簡介
RAID是一個我們經(jīng)常能見到的名詞。但卻因為很少能在實際環(huán)境中體驗窘拯，所以很難對其原理 能有很清楚的認識和掌握红且。本文將對RAID技術(shù)進行介紹和總結(jié)，以期能盡量闡明其概念树枫，科多大數(shù)據(jù)帶你來學習學習直焙。
RAID全稱為獨立磁盤冗余陣列(Redundant Array of Independent Disks)，基本思想就是把多個相對便宜的硬盤組合起來砂轻，成為一個硬盤陣列組奔誓，使性能達到甚至超過一個價格昂貴、 容量巨大的硬盤。RAID通常被用在服務器電腦上厨喂，使用完全相同的硬盤組成一個邏輯扇區(qū)和措，因此操作系統(tǒng)只會把它當做一個硬盤。 RAID分為不同的等級蜕煌，各個不同的等級均在數(shù)據(jù)可靠性及讀寫性能上做了不同的權(quán)衡派阱。 在實際應用中，可以依據(jù)自己的實際需求選擇不同的RAID方案斜纪。
標準RAID
RAID 0
RAID0稱為條帶化(Striping)存儲贫母，將數(shù)據(jù)分段存儲于 各個磁盤中，讀寫均可以并行處理盒刚。因此其讀寫速率為單個磁盤的N倍(N為組成RAID0的磁盤個數(shù))腺劣，但是卻沒有數(shù) 據(jù)冗余，單個磁盤的損壞會導致數(shù)據(jù)的不可修復因块。
大多數(shù)striping的實現(xiàn)允許管理者通過調(diào)節(jié)兩個關鍵的參數(shù)來定義數(shù)據(jù)分段及寫入磁盤的方式橘原，這兩個參數(shù)對RAID0的性能有很重要的影響。
STRIPE WIDTH
stripe width是指可被并行寫入的 stripe 的個數(shù)涡上，即等于磁盤陣列中磁盤的個數(shù)趾断。
STRIPE SIZE
也可稱為block size(chunk size，stripe length吩愧，granularity)芋酌，指寫入每個磁 盤的數(shù)據(jù)塊大小。以塊分段的RAID通逞慵眩可允許選擇的塊大小從 2KB 到 512KB不等隔嫡，也有更 高的，但一定要是2的指數(shù)倍甘穿。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)整梢杭。 stripe size對性能的影響是很難簡單估量的温兼，最好在實際應用中依自己需求多多調(diào)整并觀察其影響。通常來說武契，減少stripe size募判，文件會被分成更小的塊，傳輸數(shù)據(jù)會更快咒唆，但是卻需要更多的磁盤來保存届垫，增加positioning performance，反之則相反全释。應該說装处，沒有一個理論上的最優(yōu)的值。很多時候浸船，也要考慮磁盤控制器的策略妄迁，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寝蹈。
RAID 1
鏡像存儲(mirroring)，沒有數(shù)據(jù)校驗登淘。數(shù)據(jù)被同等地寫入兩個或多個磁盤中箫老，可想而知，寫入速度會比較 慢黔州，但讀取速度會比較快耍鬓。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 的磁盤流妻。 RAID1也是磁盤利用率最低的一個牲蜀。如果用兩個不同大小的磁盤建立RAID1，可以用空間較小 的那一個合冀，較大的磁盤多出來的部分可以作他用各薇，不會浪費。
RAID 2
RAID0的改良版君躺，加入了漢明碼(Hanmming Code)錯誤校驗峭判。
漢明碼能夠檢測最多兩個同時發(fā)生的比特錯誤，并且能夠更正單一比特的錯誤棕叫。漢明碼的位數(shù)與數(shù)據(jù)的位數(shù)有一個不等式關系林螃，即:
1
2^P ≥ P + D +1
P代表漢明碼的個數(shù)，D代表數(shù)據(jù)位的個數(shù)俺泣，比如4位數(shù)據(jù)需要3位漢明碼疗认，7位數(shù)據(jù)需要4位漢 明碼，64位數(shù)據(jù)時就需要7位漢明碼伏钠。RAID2是按1bit來分割數(shù)據(jù)寫入的横漏，而P:D就代表了數(shù)據(jù) 盤與校驗盤的個數(shù)。所以如果數(shù)據(jù)位寬越大熟掂，用于校驗的盤的比例就越小缎浇。由于漢明碼能夠 糾正單一比特的錯誤，所以當單個磁盤損壞時赴肚，漢明碼便能夠糾正數(shù)據(jù)素跺。
RAID 2 因為每次讀寫都需要全組磁盤聯(lián)動，所以為了最大化其性能誉券，最好保證每塊磁盤主 軸同步指厌，使同一時刻每塊磁盤磁頭所處的扇區(qū)邏輯編號都一致，并存并取踊跟，達到最佳性能踩验。 如果不能同步，則會產(chǎn)生等待，影響速度晰甚。
