RAID技术-RAID0、RAID1、RAID5、RAID100 – 记忆角落

RAID技术-RAID0、RAID1、RAID5、RAID100

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RAID技术-RAID0、RAID1、RAID5、RAID100

RAID 技术相信大家都有接触过,尤其是服务器运维人员,RAID 概念很多,有时候会概念混淆。这篇文章为网络转载,写得相当不错,它对 RAID 技术的概念特征、基本原理、关键技术、各种等级和发展现状进行了全面的阐述,并为用户如何进行应用选择提供了基本原则,对于初学者应该有很大的帮助。

RAID 概述

​ 1988 年美国加州大学伯克利分校的 D. A. Patterson 教授等首次在论文 “A Case of Redundant Array of Inexpensive Disks” 中提出了 RAID 概念 [1] ,即廉价冗余磁盘阵列( Redundant Array of Inexpensive Disks)由于当时大容量磁盘比较昂贵, RAID 的基本思想是将多个容量较小、相对廉价的磁盘进行有机组合,从而以较低的成本获得与昂贵大容量磁盘相当的容量、性能、可靠性。随着磁盘成本和价格的不断降低, RAID 可以使用大部分的磁盘, “廉价” 已经毫无意义。因此, RAID 咨询委员会( RAID Advisory Board, RAB )决定用 “ 独立 ” 替代 “ 廉价 ” ,于时 RAID 变成了独立磁盘冗余阵列( Redundant Array of Independent Disks )。但这仅仅是名称的变化,实质内容没有改变。

​ 目前业界公认的标准是 RAID0 ~ RAID5 ,除 RAID2 外的四个等级被定为工业标准,而在实际应用领域中使用最多的 RAID 等级是 RAID0 、 RAID1 、 RAID3 、 RAID5 、 RAID6 和 RAID10

​ 从实现角度看, RAID 主要分为软 RAID、硬 RAID 以及软硬混合 RAID 三种。软 RAID 所有功能均有操作系统和 CPU 来完成,没有独立的 RAID 控制 / 处理芯片和 I/O 处理芯片,效率自然最低。硬 RAID 配备了专门的 RAID 控制 / 处理芯片和 I/O 处理芯片以及阵列缓冲,不占用 CPU 资源,但成本很高。软硬混合 RAID 具备 RAID 控制 / 处理芯片,但缺乏 I/O 处理芯片,需要 CPU 和驱动程序来完成,性能和成本 在软 RAID 和硬 RAID 之间。

 RAID 每一个等级代表一种实现方法和技术,等级之间并无高低之分。在实际应用中,应当根据用户的数据应用特点,综合考虑可用性、性能和成本来选择合适的 RAID 等级,以及具体的实现方式。

基本原理

总体说来, RAID 主要优势有如下几点:

大容量

​ 这是 RAID 的一个显然优势,它扩大了磁盘的容量,由多个磁盘组成的 RAID 系统具有海量的存储空间。现在单个磁盘的容量就可以到 1TB 以上,这样 RAID 的存储容量就可以达到 PB 级,大多数的存储需求都可以满足。一般来说, RAID 可用容量要小于所有成员磁盘的总容量。不同等级的 RAID 算法需要一定的冗余开销,具体容量开销与采用算法相关。如果已知 RAID 算法和容量,可以计算出 RAID 的可用容量。通常, RAID 容量利用率在 50% ~ 90% 之间。

高性能

​ RAID 的高性能受益于数据条带化技术。单个磁盘的 I/O 性能受到接口、带宽等计算机技术的限制,性能往往很有 限,容易成为系统性能的瓶颈。通过数据条带化, RAID 将数据 I/O 分散到各个成员磁盘上,从而获得比单个磁盘成倍增长的聚合 I/O 性能。

可靠性

​ 可用性和可靠性是 RAID 的另一个重要特征。从理论上讲,由多个磁盘组成的 RAID 系统在可靠性方面应该比单个磁盘要差。这里有个隐含假定:单个磁盘故障将导致整个 RAID 不可用。 RAID 采用镜像和数据校验等数据冗余技术,打破了这个假定。 镜像是最为原始的冗余技术,把某组磁盘驱动器上的数据完全复制到另一组磁盘驱动器上,保证总有数据副本可用。 比起镜像 50% 的冗余开销 ,数据校验要小很多,它利用校验冗余信息对数据进行校验和纠错。 RAID 冗余技术大幅提升数据可用性和可靠性,保证了若干磁盘出错时,不 会导致数据的丢失,不影响系统的连续运行。

