和条带的方式将数据保存到4个驱动器上。

如果我在 RAID 10 上写入数据“TECMINT”,数据将使用如下方式保存。首先将“T”同时写入两个磁盘,“E”也将同时写入另外两个磁盘,所有数据都写入两块磁盘。这样可以将每个数据复制到另外的磁盘。

同时它将使用 RAID 0 方式写入数据,遵循将“T”写入第一组盘,“E”写入第二组盘。再次将“C”写入第一组盘,“M”到第二组盘。
特点:
    []良好的读写性能。[/][]总容量丢失一半的可用空间。[/][]容错。[/][]从副本数据中快速重建。[/][]由于其高性能和高可用性,常被用于数据库的存储中。[/]

下面附录几张参考表:
针对不同RAID 模式在实际运用中可以使用的磁盘空间分别有多少,在用列表举例说明:
raid_disk.png

所有Raid级别的一些特性:
raid_td.png

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