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在單機(jī)時(shí)代，采用單塊磁盤進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和讀寫的方式，由于尋址和讀寫的時(shí)間消耗，導(dǎo)致I/O性能非常低，且存儲容量還會受到限制。另外，單塊磁盤極其容易出現(xiàn)物理故障，經(jīng)常導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。因此大家就在想，有沒有一種辦法將多塊獨(dú)立的磁盤結(jié)合在一起組成一個(gè)技術(shù)方案，來提高數(shù)據(jù)的可靠性和I/O性能呢，那就是RAID磁盤陣列。
簡介
RAID全稱為獨(dú)立磁盤冗余陣列(Rdeundant Array of Independent Disks),基本思想就是把 多個(gè)相對便宜的硬盤組合起來，成為一個(gè)硬盤陣列組，使性能達(dá)到甚至超過一個(gè)價(jià)格昂貴、 容量巨大的硬盤。RAID通常被用在服務(wù)器電腦上，使用完全相同的硬盤組成一個(gè)邏輯扇區(qū), 因此操作系統(tǒng)只會把它當(dāng)做一個(gè)硬盤。
RAID分為不同的等級，各個(gè)不同的等級均在數(shù)據(jù)可靠性及讀寫性能上做了不同的權(quán)衡。 在實(shí)際應(yīng)用中，可以依據(jù)自己的實(shí)際需求選擇不同的RAID方案。
標(biāo)準(zhǔn)RAID
RAID 0
RAID0稱為條帶化(Striping)存儲,將數(shù)據(jù)分段存儲于 各個(gè)磁盤中，讀寫均可以并行處理。因此其讀寫速率為單個(gè)磁盤的N倍(N為組成RAID0的磁盤個(gè)數(shù))，但是卻沒有數(shù) 據(jù)冗余，單個(gè)磁盤的損壞會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不可修復(fù)。
大多數(shù)striping的實(shí)現(xiàn)允許管理者通過調(diào)節(jié)兩個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)來定義數(shù)據(jù)分段及寫入磁盤的 方式,這兩個(gè)參數(shù)對RAID0的性能有很重要的影響。STRIPE WIDTHstripe width是指可被并行寫入的 stripe 的個(gè)數(shù),即等于磁盤陣列中磁盤的個(gè)數(shù)。STRIPE SIZE也可稱為 block size(chunk size,stripe length,granularity)，指寫入每個(gè)磁 盤的數(shù)據(jù)塊大小。以塊分段的RAID通?？稍试S選擇的塊大小從 2KB 到 512KB不等，也有更 高的，但一定要是2的指數(shù)倍。以字節(jié)分段的(比如RAID3)一般的stripe size為1字節(jié)或者 512字節(jié)，并且用戶不能調(diào)整。
stripe size對性能的影響是很難簡單估量的，最好在實(shí)際應(yīng)用中依自己需求多多調(diào)整并 觀察其影響。通常來說，減少stripe size,文件會被分成更小的塊，傳輸數(shù)據(jù)會更快，但 是卻需要更多的磁盤來保存,增加positioning performance,反之則相反。應(yīng)該說，沒有 一個(gè)理論上的最優(yōu)的值。很多時(shí)候，也要考慮磁盤控制器的策略,比如有的磁盤控制器會等 等到一定數(shù)據(jù)量才開始往磁盤寫入。
RAID 1
鏡像存儲(mirroring)，沒有數(shù)據(jù)校驗(yàn)。數(shù)據(jù)被同等地寫入兩個(gè)或多個(gè)磁盤中，可想而知，寫入速度會比較 慢，但讀取速度會比較快。讀取速度可以接近所有磁盤吞吐量的總和,寫入速度受限于最慢 的磁盤。
RAID1也是磁盤利用率最低的一個(gè)。如果用兩個(gè)不同大小的磁盤建立RAID1,可以用空間較小的那一個(gè)，較大的磁盤多出來的部分可以作他用，不會浪費(fèi)。