可管理性

实际上, RAID 是一种虚拟化技术,它对多个物理磁盘驱动器虚拟成一个大容量的逻辑驱动器。对于外部主机系统来说, RAID 是一个单一的、快速可靠的大容量磁盘驱动器。这样,用户就可以在这个虚拟驱动器上来组织和存储应用系统数据。 从用户应用角度看,可使存储系统简单易用,管理也很便利。 由于 RAID 内部完成了大量的存储管理工作,管理员只需要管理单个虚拟驱动器,可以节省大量的管理工作。 RAID 可以动态增减磁盘驱动器,可自动进行数据校验和数据重建,这些都可以 大大简化管理工作

关键技术

镜像

  镜像是一种冗余技术,为磁盘提供保护功能,防止磁盘发生故障而造成数据丢失。对于 RAID 而言,采用镜像技术 典型地 将会同时在阵列中产生两个完全相同的数据副本,分布在两个不同的磁盘驱动器组上。镜像提供了完全的数据冗余能力,当一个数据副本失效不可用时,外部系统仍可正常访问另一副本,不会对应用系统运行和性能产生影响。而且,镜像不需要额外的计算和校验,故障修复非常快,直接复制即可。镜像技术可以从多个副本进行并发读取数据,提供更高的读 I/O 性能,但不能并行写数据,写多个副本会会导致一定的 I/O 性能降低。

  镜像技术提供了非常高的数据安全性,其代价也是非常昂贵的,需要至少双倍的存储空间。高成本限制了镜像的广泛应用,主要应用于至关重要的数据保护,这种场合下数据丢失会造成巨大的损失。另外,镜像通过“ 拆分 ”能获得特定时间点的上数据快照,从而可以实现一种备份窗口几乎为零的数据备份技术。

数据条带

  磁盘存储的性能瓶颈在于磁头寻道定位,它是一种慢速机械运动,无法与高速的 CPU 匹配。再者,单个磁盘驱动器性能存在物理极限, I/O 性能非常有限。 RAID 由多块磁盘组成,数据条带技术将数据以块的方式分布存储在多个磁盘中,从而可以对数据进行并发处理。这样写入和读取数据就可以在多个磁盘上同时进行,并发产生非常高的聚合 I/O ,有效提高了整体 I/O 性能,而且具有良好的线性扩展性。这对大容量数据尤其显著,如果不分块,数据只能按顺序存储在磁盘阵列的磁盘上,需要时再按顺序读取。而通过条带技术,可获得数倍与顺序访问的性能提升。

  数据条带技术的分块大小选择非常关键。条带粒度可以是一个字节至几 KB 大小,分块越小,并行处理能力就越强,数据存取速度就越高,但同时就会增加块存取的随机性和块寻址时间。实际应用中,要根据数据特征和需求来选择合适的分块大小,在数据存取随机性和并发处理能力之间进行平衡,以争取尽可能高的整体性能。
数据条带是基于提高 I/O 性能而提出的,也就是说它只关注性能, 而对数据可靠性、可用性没有任何改善。实际上,其中任何一个数据条带损坏都会导致整个数据不可用,采用数据条带技术反而增加了数据发生丢失的概念率。

数据校验

  镜像具有高安全性、高读性能,但冗余开销太昂贵。数据条带通过并发性来大幅提高性能,然而对数据安全性、可靠性未作考虑。数据校验是一种冗余技术,它用校验数据来提供数据的安全,可以检测数据错误,并在能力允许的前提下进行数据重构。相对镜像,数据校验大幅缩减了冗余开销,用较小的代价换取了极佳的数据完整性和可靠性。数据条带技术提供高性能,数据校验提供数据安全性, RAID 不同等级往往同时结合使用这两种技术。

  采用数据校验时, RAID 要在写入数据同时进行校验计算,并将得到的校验数据存储在 RAID 成员磁盘中。校验数据可以集中保存在某个磁盘或分散存储在多个不同磁盘中,甚至校验数据也可以分块,不同 RAID 等级实现各不相同。当其中一部分数据出错时,就可以对剩余数据和校验数据进行反校验计算重建丢失的数据。校验技术相对于镜像技术的优势在于节省大量开销,但由于每次数据读写都要进行大量的校验运算,对计算机的运算速度要求很高,必须使用硬件 RAID 控制器。在数据重建恢复方面,检验技术比镜像技术复杂得多且慢得多。

