RAID--磁盘阵列概念详解 - [磁盘阵列]

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        RAID是英文Redundant Array of Inexpensive Disks的缩写，中文译作廉价冗余磁盘阵列，简称磁盘阵列。简单的说，RAID是一种把多块独立的硬盘（物理硬盘）按不同方式组合起来形成一个硬盘组（逻辑硬盘），从而提供比单个硬盘更高的存储性能和提供数据冗余的技术。在这一组硬盘中，数据按照不同的算法分别存储于每块硬盘上从而达到不同的效果这样就形成了不同的RAID级别（RAID LEVEL）。

按照RAID级别划分，常见的有RAID0，RAID1，RAID3，RAID5， RAID10，RAID50还有不常用的RAID2， RAID4，RAID6，RAID7以及硬件厂商自己定义的RAID如惠普Smart Array阵列卡实现的RAID ADG和IBM的RAID 5E。

RAID 0 (定义，优势，弱点，适用范围，使用技巧) 
定义：
　　RAID 0是由一块以上的硬盘组成，每块硬盘被等分成容量相同的条带集，数据也被分割成条带，在同一时间内向多块磁盘写入。
（也就是说数据是被交错写入多快硬盘的，在读取数据的时候是同时从多快硬盘上读取，这增加了读取速度，但是起不到备份冗余的效果，而且只要有一快硬盘损坏，整个数据读写就会失败。）

优势：读写性能快

        如果是四块硬盘做RAID0，系统向逻辑设备发出的I/O指令会被转化为4项操作，其中的每一项操作都对应于一块硬盘，通过建立带区集，原先顺序写入的数据被分散到所有的四块硬盘中同时进行读写。四块硬盘的并行操作使同一时间内磁盘读写的速度提升了4倍。四块硬盘组合在一起形成一个独立的逻辑驱动器，容量相当于任何任何一块单独硬盘的4倍。

弱点：数据安全性差                               
        需要注意的是：这种 RAID 级别不具有容错性能，如果阵列中的任何一块磁盘出现故障，整个阵列中的数据都将会受到破坏，无法继续使用。从上面这个例子来说，此时使用RAID 0方式的安全性仅相当于单独使用一块硬盘的1/4（因为本例中RAID 0使用了4块硬盘）。

推荐适用范围：

• 视频处理 

• 图像编辑

• 视频点播

使用技巧：

    在创建带区集时，合理的选择带区的大小非常重要。如果带区过大，可能一块磁盘上的带区空间就可以满足大部分的I/O操作，使数据的读写仍然只局限在少数的一、两块硬盘上，不能充分的发挥出并行操作的优势。另一方面，如果带区过小，任何I/O指令都可能引发大量的读写操作，占用过多的控制器总线带宽。因此，在创建带区集时，我们应当根据实际应用的需要，慎重的选择带区的大小。

RAID 1 (定义，优势，弱点，适用范围，使用技巧) 
定义：

　　RAID 1又被称为磁盘镜像，由两个以上偶数个硬盘组成，每一个磁盘都具有一个对应的镜像盘，对写入任何一个磁盘的数据都会被复制镜像盘中，同时系统可以从这一组镜像盘中的任何一个磁盘读取数据。

优势：数据安全性高

         RAID 1下，任何一块硬盘的故障都不会影响到系统的正常运行，而且只要能够保证任何一对镜像盘中至少有一块磁盘可以使用，RAID 1甚至可以在一半数量的硬盘出现问题时不间断的工作。当一块硬盘失效时，系统会忽略该硬盘，转而使用剩余的镜像盘读写数据。

弱点：磁盘利用率较低

        显然，磁盘镜像肯定会提高系统成本。因为我们所能使用的空间只是所有磁盘容量总和的一半。

适用范围：

• 数据库服务器

• 文件服务器

使用技巧：　　
　　通常，我们把出现硬盘故障的RAID系统称为在降级模式下运行。虽然这时保存的数据仍然可以继续使用，但是RAID系统将不再可靠。如果剩余的镜像盘也出现问题，那么整个系统就会崩溃。因此，我们应当及时的更换损坏的硬盘，避免出现新的问题。更换新盘之后，原有好盘中的数据必须被复制到新盘中。这一操作被称为同步镜像。同步镜像一般都需要很长时间，尤其是当损害的硬盘的容量很大时更是如此。在同步镜像的进行过程中，外界对数据的访问不会受到影响，但是由于复制数据需要占用一部分的带宽，所以可能会使整个系统的性能有所下降。

