RAID磁盘阵列

本文最后更新于：2024年9月26日下午

RAID （Redundant Arrays of Independent Disks，RAID），可以通过软件或者硬件来实现，将多个较小的磁盘整合成一个具有容错功能的较大的磁盘,，本文记录相关内容。

简介

什么是RAID

磁盘冗余阵列（Redundant Arrays of Independent Disks，RAID），通俗点可以叫具有容错功能的不贵的磁盘阵列，RAID是一种技术，可以通过软件或者硬件来实现，将多个较小的磁盘整合成一个具有容错功能的较大的磁盘，具体RAID等级根据使用需求来选择，有以下几种：

标准RAID：RAID 0、RAID 1、RAID 5、RAID 6
混合RAID：JBOD、RAID 10、RAID 01

磁盘阵列比较

RAID的数据组织方式

条带：磁盘中单个或者多个连续的扇区构成一个条带。它是组成分条的元素。
分条：同一磁盘阵列中的多个磁盘驱动器上的相同“位置”（或者说是相同编号）的条带
- 分条宽度：指在一个分条中数据成员盘的个数（上图分条宽度为3）
- 分条深度：指一个条带的容量大小（根据硬盘大小而定）

RAID 方式

JBOD

JBOD，Just a Bunch Of Disk，一堆硬盘。

在分类上，JBOD不是标准的RAID等级，只是将多个硬盘空间合并成一个大的逻辑硬盘，没有错误冗余机制。

RAID 0

RAID 0：等量模式，stripe，效率最高。

RAID 0 又叫带区集，指将两个以上的硬盘并联起来，形成一个大容量的磁盘。
RAID 0 的容量为硬盘容量的总和。
数据在写入时，分段后分散存储在这些磁盘上，因为读写上具有并行性，所以RAID 0 是所有级别中最快的。
缺点是RAID 0既没有冗余功能，也不具备容错的能力，其中一块坏了就莫得了。

应用场景：不追求安全，只要速度，大规模并发的读取场景。如数据库（备）、存储库（备）。

RAID 1

RAID 1：镜像模式，mirror，完整备份。

RAID 1由两组以上的N个磁盘互相作镜像。
RAID 1容量为硬盘容量总和的一半。
数据写入的时候，分别写入工作盘和镜像盘中，在多线程IO的场景中会有比较好的表现。

应用场景：只追求安全性，不追求速度。比如系统盘和监控服务器。

RAID 5

RAID 5：奇偶校验，效率与数据备份兼顾，Disk Striping 硬盘分割技术。

RAID 5至少需要三块硬盘。
RAID 5的容量 = （硬盘个数-1）* 单块硬盘容量。
RAID 5不是对存储的数据进行备份，而是把数据和相对应的奇偶校验信息存储到组成RAID 5的各个硬盘上，并且将奇偶校验信息分别存储于不同的磁盘上。
当RAID 5的一个硬盘发生损坏，可用剩下的数据和奇偶校验信息来恢复被破坏的数据。
RAID 5可以看作RAID 1 和 RAID 0的折中方案，既有近似RAID 0的读写速度，又有校验机制来保证数据的可靠性。

应用场景：对安全性和速度有基本的需求。比如普通数据库、存储库。

RAID 6

RAID 6：两套奇偶校验，可以看作RAID 5的升级版，加入第二个独立的奇偶校验快。

RAID 6至少需要四块硬盘。
RAID 6的容量 = （硬盘个数-2）* 单块硬盘容量。
RAID 6的两个独立的奇偶校验系统采用不同的算法，数据的可靠性非常高，任意两块磁盘同时失效也不会影响数据的完整性。
相比RAID 5，RAID 6有着更大的IO吞吐和计算能力。
RAID 6建议使用硬件的方式实现。

