RAID（独立冗余磁盘阵列）技术

RAID技术的由来

人类自有活动以来，就伴随着信息的记录和保存。原始社会的刻痕和结绳，到中国古代的竹简和纸张，以及20世纪中期出现的磁带，软盘和硬盘。到了20世纪后期，随着集成电路的飞速发展，固态硅芯片的出现，表明有RAM芯片，Flash芯片，CPU芯片等。技术在不断进步，其中一个大的趋势是单位体积的存储量愈来愈大。不过，随着21世纪的到来，网络日益发达和全球的一体化致使信息的大爆炸，对存储量和存储的速度有了更大的要求。纵然，现在的单碟SATA(Serial ATA)硬盘已经能够达到几个TB的容量，可是也远远没法知足容量和速度上的需求。

要解决这个问题，除了提升单碟的容量和存取速度之外，还能够将多个磁盘进行组合，这就是RAID技术，即Redundant Array of Idependent Disks，中文名是由独立的磁盘组成的具备冗余特性的阵列——磁盘阵列。RAID做为一种磁盘冗余阵列，可以提供一个独立的大型存储设备解决方案。将几个物理磁盘合并成一个更大的虚拟设备，在提升硬盘容量的同时，还可以充分提升硬盘的速度，使数据更加安全，更加易于磁盘的管理。

引言

若是咱们有一个须要很大容量，一块硬盘存储不了的数据，只能存储到多个硬盘上，最简单的思惟是：一块硬盘一块硬盘的读取/存储。

很显然，这样单纯的堆积法虽然解决了容量的问题，可是也带来的浪费，由于一次只是从一块硬盘上进行读/写，同时，单块硬盘的读取速度，也是整个磁盘组合的读取速度。

由于CPU和缓存的速度远远大于磁盘的读取数据，所以咱们能够将CPU数据读/取请求按照顺序给不一样的磁盘，让磁盘“同时”读/写数据，也就是下面的RAID 0.

RAID 0

将连续的数据拆分红block，分散将数据block的读/写请求给各个磁盘，达到“同时”读/写的目的。

也叫Stripe条带模式。

• 优势：这种数据上的并行操做能够充分利用总线的带宽，显著提升磁盘总体存取性能。由于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长，

• 缺点：没有数据冗余，若是其中一个磁盘Disk出现错误，将影响全部的读/写操做，而且不能从错误中恢复数据。

P.S.磁盘上只有实实在在的扇区结构，并无什么Stripe结构，Stripe只是一种逻辑上由程序根据某种算法实现的一种的概念。Stripe后的多个硬盘，数据是被并行写入磁盘的，而不是只有写满了一个磁盘的Stripe区域后，再写下个磁盘的Stripe区域。

RAID 1

又称为镜像（Mirroring），一个具备全冗余的模式。

• 优势：须要极高的可靠性和安全性。支持"热替换"，即不断电的状况下对故障磁盘进行更换。

• 缺点：其磁盘的利用率却只有50%，是全部RAID级别中最低的。

RAID 1+0

先作镜像(1)，再作条带(0)。

好比，有HDD0~HDD7共8个磁盘，其中HDD0~HDD3是数据盘，HDD4~HDD7是对应的镜像盘。同时，有”ABCD”四个数据的磁盘写请求。

当数据A的写请求在磁盘HDD0上执行时，就在对应的镜像盘HDD4中进行镜像A’。与此同时，按照与数据A相似的步骤，并行在相应磁盘中写入数据B、数据C和数据D。

• 优势：兼顾了RAID0和RAID1的优势，在可靠性和I/O性能上有保证。只要不是数据盘和对应的镜像盘同时出现损坏，数据就能保证完整性，写功能不会受到影响。若是损坏了其中一块好比HDD0时，读性能可能会稍微下降（读取数据时能够并行操做）。

• 缺点：从上图能够看出，须要分出一半的磁盘组做为Mirror，所以空间利用率只有50%，成本大。

RAID1+0 因为兼具可靠性和好的性能， 在商业应用中很普遍，常应用于数据库等要求安全性，小数据频繁写的场合。

RAID 0+1

先作条带(0)，再作镜像(1)。

先对数据进行RAID 0条带化，而后将Stripe后的数据进行备份。

RAID01几乎不会在实际环境中应用，由于RAID0+1和RAID1+0在读取效率上没有差别，可是RAID0+1在安全性和可靠性低。

RAID 2

能够认为是RAID0的改进版，加入了汉明码(Hanmming Code)错误校验。

汉明码（Hamming Code）是一种可以自动检测并纠正一位错码的线性纠错码，即SEC（Single Error Correcting）码。汉明码经过在要传输的数据位中增长一些bit做为校验位，能够验证数据的有效性。