RAID 3 (定义，优势，弱点，适用范围，使用技巧)

定义：

         RAID3至少由三块以上硬盘组成，以其中一块特定的硬盘来存放数据的奇偶校验位（由真实数据通过一定的算法得出），真实数据则分段存储于其余硬盘中。

优势：有冗余，硬盘利用率高

    如果数据盘（物理）损坏，只要将坏硬盘换掉，RAID控制系统则会根据校验盘的数据校验位在新盘中重建坏盘上的数据。利用单独的校验盘来保护数据虽然没有镜像的安全性高，但是硬盘利用率得到了很大的提高，为(N-1)/N 其中N为RAID中硬盘的个数。

弱点：读写性能差

    当向RAID 3写入数据时，情况会变得复杂一些。即使我们只是向一个磁盘写入一个数据块，也必须计算与该数据块同处一个带区的所有数据块的校验值，并将新值重新写入到校验块中。由此我们可以看出，一个写入操作事实上包含了数据读取（读取带区中的关联数据块），校验值计算，数据块写入和校验块写入四个过程。读写性能尤其是写性能大大降低。

        RAID 3所存在的最大一个不足同时也是导致RAID 3很少被人们采用的原因就是校验盘很容易成为整个系统的瓶颈。我们已经知道RAID 3会把数据的写入操作分散到多个磁盘上进行，然而不管是向哪一个数据盘写入数据，都需要同时重写校验盘中的相关信息。因此，对于那些经常需要执行大量写入操作的应用来说，校验盘的负载将会很大，无法满足程序的运行速度，从而导致整个RAID系统性能的下降。鉴于这种原因，RAID 3更加适合应用于那些写入操作较少，读取操作较多的应用环境，例如数据库和WEB服务器等。

适用范围：

• 流媒体

• 视频点播

• WEB服务器

• FTP服务器

使用技巧：　

        RAID 3虽然具有容错能力，当一块硬盘出现故障时，RAID系统在降级模式下的运行情况。该磁盘上的所有数据块必须使用校验信息重新建立。此时如果我们是从好盘中读取数据块，不会有任何变化。但是如果我们所要读取的数据块正好位于已经损坏的磁盘，则必须同时读取同一带区中的所有其它数据块，并根据校验值重建丢失的数据，整个系统的性能会受到严重的影响。当我们更换了损坏的磁盘之后，系统必须一个数据块一个数据块的重建坏盘中的数据。整个过程包括读取带区，计算丢失的数据块和向新盘写入新的数据块，都是在后台自动进行。因此，如果有硬盘损坏必须及时更换，并且重建活动最好是在RAID系统空闲的时候进行。

RAID 5 (定义，优势，弱点，适用范围，使用技巧)

定义：

        RAID5是在RAID 3的基础上进行了一些改进，同样也是由三块以上的硬盘组成，也是以数据的校验位来保证数据的安全，但它不是以特定硬盘来存放数据的校验位，而是将数据段的校验位交互存放于各个硬盘上。

优势：克服RAID3校验盘性能问题，有冗余，硬盘利用率高

如果数据盘（物理）损坏，只要将坏硬盘换掉，RAID控制系统则会根据校验盘的数据校验位在新盘中重建坏盘上的数据。利用单独的校验盘来保护数据虽然没有镜像的安全性高，但是硬盘利用率得到了很大的提高，为(N-1)/N 其中N为RAID中硬盘的个数。

弱点：读写性能差

        当向RAID 5写入数据时，情况会变得复杂一些。即使我们只是向一个磁盘写入一个数据块，也必须计算与该数据块同处一个带区的所有数据块的校验值，并将新值重新写入到校验块中。由此我们可以看出，一个写入操作事实上包含了数据读取（读取带区中的关联数据块），校验值计算，数据块写入和校验块写入四个过程。读写性能尤其是写性能大大降低。