  海明校验码和 异或校验是两种最为常用的 数据校验算法。海明校验码是由理查德.海明提出的,不仅能检测错误,还能给出错误位置并自动纠正。海明校验的基本思想是:将有效信息按照某种规律分成若干组,对每一个组作奇偶测试并安排一个校验位,从而能提供多位检错信息,以定位错误点并纠正。可见海明校验实质上是一种多重奇偶校验。异或校验通过异或逻辑运算产生,将一个有效信息与一个给定的初始值进行异或运算,会得到校验信息。如果有效信息出现错误,通过校验信息与初始值的异或运算能还原正确的有效信息。

RAID 等级

JBOD

JBOD ( Just a Bunch Of Disks )不是标准的 RAID 等级,它通常用来表示一个没有控制软件提供协调控制的磁盘集合。 JBOD 将多个物理磁盘串联起来,提供一个巨大的逻辑磁盘。 JBOD (如图 1 )的数据存放机制是由第一块磁盘开始按顺序往后存储,当前磁盘存储空间用完后,再依次往后面的磁盘存储数据。 JBOD 存储性能完全等同于单块磁盘,而且也不提供数据安全保护。它只是简单提供一种扩展存储空间的机制, JBOD 可用存储容量等于所有成员磁盘的存储空间之和。目前 JBOD 常指磁盘柜,而不论其是否提供 RAID 功能。

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标准 RAID 等级

SNIA 、 Berkeley 等组织机构把 RAID0 、 RAID1 、 RAID2 、 RAID3 、 RAID4 、 RAID5 、 RAID6 七个等级定为标准的 RAID 等级,这也被业界和学术界所公认。标准等级是最基本的 RAID 配置集合,单独或综合利用数据条带、镜像和数据校验技术。标准 RAID 可以组合,即 RAID 组合等级,满足 对性能、安全性、可靠性要求更高的存储应用需求

RAID0

​ RAID0 是一种简单的、无数据校验的数据条带化技术。实际上不是一种真正的 RAID ,因为它并不提供任何形式的冗余策略。 RAID0 将所在磁盘条带化后组成大容量的存储空间(如图 2 所示),将数据分散存储在所有磁盘中,以独立访问方式实现多块磁盘的并读访问。由于可以并发执行 I/O 操作,总线带宽得到充分利用。再加上不需要进行数据校验,RAID0 的性能在所有 RAID 等级中是最高的。理论上讲,一个由 n 块磁盘组成的 RAID0 ,它的读写性能是单个磁盘性能的 n 倍,但由于总线带宽等多种因素的限制,实际的性能提升低于理论值。

 RAID0 具有低成本、高读写性能、 100% 的高存储空间利用率等优点,但是它不提供数据冗余保护,一旦数据损坏,将无法恢复。 因此, RAID0 一般适用于对性能要求严格但对数据安全性和可靠性不高的应用,如视频、音频存储、临时数据缓存空间等。

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RAID2

​ RAID2 称为纠错海明码磁盘阵列,其设计思想是利用海明码实现数据校验冗余。海明码是一种在原始数据中加入若干校验码来进行错误检测和纠正的编码技术,其中第 2n 位( 1, 2, 4, 8, … )是校验码,其他位置是数据码。因此在 RAID2 中,数据按位存储,每块磁盘存储一位数据编码,磁盘数量取决于所设定的数据存储宽度,可由用户设定。图 4 所示的为数据宽度为 4 的 RAID2 ,它需要 4 块数据磁盘和 3 块校验磁盘。如果是 64 位数据宽度,则需要 64 块 数据磁盘和 7 块校验磁盘。可见, RAID2 的数据宽度越大,存储空间利用率越高,但同时需要的磁盘数量也越多。

​ 海明码自身具备纠错能力,因此 RAID2 可以在数据发生错误的情况下对纠正错误,保证数据的安全性。它的数据传输性能相当高,设计复杂性要低于后面介绍的 RAID3 、 RAID4 和 RAID5 。