RAID 24
RAID0的改良版，加入了漢明碼(Hanmming Code)錯(cuò)誤校驗(yàn)。
漢明碼能夠檢測最多兩個(gè)同時(shí)發(fā)生的比特錯(cuò)誤，并且能夠更正單一比特的錯(cuò)誤。漢明碼的位 數(shù)與數(shù)據(jù)的位數(shù)有一個(gè)不等式關(guān)系，即:2^P ≥ P + D +1P代表漢明碼的個(gè)數(shù)，D代表數(shù)據(jù)位的個(gè)數(shù),比如4位數(shù)據(jù)需要3位漢明碼，7位數(shù)據(jù)需要4位漢 明碼，64位數(shù)據(jù)時(shí)就需要7位漢明碼。RAID2是按1bit來分割數(shù)據(jù)寫入的，而P:D就代表了數(shù)據(jù) 盤與校驗(yàn)盤的個(gè)數(shù)。所以如果數(shù)據(jù)位寬越大，用于校驗(yàn)的盤的比例就越小。由于漢明碼能夠糾正單一比特的錯(cuò)誤，所以當(dāng)單個(gè)磁盤損壞時(shí)，漢明碼便能夠糾正數(shù)據(jù)。
RAID 2 因?yàn)槊看巫x寫都需要全組磁盤聯(lián)動，所以為了最大化其性能，最好保證每塊磁盤主軸同步，使同一時(shí)刻每塊磁盤磁頭所處的扇區(qū)邏輯編號都一致，并存并取，達(dá)到最佳性能。 如果不能同步，則會產(chǎn)生等待，影響速度。
與RAID0相比，RAID2的傳輸率更好。因?yàn)镽AID0一般stripe size 相對于RAID2的1bit來說實(shí)在太大，并不能保證每次都是多磁盤并行。而RAID2每次IO都能保證是多磁盤并行，為了 發(fā)揮這個(gè)優(yōu)勢，磁盤的尋道時(shí)間一定要減少(尋道時(shí)間比數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間要大幾個(gè)數(shù)量級),所 以RAID2適合于連續(xù)IO,大塊IO(比如視頻流服務(wù))的情況。
RAID 3
類似于RAID2,數(shù)據(jù)條帶化(stripe)存儲于不同的硬盤,數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，只是RAID3使用單塊磁盤存儲簡單的 奇偶校驗(yàn)信息，所以最終磁盤數(shù)量為 N+1 。當(dāng)這N+1個(gè)硬盤中的其中一個(gè)硬盤出現(xiàn)故障時(shí)，從其它N個(gè)硬盤中的數(shù)據(jù)也可以恢復(fù)原始數(shù)據(jù),當(dāng)更換一個(gè)新硬盤后，系統(tǒng)可以重新恢復(fù)完整 的校驗(yàn)容錯(cuò)信息。
由于在一個(gè)硬盤陣列中，多于一個(gè)硬盤同時(shí)出現(xiàn)故障率的幾率很小，所以一般情況下，使用 RAID3，安全性是可以得到保障的。RAID 3會把數(shù)據(jù)的寫入操作分散到多個(gè)磁盤上進(jìn)行，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。因此，對于那些經(jīng)常需要執(zhí)行大量寫入操作的應(yīng)用來說，校驗(yàn)盤的負(fù)載將會很大，無法滿足程序的運(yùn)行速度，從而導(dǎo)致整個(gè)RAID系統(tǒng)性能的下降。 鑒于這種原因，RAID 3更加適合應(yīng)用于那些寫入操作較少，讀取操作較多的應(yīng)用環(huán)境，例如 數(shù)據(jù)庫和WEB服務(wù)器等。
RAID 4
與RAID3類似，但RAID4是按塊(扇區(qū))存取。無須像RAID3那樣，哪怕每一次小I/O操作也要涉 及全組，只需涉及組中兩塊硬盤（一塊數(shù)據(jù)盤，一塊校驗(yàn)盤）即可，從而提高了小量數(shù)據(jù) I/O速度。
RAID 5
