RAID（獨立冗余磁盤陣列）技術淺析

作者：dinghb 2016-09-13 18:12:53

RAID作為一種磁盤冗余陣列，能夠提供一個獨立的大型存儲設備解決方案。將幾個物理磁盤合并成一個更大的虛擬設備，在提高硬盤容量的同時，還能夠充分提高硬盤的速度，使數據更加安全，更加易于磁盤的管理。

RAID技術的由來

人類自有活動以來，就伴隨著信息的記錄和保存。原始社會的刻痕和結繩，到中國古代的竹簡和紙張，以及20世紀中期出現的磁帶，軟盤和硬盤。到了20世紀后期，隨著集成電路的飛速發展，固態硅芯片的出現，代表有RAM芯片，Flash芯片，CPU芯片等。技術在不斷進步，其中一個大的趨勢是單位體積的存儲量越來越大。不過，隨著21世紀的到來，網絡日益發達和全球的一體化導致信息的大爆炸，對存儲量和存儲的速度有了更大的要求。縱然，如今的單碟SATA(Serial ATA)硬盤已經可以達到幾個TB的容量，但是也遠遠無法滿足容量和速度上的需求。

要解決這個問題，除了提高單碟的容量和存取速度以外，還可以將多個磁盤進行組合，這就是RAID技術，即Redundant Array of Idependent Disks，中文名是由獨立的磁盤組成的具有冗余特性的陣列——磁盤陣列。RAID作為一種磁盤冗余陣列，能夠提供一個獨立的大型存儲設備解決方案。將幾個物理磁盤合并成一個更大的虛擬設備，在提高硬盤容量的同時，還能夠充分提高硬盤的速度，使數據更加安全，更加易于磁盤的管理。

引言

如果我們有一個需要很大容量，一塊硬盤存儲不了的數據，只能存儲到多個硬盤上，最簡單的思維是：一塊硬盤一塊硬盤的讀取/存儲。

很顯然，這樣單純的堆積法雖然解決了容量的問題，但是也帶來的浪費，因為一次只是從一塊硬盤上進行讀/寫，同時，單塊硬盤的讀取速度，也是整個磁盤組合的讀取速度。

因為CPU和緩存的速度遠遠大于磁盤的讀取數據，因此我們可以將CPU數據讀/取請求按照順序給不同的磁盤，讓磁盤“同時”讀/寫數據，也就是下面的RAID 0.

RAID 0

將連續的數據拆分成block，分散將數據block的讀/寫請求給各個磁盤，達到“同時”讀/寫的目的。

也叫Stripe條帶模式。

優點：這種數據上的并行操作可以充分利用總線的帶寬，顯著提高磁盤整體存取性能。因為讀取和寫入是在設備上并行完成的，讀取和寫入性能將會增加，
缺點：沒有數據冗余，如果其中一個磁盤Disk出現錯誤，將影響所有的讀/寫操作，并且不能從錯誤中恢復數據。

P.S.磁盤上只有實實在在的扇區結構，并沒有什么Stripe結構，Stripe只是一種邏輯上由程序根據某種算法實現的一種的概念。Stripe后的多個硬盤，數據是被并行寫入磁盤的，而不是只有寫滿了一個磁盤的Stripe區域后，再寫下個磁盤的Stripe區域。

RAID 1

又稱為鏡像(Mirroring)，一個具有全冗余的模式。

優點：需要極高的可靠性和安全性。支持"熱替換"，即不斷電的情況下對故障磁盤進行更換。
缺點：其磁盤的利用率卻只有50%，是所有RAID級別中***的。

RAID 1+0

先做鏡像(1)，再做條帶(0)。

比如，有HDD0~HDD7共7個磁盤，其中HDD0~HDD3是數據盤，HDD4~HDD7是對應的鏡像盤。同時，有”ABCD”四個數據的磁盤寫請求。

當數據A的寫請求在磁盤HDD0上執行時，就在對應的鏡像盤HDD4中進行鏡像A’。與此同時，按照與數據A類似的步驟，并行在相應磁盤中寫入數據B、數據C和數據D。

優點：兼顧了RAID0和RAID1的優點，在可靠性和I/O性能上有保證。只要不是數據盤和對應的鏡像盤同時出現損壞，數據就能保證完整性，寫功能不會受到影響。如果損壞了其中一塊比如HDD0時，讀性能可能會稍微降低(讀取數據時可以并行操作)。
缺點：從上圖可以看出，需要分出一半的磁盤組作為Mirror，因此空間利用率只有50%，成本大。

RAID1+0 由于兼具可靠性和好的性能，在商業應用中很廣泛，常應用于數據庫等要求安全性，小數據頻繁寫的場合。

RAID 0+1

先做條帶(0)，再做鏡像(1)。

先對數據進行RAID 0條帶化，然后將Stripe后的數據進行備份。

RAID01幾乎不會在實際環境中應用，因為RAID0+1和RAID1+0在讀取效率上沒有差異，但是RAID0+1在安全性和可靠性低。

RAID 2

可以認為是RAID0的改進版，加入了漢明碼(Hanmming Code)錯誤校驗。

漢明碼(Hamming Code)是一種能夠自動檢測并糾正一位錯碼的線性糾錯碼，即SEC(Single Error Correcting)碼。漢明碼通過在要傳輸的數據位中增加一些bit作為校驗位，可以驗證數據的有效性。