汉明码的原理举例说明，若是传输的数据位数为k，使用的校验位的位数为r，组成一个n=k+r位数的汉明码。为了可以发现这n位数的数据在传输给后端时是否出错，而且可以指明是那一位数据出错，那么r位的校验位至少可以表明k+r+1个状态（k+r代表出错的位置，其中多出来的1表示数据传输正确）。那么关系式以下：

也是就是说，若是要传输k=4位数据位，根据算式(1) 必须则校验位r≥3，若是用r=3做为校验位数，那么总共传输的数据位数n=k+r=7。

RAID就是利用了汉明码的原理，使用校验磁盘做为错误检查和纠正ECC(Error Correcting Code)盘。以下图，A0-A3四个盘是数据盘，Ax-Az三个盘是校验盘。

根据原理，汉明码有且仅能纠正一个Bit的错误，而且由于校验的缘由，校验位和数据位须要一同并行写人或读取（例如，A0-A3，Ax-Az的磁盘须要并行联动）

RAID2技术过于极端，目前基本已经被淘汰了。根据原理，RAID2须要在IO数据到来以后，控制器将数据按Bit分开，顺序并同时在每一个数据盘和相应校验盘中存放1Bit，而磁盘上的IO最小单位是扇区512B，那么如何确保写入1Bit而且不至于浪费过多空间的算法就很复杂。此外，须要占用相对较多的校验盘也是缘由之一，虽然随着数据盘的增长，校验盘的数量会呈指数降低。

RAID 3

RAID 2的缺点主要是将数据以bit位做为单位来分割，将本来物理连续的扇区转变成了物理不连续、逻辑连续的，这样致使效率低下。RAID3 就准备从根本上就绝这个问题。

RAID3保留了RAID2的一些优势，好比多磁盘同时联动，性能高（利用将一个IO尽可能作到可以分割成小块，让每一个磁盘可以参与工做）。不过RAID3放弃了将数据分割成Bit这么极端的作法，由于这样就将磁盘扇区的物理连续性打破了。RAID3将数据以一个扇区（512B）或者几个扇区(例如4KB)做为单位来分割数据。此外，RAID3也放弃了使用汉明码来校验，取而代之的是XOR校验算法。XOR校验算法只能判断数据是否有误，不能判断出有那一位有误，更不能更正错误，可是XOR算法能够只须要一块校验盘便可。

在一个磁盘阵列中，通常状况下多于一个磁盘出现故障的概率是很小的，全部通常状况下，RAID3的安全性仍是有保障的。

同RAID2同样，因为须要多磁盘同时联动，同时还须要校验。显然，RAID3不适用于有大量写操做的状况，由于这样会使得校验盘的负荷较大，下降RAID系统的性能。RAID3 经常使用于写操做较少，读操做较多的应用环境，好比数据库和WEB服务器。

RAID 4

从RAID2和RAID3的设计来看，都是为了尽可能达到全盘联动，也就是说主要都是为了提升数据传输率而设计的，可是确没法作到并发IO。

然而，现实中例如数据库等应用的特色就是高频率随机IO读写，例如每秒产生的IO数目很大，可是每一个IO请求的数据长度都很小。这种状况下，若是全部的磁盘同一时刻都被一个IO占用而且不能并发IO，只能一个IO一个IO的作，必然产生极大的浪费。

那么，要实现并发IO，就须要保证有空闲的磁盘没有被IO占用，这样才能让其余IO去占有这个磁盘进访问。要达到有有空闲磁盘的目的，那么就须要增长每次读/写的容量，例如按块（Block）存取。

RAID4对于写IO有个很难克服的问题，那就是校验盘的争用。例如上图A0-A3四个数据盘和一个校验盘构成的RAID4系统中，某一时刻一个IO只占用了A0和A1两个磁盘和校验盘，此时虽而后面两块磁盘是空闲的，能够同时接受新的IO请求，可是接受了新的IO请求，则新的IO请求也要使用校验盘。这样就致使了校验盘的争用成为并发的瓶颈。（动画演示见http://storage-system.fujitsu...）

基于这个缘由，须要特别优化请求的IO数据，才能高效使用RAID4。然而，要优化到并发概率很高很不容易，目前只有NetApp的WAFL文件系统还在使用RAID4，其余产品均未使用了。

RAID4面临淘汰，取而代之的是拥有高盲并发概率的RAID5系统。所谓的高盲并发概率，就是上层文件系统不用感知下层磁盘的结构，便可增长并发的概率。

RAID 5

RAID 5+0

RAID 6

备注：

关于RAID的介绍中动画的网站http://storage-system.fujitsu...
http://storage-system.fujitsu...

参考文献

1. 大话云存储

2. RAID技术介绍和总结