奇偶校驗(yàn)(XOR)，數(shù)據(jù)以塊分段條帶化存儲。校驗(yàn)信息交叉地存儲在所有的數(shù)據(jù)盤上。RAID5把數(shù)據(jù)和相對應(yīng)的奇偶校驗(yàn)信息存儲到組成RAID5的各個(gè)磁盤上，并且奇偶校驗(yàn)信息和 相對應(yīng)的數(shù)據(jù)分別存儲于不同的磁盤上，其中任意N-1塊磁盤上都存儲完整的數(shù)據(jù)，也就是 說有相當(dāng)于一塊磁盤容量的空間用于存儲奇偶校驗(yàn)信息。因此當(dāng)RAID5的一個(gè)磁盤發(fā)生損壞 后，不會影響數(shù)據(jù)的完整性，從而保證了數(shù)據(jù)安全。當(dāng)損壞的磁盤被替換后，RAID還會自動 利用剩下奇偶校驗(yàn)信息去重建此磁盤上的數(shù)據(jù)，來保持RAID5的高可靠性。
RAID 5可以理解為是RAID 0和RAID 1的折衷方案。RAID 5可以為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)安全保障，但保障程度要比鏡像低而磁盤空間利用率要比鏡像高。RAID 5具有和RAID 0相近似的數(shù)據(jù)讀取 速度，只是因?yàn)槎嗔艘粋€(gè)奇偶校驗(yàn)信息，寫入數(shù)據(jù)的速度相對單獨(dú)寫入一塊硬盤的速度略慢。
RAID 6
類似RAID5,但是增加了第二個(gè)獨(dú)立的奇偶校驗(yàn)信息塊，兩個(gè)獨(dú)立的奇偶系統(tǒng)使用不同的算法，數(shù)據(jù)的可靠性非常高，即使兩塊磁盤同時(shí)失效也不會影響數(shù)據(jù)的使用。但RAID 6需要分配給 奇偶校驗(yàn)信息更大的磁盤空間，相對于RAID 5有更大的“寫損失”，因此“寫性能”非常差。
由圖所知，每個(gè)硬盤上除了都有同級數(shù)據(jù)XOR校驗(yàn)區(qū)外，還有一個(gè)針對每個(gè)數(shù)據(jù) 塊的XOR校驗(yàn)區(qū)。當(dāng)然，當(dāng)前盤數(shù)據(jù)塊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)不可能存在當(dāng)前盤而是交錯(cuò)存儲的。從數(shù)學(xué)角度來說，RAID 5使用一個(gè)方程式解出一個(gè)未知變量，而RAID 6則能通過兩個(gè)獨(dú)立的線性方程構(gòu)成方程組，從而恢復(fù)兩個(gè)未知數(shù)據(jù)。
伴隨著硬盤容量的增長,RAID6已經(jīng)變得越來越重要。TB級別的硬盤上更容易造成數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)重建過程(比如RAID5，只允許一塊硬盤損壞)也越來越長，甚至到數(shù)周，這是完全不可接受的。而RAID6允許兩塊硬盤同時(shí)發(fā)生故障，所以漸漸受到人們的青睞。
伴隨CD，DVD和藍(lán)光光盤的問世，存儲介質(zhì)出現(xiàn)了擦除碼技術(shù)，即使媒介表面出現(xiàn)劃痕，仍 然可以播放，大多數(shù)常見的擦除碼算法已經(jīng)演變?yōu)樯鲜兰o(jì)60年代麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Reed-Solomon碼。實(shí)際情況中，多數(shù)RAID6實(shí)現(xiàn)都采用了標(biāo)準(zhǔn)的RAID5教校驗(yàn)比特和Reed-Solomon碼 。而純擦除碼算法的使用使得RAID6陣列可以失效兩塊以上的硬盤,保護(hù)力度更強(qiáng),有些實(shí)現(xiàn)方法提供了多種級別的保護(hù)，甚至允許用戶(或存儲管理員)指定保護(hù)級別。
混合RAID
RAID 01
顧名思義，是RAID0和RAID1的結(jié)合。先做條帶(0),再做鏡像(1)。
RAID 10
同上，但是先做鏡像(1)，再做條帶(0)
RAID01和RAID10非常相似，二者在讀寫性能上沒有什么差別。但是在安全性上RAID10要好于 RAID01。如圖中所示，假設(shè)DISK0損壞，在RAID10中，在剩下的3塊盤中，只有當(dāng)DISK1故障， 整個(gè)RAID才會失效。但在RAID01中，DISK0損壞后，左邊的條帶將無法讀取，在剩下的3快盤 中,只要DISK2或DISK3兩個(gè)盤中任何一個(gè)損壞,都會導(dǎo)致RAID失效。
