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磁盘阵列 Raid

Redundant Arrays of independent Disks,RAID, 廉价冗余(独立)磁盘阵列


前言

RAID 是一种把多块独立的物理硬盘按不同的方式组合起来形成一个硬盘组(逻辑硬盘),提供比单个硬盘更高的存储性能和数据备份技术。

RAID技术,可以实现把多个磁盘组合在一起作为一个逻辑卷提供磁盘跨越功能;可以把数据分成多个数据块(Block)并行写入/读出多个磁盘以提高访问磁盘的速度;可以通过镜像或校验操作提供容错能力。具体的功能以不同的RAID组合实现。

在用户看来,RAID组成的磁盘组就像是一个硬盘,可以对它进行分区、格式化等操作。RAID的存储速度比单个硬盘高很多,并且可以提供自动数据备份,提供良好的容错能力。

其底层是使用了条带化技术,RAID 条带(strip)是把连续的数据分割成相同大小的数据块,把每段数据分别写入到阵列中的不同磁盘上的方法。

级别

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。

RAID0

数据在从内存缓冲区写入磁盘时,根据磁盘数量将数据分成N份,这些数据同时并发写入N块磁盘,使得数据整体写入速度是一块磁盘的N倍,读取的时候也一样,因此RAID0具有极快的数据读写速度。但是RAID0不做数据备份,N块磁盘中只要有一块损坏,数据完整性就被破坏,所有磁盘的数据都会损坏。

RAID1

数据在写入磁盘时,将一份数据同时写入两块磁盘,这样任何一块磁盘损坏都不会导致数据丢失,只能 2 块盘,盘的大小可以不一样,以小的为准。

插入一块新磁盘就可以通过复制数据的方式自动修复,具有极高的可靠性。10G + 10G 只有 10G 有效数据,另一个做备份。它有 100% 的冗余,缺点是浪费资源,成本高。

RAID10

结合 RAID0 和 RAID1 两种方案,将所有磁盘平均分成两份大磁盘,数据同时在两份大磁盘写入,相当于 RAID1,但是在每一份大磁盘里面有 N/2 块磁盘,利用 RAID0 技术并发读写,既提高可靠性又改善性能,不过 RAID10 的磁盘利用率较低,有一半的磁盘用来写备份数据。

RAID3

一般情况下,一台服务器上不会出现同时损坏两块磁盘的情况,在只损坏一块磁盘的情况下,如果能利用其它磁盘的数据恢复损坏磁盘的数据,就能在保证可靠性和性能的同时,大幅提升磁盘利用率。

在数据写入磁盘的时候,将数据分成N-1份,并发写入N-1块磁盘,并在第N块磁盘记录校验数据,任何一块磁盘损坏(包括校验数据磁盘),都可以利用其它N-1块磁盘的数据修复。

但是在数据修改较多的场景中,任何磁盘修改数据都会导致第N块磁盘重写校验数据,频繁写入的后果是第N块磁盘比其它磁盘容易损坏,需要频繁更换,所以RAID3很少在实践中使用。

RAID5

相比RAID3,更多被使用的方案是RAID5。

RAID5和RAID3很相似,但是校验数据不是写入第N块磁盘,而是螺旋式地写入所有磁盘中。这样校验数据的修改也被平均到所有磁盘上,避免RAID3频繁写坏一块磁盘的情况。

RAID6

如果数据需要很高的可靠性,在出现同时损坏两块磁盘的情况下(或者运维管理水平比较落后,坏了一块磁盘但是迟迟没有更换,导致又坏了一块磁盘),仍然需要修复数据,这时候可以使用RAID6。

RAID6 和 RAID5 类似,但是数据只写入N-2块磁盘,并螺旋式地在两块磁盘中写入校验信息(使用不同算法生成)。

总结

在相同磁盘数目(N)的情况下,各种RAID技术的比较如下表所示

RAID技术有硬件实现,比如专用的RAID卡或者主板直接支持,也可以通过软件实现,在操作系统层面将多块磁盘组成RAID,在逻辑视作一个访问目录。RAID 技术在传统关系数据库及文件系统中应用比较广泛,是改善计算机存储特性的重要手段。

RAID 技术只是在单台服务器的多块磁盘上组成阵列,大数据需要更大规模的存储空间和访问速度。将 RAID 技术原理应用到分布式服务器集群上,就形成了 Hadoop 分布式文件系统 HDFS 的架构思想。

RAID5 一般使用 XOR 编码,因为只需要容忍单个磁盘故障,而 RAID6 使用 Reed-Solomon 和两个奇偶校验块来容忍最多两个磁盘故障。


参考链接