适用范围：

• 文件和应用服务器

• 数据库服务器

• WEB，Email服务器

• 局域网服务器

• 使用范围较广

使用技巧：

        RAID 5虽然具有容错能力，当一块硬盘出现故障时，RAID系统在降级模式下的运行情况。该磁盘上的所有数据块必须使用校验信息重新建立。此时如果我们是从好盘中读取数据块，不会有任何变化。但是如果我们所要读取的数据块正好位于已经损坏的磁盘，则必须同时读取同一带区中的所有其它数据块，并根据校验值重建丢失的数据，整个系统的性能会受到严重的影响。当我们更换了损坏的磁盘之后，系统必须一个数据块一个数据块的重建坏盘中的数据。整个过程包括读取带区，计算丢失的数据块和向新盘写入新的数据块，都是在后台自动进行。因此，如果有硬盘损坏必须及时更换，并且重建活动最好是在RAID系统空闲的时候进行。

RAID 10 

        RAID10也被称为镜象阵列条带由至少四块硬盘组成，象RAID0一样，数据被分割成条带，在同一时间内向多块磁盘写入；象RAID1一样，每个磁盘都有一个镜象磁盘。其目的是在保证数据安全的情况下，提高数据的读写性能。

RAID 50 

RAID50也被称为镜象阵列条带由至少六块硬盘组成，象RAID0一样，数据被分割成条带，在同一时间内向多块磁盘写入；象RAID5一样，也是以数据的校验位来保证数据的安全。其目的在于提高RAID5的读写性能。

RAID 2 

        RAID2又被称为带海明码校验磁盘阵列，是为大型机和超级计算机开发的。磁盘驱动器组中的第一个、第二个、第四个……第2的n次幂个磁盘驱动器是专门的校验盘，用于校验和纠错，例如七个磁盘驱动器的RAID2，第一、二、四个磁盘驱动器是纠错盘，其余的用于存放数据。使用的磁盘驱动器越多，校验盘在其中占的百分比越少。RAID2对大数据量的输入输出有很高的性能，但少量数据的输入输出时性能不好。RAID2很少实际使用。

        由于海明码的特点，它可以在数据发生错误的情况下将错误校正，以保证输出的正确。它的数据传送速率相当高，如果希望达到比较理想的速度，那最好提高保存校验码ECC码的硬盘，对于控制器的设计来说，它又比RAID3，4或5要简单。但是利用海明码校验必须要付出数据冗余的代价。

RAID 4 

        RAID4和RAID3很相似，不同的是RAID4对数据的访问是按数据块进行的，也就是按磁盘进行的，每次是一个盘。 RAID3是一次一横条，而RAID4一次一竖条。所以RAID3常须访问阵列中所有的硬盘驱动器，而RAID4只须访问有用的硬盘驱动器。这样读数据的速度大大提高了，但在写数据方面，需将从数据硬盘驱动器和校验硬盘驱动器中恢复出的旧数据与新数据通过异或运算，然后再将更新后的数据和检验位写入硬盘驱动器，所以处理时间较RAID3长。

RAID 6 

        几乎没有进行商用。它使用一种分配在不同的驱动器上的第二种奇偶方案，扩展了RAID 5。它能承受多个驱动器同时出现故障，但是，性能尤其是写操作却很差，而且，系统需要一个极为复杂的控制器。当然由于引入了第二种奇偶校验值，所以需要N+2个磁盘，同时对控制器的设计变得十分复杂，用于计算奇偶校验值和验证数据正确性所花费的时间比较多，造成了不必须的负载。

IBM RAID 5E

        RAID 5E是在 RAID 5级别基础上的改进，与RAID 5类似，数据的校验信息均匀分布在各硬盘上，但是，在每个硬盘上都保留了一部分未使用的空间，这部分空间没有进行条带化，最多允许两块物理硬盘出现故障。看起来，RAID 5E和RAID 5加一块热备盘好象差不多，其实由于RAID 5E是把数据分布在所有的硬盘上，性能会比RAID5 加一块热备盘要好。当一块硬盘出现故障时，有故障硬盘上的数据会被压缩到其它硬盘上未使用的空间，逻辑盘保持RAID 5级别。