RAID10和RAID5也是經(jīng)常用來比較的兩種方案，二者都在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。 RAID10安全性更高，但是空間利用率低。至于讀寫性能，與cache有很大關(guān)聯(lián)，最好根據(jù)實(shí) 際情況測試比較選擇。
非標(biāo)準(zhǔn)RAID
DRFS
DRFS,即DistributedRaidFileSystem,是一種嘗試將RAID與Hadoop的DFS結(jié)合起來的技術(shù)。 通常的HDFS在實(shí)踐中需要將replication factor設(shè)為3以保證數(shù)據(jù)完整性，而如果利用 RAID的stripe和partity(奇偶校驗(yàn))技術(shù),將數(shù)據(jù)分為多個(gè)塊，并且存儲各個(gè)塊的校驗(yàn)信 息(XOR或擦除碼)。有了這些措施，塊的副本數(shù)就可以降低并且保證同樣的數(shù)據(jù)可靠性，就能節(jié)省相當(dāng)一部分的存儲空間。
DRFS包含以下幾個(gè)組件：
DRFS client : 提供應(yīng)用程序訪問DRFS的接口，在發(fā)現(xiàn)讀取到的文件有損壞時(shí)修復(fù),整 個(gè)操作對應(yīng)用程序透明 RaidNode : 創(chuàng)建，維護(hù)檢驗(yàn)文件的daemon BlockFixer : 周期性地檢查文件,重新計(jì)算校驗(yàn)和,修復(fù)文件. RaidShell : 類似于hadoop shell. ErasureCode : 即DRFS所使用的生成校驗(yàn)碼的算法，可為XOR或者 Reed-Solomon算法。 XOR僅能創(chuàng)建一個(gè)校驗(yàn)字節(jié)，而Reed-Solomon則可以創(chuàng)建無數(shù)位(位數(shù)越多，能恢復(fù)的數(shù) 據(jù)也越多),如果使用Reed-Solomon,replication甚至可以降為1，缺點(diǎn)是降低了數(shù)據(jù)讀 寫的并行程度(只能從單機(jī)讀寫)。
實(shí)現(xiàn)
軟件實(shí)現(xiàn)
現(xiàn)在很都操作系統(tǒng)都提供了RAID的軟件實(shí)現(xiàn),主要由以下幾個(gè)方面:
由軟件在多個(gè)設(shè)備上創(chuàng)建RAID，比如linux上的mdadm工具.具體使用方法可查看參考鏈接中 的例子。 LVM或者 Veritas,虛擬卷管理工具. 文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) : btrfs,ZFS,GPFS.這些文件都可以直接管理多個(gè)設(shè)備上的數(shù)據(jù)，實(shí) 現(xiàn)了類似各級RAID的功能。 在已有文件系統(tǒng)之上提供數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能的RAID系統(tǒng)(RAID-F)
固件/驅(qū)動實(shí)現(xiàn)
軟件實(shí)現(xiàn)并總是與系統(tǒng)的啟動進(jìn)程兼容，硬件實(shí)現(xiàn)(RAID控制器)總是太貴并且都是廠商專有的技術(shù)，所以 有了一中混合的實(shí)現(xiàn):系統(tǒng)啟動時(shí)，由固件(firmware)來實(shí)現(xiàn)RAID，系統(tǒng)啟動的差不多了，由驅(qū)動來管 理RAID。當(dāng)然，這需要操作系統(tǒng)對這種驅(qū)動提供支持。
本文題目：RAID磁盤陣列
標(biāo)題網(wǎng)址：http://m.5511xx.com/article/coogjsh.html