 但是,海明码的数据冗余开销太大,而且 RAID2 的数据输出性能受阵列中最慢磁盘驱动器的限制。再者,海明码是按位运算, RAID2 数据重建非常耗时。由于这些显著的缺陷,再加上大部分磁盘驱动器本身都具备了纠错功能,因此 RAID2 在实际中很少应用,没有形成商业产品,目前主流存储磁盘阵列均不提供 RAID2 支持。

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RAID3

​ RAID3 是使用专用校验盘的并行访问阵列,它采用一个专用的磁盘作为校验盘,其余磁盘作为数据盘,数据按位可字节的方式交叉存储到各个数据盘中。RAID3 至少需要三块磁盘,不同磁盘上同一带区的数据作 XOR 校验,校验值写入校验盘中。 RAID3 完好时读性能与 RAID0 完全一致,并行从多个磁盘条带读取数据,性能非常高,同时还提供了数据容错能力。向 RAID3 写入数据时,必须计算与所有同条带的校验值,并将新校验值写入校验盘中。一次写操作包含了写数据块、读取同条带的数据块、计算校验值、写入校验值等多个操作,系统开销非常大,性能较低。

 如果 RAID3 中某一磁盘出现故障,不会影响数据读取,可以借助校验数据和其他完好数据来重建数据。假如所要读取的数据块正好位于失效磁盘,则系统需要读取所有同一条带的数据块,并根据校验值重建丢失的数据,系统性能将受到影响。当故障磁盘被更换后,系统按相同的方式重建故障盘中的数据至新磁盘。

 RAID3 只需要一个校验盘,阵列的存储空间利用率高,再加上并行访问的特征,能够为高带宽的大量读写提供高性能,适用大容量数据的顺序访问应用,如影像处理、流媒体服务等。目前, RAID5 算法不断改进,在大数据量读取时能够模拟 RAID3 ,而且 RAID3 在出现坏盘时性能会大幅下降,因此常使用 RAID5 替代 RAID3 来运行具有持续性、高带宽、大量读写特征的应用。

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RAID4

​ RAID4 与 RAID3 的原理大致相同,区别在于条带化的方式不同。 RAID4按照 块的方式来组织数据,写操作只涉及当前数据盘和校验盘两个盘,多个 I/O 请求可以同时得到处理,提高了系统性能。 RAID4 按块存储可以保证单块的完整性,可以避免受到其他磁盘上同条带产生的不利影响。

​ RAID4 在不同磁盘上的同级数据块同样使用 XOR 校验,结果存储在校验盘中。写入数据时, RAID4 按这种方式把各磁盘上的同级数据的校验值写入校验 盘,读取时进行即时校验。因此,当某块磁盘的数据块损坏, RAID4 可以通过校验值以及其他磁盘上的同级数据块进行数据重建

​ RAID4 提供了 非常好的读性能,但单一的校验盘往往成为系统性能的瓶颈。对于写操作, RAID4 只能一个磁盘一个磁盘地写,并且还要写入校验数据,因此写性能比较差。而且随着成员磁盘数量的增加,校验盘的系统瓶颈将更加突出。正是如上这些限制和不足, RAID4 在实际应用中很少见,主流存储产品也很少使用 RAID4 保护

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RAID5

​ RAID5 应该是目前最常见的 RAID 等级,它的原理与 RAID4 相似,区别在于校验数据分布在阵列中的所有磁盘上,而没有采用专门的校验磁盘。对于数据和校验数据,它们的写操作可以同时发生在完全不同的磁盘上。因此, RAID5 不存在 RAID4 中的并发写操作时的校验盘性能瓶颈问题。另外, RAID5 还具备很好的扩展性。当阵列磁盘 数量增加时,并行操作量的能力也随之增长,可比 RAID4 支持更多的磁盘,从而拥有更高的容量以及更高的性能。

​ RAID5 的磁盘上同时存储数据和校验数据,数据块和对应的校验信息存保存在不同的磁盘上,当一个数据盘损坏时,系统可以根据同一条带的其他数据块和对应的校验数据来重建损坏的数据。与其他 RAID 等级一样,重建数据时, RAID5 的性能会受到较大的影响。

​ RAID5 兼顾存储性能、数据安全和存储成本等各方面因素,它可以理解为 RAID0 和 RAID1 的折中方案,是目前综合性能最佳的数据保护解决方案。 RAID5 基本上可以满足大部分的存储应用需求,数据中心大多采用它作为应用数据的保护方案