與RAID0相比衙传，RAID2的傳輸率更好。因為RAID0一般stripe size相對于RAID2的1bit來說 實在太大厕九，并不能保證每次都是多磁盤并行蓖捶。而RAID2每次IO都能保證是多磁盤并行，為了 發(fā)揮這個優(yōu)勢扁远，磁盤的尋道時間一定要減少(尋道時間比數(shù)據(jù)傳輸時間要大幾個數(shù)量級)俊鱼，所 以RAID2適合于連續(xù)IO，大塊IO(比如視頻流服務)的情況畅买。
RAID 3
類似于RAID2并闲，數(shù)據(jù)條帶化(stripe)存儲于不同的硬盤，數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位谷羞，只是RAID3使用單塊磁盤存儲簡單的 奇偶校驗信息帝火，所以最終磁盤數(shù)量為 N+1 。當這N+1個硬盤中的其中一個硬盤出現(xiàn)故障時湃缎， 從其它N個硬盤中的數(shù)據(jù)也可以恢復原始數(shù)據(jù)犀填，當更換一個新硬盤后，系統(tǒng)可以重新恢復完整 的校驗容錯信息嗓违。
由于在一個硬盤陣列中九巡，多于一個硬盤同時出現(xiàn)故障率的幾率很小，所以一般情況下蹂季，使用 RAID3冕广，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磁盤上進行偿洁，不管是向哪一個數(shù)據(jù)盤寫入數(shù)據(jù)撒汉， 都需要同時重寫校驗盤中的相關信息。因此涕滋，對于那些經(jīng)常需要執(zhí)行大量寫入操作的應用來 說神凑，校驗盤的負載將會很大，無法滿足程序的運行速度何吝，從而導致整個RAID系統(tǒng)性能的下降。 鑒于這種原因鹃唯，RAID 3更加適合應用于那些寫入操作較少爱榕，讀取操作較多的應用環(huán)境，例如 數(shù)據(jù)庫和WEB服務器等坡慌。
RAID 4
與RAID3類似黔酥，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 及全組跪者，只需涉及組中兩塊硬盤（一塊數(shù)據(jù)盤棵帽，一塊校驗盤）即可，從而提高了小量數(shù)據(jù) I/O速度渣玲。
RAID 5
奇偶校驗(XOR)逗概，數(shù)據(jù)以塊分段條帶化存儲。校驗信息交叉地存儲在所有的數(shù)據(jù)盤上忘衍。
RAID5把數(shù)據(jù)和相對應的奇偶校驗信息存儲到組成RAID5的各個磁盤上逾苫，并且奇偶校驗信息和 相對應的數(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)枚钓，也就是 說有相當于一塊磁盤容量的空間用于存儲奇偶校驗信息铅搓。因此當RAID5的一個磁盤發(fā)生損壞 后，不會影響數(shù)據(jù)的完整性搀捷，從而保證了數(shù)據(jù)安全星掰。當損壞的磁盤被替換后，RAID還會自動 利用剩下奇偶校驗信息去重建此磁盤上的數(shù)據(jù)嫩舟，來保持RAID5的高可靠性氢烘。
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)安全保障至壤，但 保障程度要比鏡像低而磁盤空間利用率要比鏡像高威始。RAID 5具有和RAID 0相近似的數(shù)據(jù)讀取 速度，只是因為多了一個奇偶校驗信息像街，寫入數(shù)據(jù)的速度相對單獨寫入一塊硬盤的速度略慢黎棠。
RAID 6
類似RAID5，但是增加了第二個獨立的奇偶校驗信息塊镰绎，兩個獨立的奇偶系統(tǒng)使用不同的算法脓斩， 數(shù)據(jù)的可靠性非常高，即使兩塊磁盤同時失效也不會影響數(shù)據(jù)的使用畴栖。但RAID 6需要分配給 奇偶校驗信息更大的磁盤空間随静，相對于RAID 5有更大的“寫損失”，因此“寫性能”非常差吗讶。
由圖所知燎猛，每個硬盤上除了都有同級數(shù)據(jù)XOR校驗區(qū)外，還有一個針對每個數(shù)據(jù) 塊的XOR校驗區(qū)照皆。當然重绷，當前盤數(shù)據(jù)塊的校驗數(shù)據(jù)不可能存在當前盤而是交錯存儲的。從數(shù) 學角度來說膜毁，RAID 5使用一個方程式解出一個未知變量昭卓，而RAID 6則能通過兩個獨立的線性 方程構(gòu)成方程組愤钾，從而恢復兩個未知數(shù)據(jù)。
伴隨著硬盤容量的增長候醒，RAID6已經(jīng)變得越來越重要能颁。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倒淫，只允許一塊硬盤損壞)也越來越長伙菊，甚至到數(shù)周，這是完全不可接受的昌简。而RAID6允許兩 塊硬盤同時發(fā)生故障占业，所以漸漸受到人們的青睞。