漢明碼的原理舉例說明，如果傳輸的數據位數為k，使用的校驗位的位數為r，組成一個n=k+r位數的漢明碼。為了能夠發現這n位數的數據在傳輸給后端時是否出錯，并且能夠指明是那一位數據出錯，那么r位的校驗位至少能夠代表k+r+1個狀態(k+r表明出錯的位置，其中多出來的1表示數據傳輸正確)。那么關系式如下：

也是就是說，如果要傳輸k=4位數據位，根據算式(1) 必須則校驗位r≥3，如果用r=3作為校驗位數，那么總共傳輸的數據位數n=k+r=7。

RAID就是利用了漢明碼的原理，使用校驗磁盤作為錯誤檢查和糾正ECC(Error Correcting Code)盤。如下圖，A0-A3四個盤是數據盤，Ax-Az三個盤是校驗盤。

根據原理，漢明碼有且僅能糾正一個Bit的錯誤，并且因為校驗的原因，校驗位和數據位需要一同并行寫人或讀取(例如，A0-A3，Ax-Az的磁盤需要并行聯動)

RAID2技術過于極端，目前基本已經被淘汰了。根據原理，RAID2需要在IO數據到來之后，控制器將數據按Bit分開，順序并同時在每個數據盤和相應校驗盤中存放1Bit，而磁盤上的IO最小單位是扇區512B，那么如何確保寫入1Bit并且不至于浪費過多空間的算法就很復雜。此外，需要占用相對較多的校驗盤也是原因之一，雖然隨著數據盤的增加，校驗盤的數量會呈指數下降。

RAID 3

RAID 2的缺點主要是將數據以bit位作為單位來分割，將原本物理連續的扇區轉變成了物理不連續、邏輯連續的，這樣導致效率低下。RAID3 就準備從根本上就絕這個問題。

RAID3保留了RAID2的一些優點，比如多磁盤同時聯動，性能高(利用將一個IO盡量做到能夠分割成小塊，讓每個磁盤能夠參與工作)。不過RAID3放棄了將數據分割成Bit這么極端的做法，因為這樣就將磁盤扇區的物理連續性打破了。RAID3將數據以一個扇區(512B)或者幾個扇區(例如4KB)作為單位來分割數據。此外，RAID3也放棄了使用漢明碼來校驗，取而代之的是XOR校驗算法。XOR校驗算法只能判斷數據是否有誤，不能判斷出有那一位有誤，更不能更正錯誤，但是XOR算法可以只需要一塊校驗盤即可。

在一個磁盤陣列中，一般情況下多于一個磁盤出現故障的幾率是很小的，所有一般情況下，RAID3的安全性還是有保障的。

同RAID2一樣，由于需要多磁盤同時聯動，同時還需要校驗。顯然，RAID3不適用于有大量寫操作的情況，因為這樣會使得校驗盤的負荷較大，降低RAID系統的性能。RAID3 常用于寫操作較少，讀操作較多的應用環境，比如數據庫和WEB服務器。

RAID 4

從RAID2和RAID3的設計來看，都是為了盡量達到全盤聯動，也就是說主要都是為了提高數據傳輸率而設計的，但是確無法做到并發IO。

然而，現實中例如數據庫等應用的特點就是高頻率隨機IO讀寫，例如每秒產生的IO數目很大，但是每個IO請求的數據長度都很小。這種情況下，如果所有的磁盤同一時刻都被一個IO占用并且不能并發IO，只能一個IO一個IO的做，必然產生極大的浪費。

那么，要實現并發IO，就需要保證有空閑的磁盤沒有被IO占用，這樣才能讓其他IO去占有這個磁盤進訪問。要達到有有空閑磁盤的目的，那么就需要增加每次讀/寫的容量，例如按塊(Block)存取。

RAID4對于寫IO有個很難克服的問題，那就是校驗盤的爭用。例如上圖A0-A3四個數據盤和一個校驗盤構成的RAID4系統中，某一時刻一個IO只占用了A0和A1兩個磁盤和校驗盤，此時雖然后面兩塊磁盤是空閑的，可以同時接受新的IO請求，但是接受了新的IO請求，則新的IO請求也要使用校驗盤。這樣就導致了校驗盤的爭用成為并發的瓶頸。(動畫演示見http://storage-system.fujitsu...)

基于這個原因，需要特別優化請求的IO數據，才能高效使用RAID4。然而，要優化到并發幾率很高很不容易，目前只有NetApp的WAFL文件系統還在使用RAID4，其他產品均未使用了。

RAID4面臨淘汰，取而代之的是擁有高盲并發幾率的RAID5系統。所謂的高盲并發幾率，就是上層文件系統不用感知下層磁盤的結構，即可增加并發的幾率。

RAID 5