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RAID6

​ 前面所述的各个 RAID 等级都只能保护因单个磁盘失效而造成的数据丢失。如果两个磁盘同时发生故障,数据将无法恢复。 RAID6 引入双重校验的概念,它可以保护阵列中同时出现两个磁盘失效时,阵列仍能够继续工作,不会发生数据丢失。 RAID6 等级是在 RAID5 的基础上为了进一步增强数据保护而设计的一种 RAID 方式,它可以看作是一种扩展的 RAID5 等级。

 RAID6 不仅要支持数据的恢复,还要支持校验数据的恢复,因此实现代价很高,控制器的设计也比其他等级更复杂、更昂贵。 RAID6 思想最常见的实现方式是采用两个独立的校验算法,假设称为 P 和 Q ,校验数据可以分别存储在两个不同的校验盘上,或者分散存储在所有成员磁盘中。当两个磁盘同时失效时,即可通过求解两元方程来重建两个磁盘上的数据。

 RAID6 具有快速的读取性能、更高的容错能力。但是,它的成本要高于 RAID5 许多,写性能也较差,并有设计和实施非常复杂。因此, RAID6 很少得到实际应用,主要用于对数据安全等级要求非常高的场合。它一般是替代 RAID10 方案的经济性选择。

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RAID 组合等级

标准 RAID 等级各有优势和不足。自然地,我们想到把多个 RAID 等级组合起来,实现优势互补,弥补相互的不足,从而达到在性能、数据安全性等指标上更高的 RAID 系统。目前在业界和学术研究中提到的 RAID 组合等级主要有 RAID00 、 RAID01 、 RAID10 、 RAID100 、 RAID30 、 RAID50 、 RAID53 、 RAID60 ,但实际得到较为广泛应用的只有 RAID01 和 RAID10 两个等级。当然,组合等级的实现成本一般都非常昂贵,只是在 少数特定场合应用。

RAID00

​ 简单地说, RAID00 是由多个成员 RAID0 组成的高级 RAID0 。它与 RAID0 的区别在于, RAID0 阵列替换了原先的成员磁盘。可以把 RAID00 理解为两层条带化结构的磁盘阵列,即对条带再进行条带化。这种阵列可以提供更大的存储容量、更高的 I/O 性能和更好的 I/O 负均衡。

RAID01 和 RAID10

​ RAID01 是先做条带化再作镜像,本质是对物理磁盘实现镜像;而 RAID10 是先做镜像再作条带化,是对虚拟磁盘实现镜像。相同的配置下,通常 RAID01 比 RAID10 具有更好的容错能力

​ RAID01 兼备了 RAID0 和 RAID1 的优点,它先用两块磁盘建立镜像,然后再在镜像内部做条带化。 RAID01 的数据将同时写入到两个磁盘阵列中,如果其中一个阵列损坏,仍可继续工作,保证数据安全性的同时又提高了性能。 RAID01 和 RAID10 内部都含有 RAID1 模式,因此整体磁盘利用率均仅为 50% 。

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RAID100

​ 通常看作 RAID 1+0+0 ,有时也称为 RAID 10+0 ,即条带化的 RAID10 。 RAID100 的缺陷与 RAID10 相同,任意一个 RAID1 损坏一个磁盘不会发生数据丢失,但是剩下的磁盘存在单点故障的危险。最顶层的 RAID0 ,即条带化任务,通常由软件层来完成。

 RAID100 突破了单个 RAID 控制器对物理磁盘数量的限制,可以获得更高的 I/O 负载均衡, I/O 压力分散到更多的磁盘上,进一步提高随机读性能,并有效降低热点盘故障风险。因此, RAID100 通常是大数据库的最佳选择。

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主流 RAID 等级技术对比

RAID 等级 RAID0 RAID1 RAID3 RAID5 RAID6 RAID10
别名 条带 镜像 专用奇偶校验条带 分布奇偶校验条带 双重奇偶校验条带 镜像加条带
容错性
冗余类型
热备份选择
读性能
随机写性能 一般 一般
连续写性能 一般
需要磁盘数 n≥1 2n (n≥1) n≥3 n≥3 n≥4 2n(n≥2)≥4
可用容量 全部 50% (n-1)/n (n-1)/n (n-2)/n 50%

转载:https://blog.csdn.net/ensp1/article/details/81318135

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