raid的基礎(chǔ)知識(shí)詳解，你都知道么？

時(shí)間：2020-04-23作者：深圳道通存儲(chǔ)技術(shù)有限公司瀏覽：162

RAID ( Redundant Array of Independent Disks )即獨(dú)立磁盤冗余陣列，通常簡(jiǎn)稱為磁盤陣列。簡(jiǎn)單地說， RAID 是由多個(gè)獨(dú)立的高性能磁盤驅(qū)動(dòng)器組成的磁盤子系統(tǒng)，從而提供比單個(gè)磁盤較高的存儲(chǔ)性能和數(shù)據(jù)冗余的技術(shù)。 RAID 是一類多磁盤管理技術(shù)，其向主機(jī)環(huán)境提供了成本適中、數(shù)據(jù)可靠性高的高性能存儲(chǔ)。 SNIA 對(duì) RAID 的定義是 [2] ：一種磁盤陣列，部分物理存儲(chǔ)空間用來(lái)記錄保存在剩余空間上的用戶數(shù)據(jù)的冗余信息。當(dāng)其中某一個(gè)磁盤或訪問路徑發(fā)生故障時(shí)，冗余信息可用來(lái)重建用戶數(shù)據(jù)。磁盤條帶化雖然與 RAID 定義不符，通常還是稱為 RAID (即 RAID0 )。







RAID 的初衷是為大型服務(wù)器提供**的存儲(chǔ)功能和冗余的數(shù)據(jù)安全。在整個(gè)系統(tǒng)中， RAID 被看作是由兩個(gè)或更多磁盤組成的存儲(chǔ)空間，通過并發(fā)地在多個(gè)磁盤上讀寫數(shù)據(jù)來(lái)提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的 I/O 性能。大多數(shù) RAID 等級(jí)具有完備的數(shù)據(jù)校驗(yàn)、糾正措施，從而提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性，甚至鏡像方式，大大增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性， Redundant 也由此而來(lái)。

RAID 的兩個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是提高數(shù)據(jù)可靠性和 I/O 性能。磁盤陣列中，數(shù)據(jù)分散在多個(gè)磁盤中，然而對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)說，就像一個(gè)單獨(dú)的磁盤。通過把相同數(shù)據(jù)同時(shí)寫入到多塊磁盤(典型地如鏡像)，或者將計(jì)算的校驗(yàn)數(shù)據(jù)寫入陣列中來(lái)獲得冗余能力，當(dāng)單塊磁盤出現(xiàn)故障時(shí)可以保證不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

有些 RAID 等級(jí)允許更多地 磁盤同時(shí)發(fā)生故障，比如 RAID6 ，可以是兩塊磁盤同時(shí)損壞。在這樣的冗余機(jī)制下，可以用新磁盤替換故障磁盤， RAID 會(huì)自動(dòng)根據(jù)剩余磁盤中的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)數(shù)據(jù)重建丟失的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)一致性和完整性。數(shù)據(jù)分散保存在 RAID 中的多個(gè)不同磁盤上，并發(fā)數(shù)據(jù)讀寫要大大**單個(gè)磁盤，因此可以獲得較高的聚合 I/O 帶寬。當(dāng)然，磁盤陣列會(huì)減少全體磁盤的總可用存儲(chǔ)空間，犧牲空間換取較高的可靠性和性能。比如， RAID1 存儲(chǔ)空間利用率僅有 50% ， RAID5 會(huì)損失其中一個(gè)磁盤的存儲(chǔ)容量，空間利用率為 (n-1)/n 。

磁盤陣列可以在部分磁盤(單塊或多塊，根據(jù)實(shí)現(xiàn)而論)損壞的情況下，仍能保證系統(tǒng)不中斷地連續(xù)運(yùn)行。在重建故障磁盤數(shù)據(jù)至新磁盤的過程中，系統(tǒng)可以繼續(xù)正常運(yùn)行，但是性能方面會(huì)有一定程度上的降低。一些磁盤陣列在添加或刪除磁盤時(shí)必須停機(jī)，而有些則支持熱交換 ( Hot Swapping )，允許不停機(jī)下替換磁盤驅(qū)動(dòng)器。這種**磁盤陣列主要用于要求高可能性的應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)不能停機(jī)或盡可能少的停機(jī)時(shí)間。

一般來(lái)說， RAID 不可作為數(shù)據(jù)備份的替代方案，它對(duì)非磁盤故障等造成的數(shù)據(jù)丟失無(wú)能為力，比如病毒、人為破壞、意外刪除等情形。此時(shí)的數(shù)據(jù)丟失是相對(duì)操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、卷管理器或者應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說的，對(duì)于 RAID 系統(tǒng)來(lái)身，數(shù)據(jù)都是完好的，沒有發(fā)生丟失。所以，數(shù)據(jù)備份、災(zāi) 備等數(shù)據(jù)保護(hù)措施是非常必要的，與 RAID 相輔相成，保護(hù)數(shù)據(jù)在不同層次的安全性，防止發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。