应用场景：对安全性和速度有基本的需求。比如普通数据库、存储库。

RAID 10/01

RAID 10：先分割，再镜像。（常用，可靠性高）

RAID 01：先镜像，再分割。（可靠性低）

当RAID 10有一个硬盘损坏，其余的硬盘仍然可以正常运作；而RAID 01其中一个硬盘坏了，其他的就没法正常运作了。

应用场景：对安全和性能都有较高要求的场景，比如数据库（主）、存储库（主）

RAID 实现

软 RAID

软RAID：由操作系统模拟的RAID，由cpu来代替硬件RAID卡进行调度任务，一旦硬盘损坏，操作系统就会损坏，模拟的RAID就会失效。

优点：
- 便宜，不需要专门买RAID卡。
- 简单，点就完事了。
缺点：
- 需要占用CPU资源来进行RAID的模拟。
- 由操作系统模拟，系统坏了，就无法实现RAID的磁盘容错功能了。

示例

假设要写入的数据是{A1，A2，A3，……，A8}，那么：

对于RAID1来说，需要做这样的转换：

                                +--+--+--+--+--+--+--+--+
                            +-->|A1|A2|A3|A4|A5|A6|A7|A8|
+--+--+--+--+--+--+--+--+   |   +--+--+--+--+--+--+--+--+
|A1|A2|A3|A4|A5|A6|A7|A8|-->|             Disk0
+--+--+--+--+--+--+--+--+   |   +--+--+--+--+--+--+--+--+
          RAID 1            +-->|A1|A2|A3|A4|A5|A6|A7|A8|
                                +--+--+--+--+--+--+--+--+
                                          Disk1

对于四盘RAID0来说，需要做这样的转换：

                                +--+--+  
                            +-->|A1|A5| 
                            |   +--+--+
                            |    Disk0
                            |   +--+--+
                            +-->|A2|A6|
+--+--+--+--+--+--+--+--+   |   +--+--+
|A1|A2|A3|A4|A5|A6|A7|A8|-->|    Disk1
+--+--+--+--+--+--+--+--+   |   +--+--+
          RAID 0            +-->|A3|A7|
                            |   +--+--+
                            |    Disk2
                            |   +--+--+
                            +-->|A4|A8|
                                +--+--+
                                 Disk3

对于四盘RAID10来说，需要做这样的转换：

                                +--+--+--+--+
                            +-->|A1|A3|A5|A7|
                            |   +--+--+--+--+
                            |       Disk0
                            |   +--+--+--+--+
                            +-->|A1|A3|A5|A7|
+--+--+--+--+--+--+--+--+   |   +--+--+--+--+
|A1|A2|A3|A4|A5|A6|A7|A8|-->|       Disk1|      
+--+--+--+--+--+--+--+--+   |   +--+--+--+--+
          RAID 10           +-->|A2|A4|A6|A8|
                            |   +--+--+--+--+
                            |       Disk2
                            |   +--+--+--+--+
                            +-->|A2|A4|A6|A8|
                                +--+--+--+--+
                                    Disk3

对于四盘RAID5来说，需要做这样的转换（其中B7、B8、Q3需要先从硬盘读出，P1、P2、P3需要进行计算）：

                                +--+--+------+
                            +-->|A1|A4|B7->A7|
                            |   +--+--+------+
                            |       Disk0
                            |   +--+--+------+
                            +-->|A2|A5|Q3->P3|
+--+--+--+--+--+--+--+--+   |   +--+--+------+
|A1|A2|A3|A4|A5|A6|A7|A8|-- |       Disk1(P3=B7 XOR A7 XOR B8 XOR A8 XOR Q3)
+--+--+--+--+--+--+--+--+   |   +--+--+------+
          RAID 5            +-->|A3|P2|B8->A8|
                            |   +--+--+------+
                            |       Disk2(P2=A4 XOR A5 XOR A6)
                            |   +--+--+
                            +-->|P1|A6|
                                +--+--+
                                    Disk3(P1=A1 XOR A2 XOR A3)

类似的，读取数据需要进行反向转换。

上述提到的这些转换、计算过程，如果由CPU执行硬盘控制器的驱动程序代码完成，就是软RAID。