伴隨CD纯赎，DVD和藍光光盤的問世谦疾，存儲介質(zhì)出現(xiàn)了擦除碼技術(shù)，即使媒介表面出現(xiàn)劃痕犬金，仍然可以播放念恍，大多數(shù)常見的擦除碼算法已經(jīng)演變?yōu)樯鲜兰o60年代麻省理工學院林肯實驗室開 發(fā)的Reed-Solomon碼。實際情況中晚顷，多數(shù)RAID6實現(xiàn)都采用了標準的RAID5教校驗比特和Reed-Solomon碼峰伙。而純擦除碼算法的使用使得RAID 6陣列可以失效兩塊以上的硬盤，保護力度更強该默，有些實現(xiàn)方法提供了多種級別的保護瞳氓，甚至允許用戶(或存儲管理員)指定保護級別。
混合RAID
RAID 01
顧名思義栓袖，是RAID0和RAID1的結(jié)合匣摘。先做條帶(0)，再做鏡像(1)裹刮。
RAID 10
同上音榜，但是先做鏡像(1)，再做條帶(0)
RAID01和RAID10非常相似捧弃，二者在讀寫性能上沒有什么差別赠叼。但是在安全性上RAID10要好于 RAID01。如圖中所示违霞，假設DISK0損壞嘴办，在RAID10中，在剩下的3塊盤中买鸽，只有當DISK1故障涧郊， 整個RAID才會失效。但在RAID01中癞谒，DISK0損壞后底燎，左邊的條帶將無法讀取，在剩下的3快盤 中弹砚，只要DISK2或DISK3兩個盤中任何一個損壞双仍，都會導致RAID失效。
RAID10和RAID5也是經(jīng)常用來比較的兩種方案桌吃，二者都在生產(chǎn)實踐中得到了廣泛的應用朱沃。 RAID10安全性更高，但是空間利用率低茅诱。至于讀寫性能逗物，與cache有很大關聯(lián)，最好根據(jù)實 際情況測試比較選擇瑟俭。
非標準RAID
DRFS
DRFS翎卓，即DistributedRaidFileSystem，是一種嘗試將RAID與Hadoop的DFS結(jié)合起來的技術(shù)摆寄。 通常的HDFS在實踐中需要將replication factor設為3以保證數(shù)據(jù)完整性失暴，而如果利用 RAID的stripe和partity(奇偶校驗)技術(shù)，將數(shù)據(jù)分為多個塊微饥，并且存儲各個塊的校驗信 息(XOR或擦除碼)逗扒。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)可靠性欠橘，就能節(jié)省相當一部 分的存儲空間矩肩。
DRFS包含以下幾個組件：
· DRFS client: 提供應用程序訪問DRFS的接口，在發(fā)現(xiàn)讀取到的文件有損壞時修復肃续，整個操作對應用程序透明
· RaidNode: 創(chuàng)建黍檩，維護檢驗文件的daemon
· BlockFixer: 周期性地檢查文件，重新計算校驗和痹升，修復文件.
· RaidShell: 類似于hadoop shell.
· ErasureCode: 即DRFS所使用的生成校驗碼的算法建炫，可為XOR或者Reed-Solomon算法。 XOR僅能創(chuàng)建一個校驗字節(jié)疼蛾，而Reed-Solomon則可以創(chuàng)建無數(shù)位(位數(shù)越多肛跌，能恢復的數(shù) 據(jù)也越多)，如果使用Reed-Solomon察郁，replication甚至可以降為1衍慎，缺點是降低了數(shù)據(jù)讀 寫的并行程度(只能從單機讀寫)。
實現(xiàn)
軟件實現(xiàn)
現(xiàn)在很都操作系統(tǒng)都提供了RAID的軟件實現(xiàn)皮钠，主要由以下幾個方面:
· 由軟件在多個設備上創(chuàng)建RAID稳捆，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麦轰，虛擬卷管理工具.
· 文件系統(tǒng)實現(xiàn) :btrfs乔夯，ZFS砖织，GPFS.這些文件都可以直接管理多個設備上的數(shù)據(jù)，實 現(xiàn)了類似各級RAID的功能末荐。
· 在已有文件系統(tǒng)之上提供數(shù)據(jù)校驗功能的RAID系統(tǒng)(RAID-F)
固件/驅(qū)動實現(xiàn)
軟件實現(xiàn)并總是與系統(tǒng)的啟動進程兼容侧纯，硬件實現(xiàn)(RAID控制器)總是太貴并且都是廠商專有的技術(shù)，所以 有了一中混合的實現(xiàn):系統(tǒng)啟動時甲脏，由固件(firmware)來實現(xiàn)RAID眶熬，系統(tǒng)啟動的差不多了，由驅(qū)動來管 理RAID块请。當然娜氏，這需要操作系統(tǒng)對這種驅(qū)動提供支持。