RAID 中主要有三個(gè)關(guān)鍵概念和技術(shù)：鏡像( Mirroring )、數(shù)據(jù)條帶( Data Stripping )和數(shù)據(jù)校驗(yàn)( Data parity ) [3][4][5] 。鏡像，將數(shù)據(jù)復(fù)制到多個(gè)磁盤，一方面可以提高可靠性，另一方面可并發(fā)從兩個(gè)或多個(gè)副本讀取數(shù)據(jù)來(lái)提高讀性能。顯而易見，鏡像的寫性能要稍低， 確保數(shù)據(jù)正確地寫到多個(gè)磁盤需要更多的時(shí)間消耗。數(shù)據(jù)條帶，將數(shù)據(jù)分片保存在多個(gè)不同的磁盤，多個(gè)數(shù)據(jù)分片共同組成一個(gè)完整數(shù)據(jù)副本，這與鏡像的多個(gè)副本是不同的，它通常用于性能考慮。數(shù)據(jù)條帶具有較高的并發(fā)粒度，當(dāng)訪問數(shù)據(jù)時(shí)，可以同時(shí)對(duì)位于不同磁盤上數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作， 從而獲得非?？捎^的 I/O 性能提升 。數(shù)據(jù)校驗(yàn)，利用冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)和修復(fù)，冗余數(shù)據(jù)通常采用海明碼、異或操作等算法來(lái)計(jì)算獲得。利用校驗(yàn)功能，可以很大程度上提高磁盤陣列的可靠性、魯棒性和容錯(cuò)能力。不過，數(shù)據(jù)校驗(yàn)需要從多處讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比，會(huì)影響系統(tǒng)性能。 不同等級(jí)的 RAID 采用一個(gè)或多個(gè)以上的三種技術(shù)，來(lái)獲得不同的數(shù)據(jù)可靠性、可用性和 I/O 性能。至于設(shè)計(jì)何種 RAID (甚至新的等級(jí)或類型)或采用何種模式的 RAID ，需要在深入理解系統(tǒng)需求的前提下進(jìn)行合理選擇，綜合評(píng)估可靠性、性能和成本來(lái)進(jìn)行折中的選擇。

RAID 思想從提出后就廣泛被業(yè)界所接納，存儲(chǔ)工業(yè)界投入了大量的時(shí)間和財(cái)力來(lái)研究和開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。而且，隨著處理器、內(nèi)存、計(jì)算機(jī)接口等技術(shù)的不斷發(fā)展， RAID 不斷地發(fā)展和革新，在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，從**系統(tǒng)逐漸延伸到普通的中低端系統(tǒng)。 RAID 技術(shù)如此流行，源于其具有顯著的特征和優(yōu)勢(shì)，基本可以滿足大部分的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。總體說來(lái)， RAID 主要優(yōu)勢(shì)有如下幾點(diǎn)：

(1) 大容量

這是 RAID 的一個(gè)顯然優(yōu)勢(shì)，它擴(kuò)大了磁盤的容量，由多個(gè)磁盤組成的 RAID 系統(tǒng)具有海量的存儲(chǔ)空間。現(xiàn)在單個(gè)磁盤的容量就可以到 1TB 以上，這樣 RAID 的存儲(chǔ)容量就可以達(dá)到 PB 級(jí)，大多數(shù)的存儲(chǔ)需求都可以滿足。一般來(lái)說， RAID 可用容量要小于所有成員磁盤的總?cè)萘?。不同等?jí)的 RAID 算法需要一定的冗余開銷，具體容量開銷與采用算法相關(guān)。如果已知 RAID 算法和容量，可以計(jì)算出 RAID 的可用容量。通常， RAID 容量利用率在 50% ~ 90% 之間。

(2) 高性能

RAID 的高性能受益于數(shù)據(jù)條帶化技術(shù)。單個(gè)磁盤的 I/O 性能受到接口、帶寬等計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，性能往往很有 限，容易成為系統(tǒng)性能的瓶頸。通過數(shù)據(jù)條帶化， RAID 將數(shù)據(jù) I/O 分散到各個(gè)成員磁盤上，從而獲得比單個(gè)磁盤成倍增長(zhǎng)的聚合 I/O 性能。

(3) 可靠性

可用性和可靠性是 RAID 的另一個(gè)重要特征。從理論上講，由多個(gè)磁盤組成的 RAID 系統(tǒng)在可靠性方面應(yīng)該比單個(gè)磁盤要差。這里有個(gè)隱含假定：?jiǎn)蝹€(gè)磁盤故障將導(dǎo)致整個(gè) RAID 不可用。 RAID 采用鏡像和數(shù)據(jù)校驗(yàn)等數(shù)據(jù)冗余技術(shù)，打破了這個(gè)假定。 鏡像是較為原始的冗余技術(shù)，把某組磁盤驅(qū)動(dòng)器上的數(shù)據(jù)完全復(fù)制到另一組磁盤驅(qū)動(dòng)器上，保證總有數(shù)據(jù)副本可用。 比起鏡像 50% 的冗余開銷 ，數(shù)據(jù)校驗(yàn)要小很多，它利用校驗(yàn)冗余信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和糾錯(cuò)。 RAID 冗余技術(shù)大幅提升數(shù)據(jù)可用性和可靠性，保證了若干磁盤出錯(cuò)時(shí)，不 會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，不影響系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。

(4) 可管理性

實(shí)際上， RAID 是一種虛擬化技術(shù)，它對(duì)多個(gè)物理磁盤驅(qū)動(dòng)器虛擬成一個(gè)大容量的邏輯驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于外部主機(jī)系統(tǒng)來(lái)說， RAID 是一個(gè)單一的、快速可靠的大容量磁盤驅(qū)動(dòng)器。這樣，用戶就可以在這個(gè)虛擬驅(qū)動(dòng)器上來(lái)組織和存儲(chǔ)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)。 從用戶應(yīng)用角度看，可使存儲(chǔ)系統(tǒng)簡(jiǎn)單易用，管理也很便利。 由于 RAID 內(nèi)部完成了大量的存儲(chǔ)管理工作，管理員只需要管理單個(gè)虛擬驅(qū)動(dòng)器，可以節(jié)省大量的管理工作。 RAID 可以動(dòng)態(tài)增減磁盤驅(qū)動(dòng)器，可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)重建，這些都可以 大大簡(jiǎn)化管理工作。


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