程序员需要知道的 RAID 基本原理
qw0325
8年前
<p>RAID，全称为redundant array of independent disks，是目前商用服务器常见的磁盘管理技术。作为软件开发人员，需要了解各级RAID的特性，以便根据需求做出做合适的选择。本文总结了常见的RAID级别的特性，包括如下内容：</p> <ul> <li>RAID的基本作用</li> <li>各级RAID的基本原理</li> </ul> <h2>RAID的基本作用</h2> <p>RAID的一般有如下作用</p> <ul> <li>数据冗余</li> <li>性能提升</li> </ul> <p>数据冗余是指把数据的校验信息存放在冗余的磁盘中，在某些磁盘数据损坏时，能从其他未损坏的磁盘中，重新构建数据。</p> <p>性能提升是指RAID能把多块独立的磁盘组成磁盘阵列，通过把数据切成分片的方式，使得读/写数据能走多块磁盘，从而提升性能。</p> <h2>各级RAID的基本原理</h2> <p>根据RAID的冗余信息程度，切分数据的方式等不同，可以把RAID分成不同的级别，分别是</p> <ul> <li>RAID0</li> <li>RAID1</li> <li>RAID2</li> <li>RAID3</li> <li>RAID4</li> <li>RAID5</li> <li>RAID6</li> </ul> <p>接下来就讨论这些RAID级别的基本原理。</p> <h2>RAID0的基本原理</h2> <p>RAID0设计的目标是为了提升读写性能，但并不带数据冗余信息。</p> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/0ab608c6eef8e74f926f9c1e89753a99.png"></p> <p>如上图，RAID0会把数据切成块，分别存储在N个磁盘上。当读数据时，如果要读的数据块比较大，分布在多次磁盘上，那么能同时从多块盘读数据；当写数据时，如果要写的数据块比较大，分布式在多块磁盘上，那么同时能从多块盘写数据。</p> <p>因为数据分布在多块盘上，当某块磁盘损坏时，整个RAID系统就不可用了。因此，N块盘的RAID0的特性如下：</p> <ul> <li>读性能最好情况下是单块盘的N倍</li> <li>写性能最好情况下是单块盘的N倍</li> <li>空间利用率为100%</li> <li>不具有冗余信息，任何一块磁盘损坏，整个RAID不可用</li> </ul> <h2>RAID1的基本原理</h2> <p>RAID1的设计目标是为每份数据都提供冗余数据，其结构如下：</p> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/595a2d853196c5b38ceee5d98032baeb.png"></p> <p>如上图，RAID1中每个磁盘都有一个冗余的镜像盘，两个磁盘的数据是一模一样的。RAID1读数据时，如果数据分布在多块磁盘上，那么可以利用所有数据盘的带宽；写数据时，要同时写入数据盘和镜像盘，因此，需要等待最慢的磁盘写完成，写操作才完成，因此，写性能可能会略微下降。N块盘的RAID1的特性如下：</p> <ul> <li>读性能最好情况下是原来的N倍</li> <li>写性能略微小于RAID0</li> <li>空间利用率50%</li> <li>N块盘，坏掉N/2块，RAID还能正常使用</li> </ul> <h2>RAID2的基本原理</h2> <p>RAID2的设计目标是在RAID0级别的基础上，加了海明纠错码。</p> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/2dbfb124e4b1d8926fc6f55e524174f1.png"></p> <p>如上图，前面四个盘是数据盘，后面三个盘是纠错码。RAID2读数据时，能同时使用多个数据盘的带宽；RAID2写数据时，除了写数据盘，还需要写校验盘，写性能会有下降。因此，N块盘的RAID2的特性如下：</p> <ul> <li>读性能不到原来的N倍，因为还有一部分是校验盘</li> <li>写性能会有下降，因为每次都要写校验盘，受限于校验盘的数量</li> <li>空间利用率小于100%，因为海明纠错码需要的冗余盘一般比数据盘的数量少</li> <li>根据海明纠错码位数的不同，能容忍的坏盘数不同，具体信息可以参考 <a href="/misc/goto?guid=4959739081193858216" rel="nofollow,noindex">海明码</a></li> </ul> <h2>RAID3的基本原理</h2> <p>RAID3是把数据按照字节分别存在不同的磁盘中，并且最后一个磁盘提供纠错冗余，其结构如下：</p> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/effbe3e25b8302802f9fb70544f6ea0d.png"></p> <p>如上图，由于按照字节切分数据，读数据时，一定会同时从多个盘读数据，可以利用所有数据盘的带宽；写数据时，也会利用所有磁盘的带宽，但所有的写校验数据都会在一个盘，因此，写性能主要受限于校验盘。N快盘的RAID3的特性如下：</p> <ul> <li>读性能是N-1倍，其中一块盘是校验盘</li> <li>写性能受限于校验盘的写性能</li> <li>空间利用率为(N-1)/N</li> <li>坏掉一块盘，RAID还能正常工作</li> </ul> <h2>RAID4</h2> <p>RAID4是把数据按照分块分别存在不同的磁盘中，并且最后一个磁盘提供纠错冗余，其结构如下：</p> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/1748cf5c0701f477c32471e3d5f00779.png"></p> <p>如上图，读数据时，当数据分布在多块盘时，能够利用多块数据盘的带宽；写数据时，如果数据分布在多快盘时，能利用所有磁盘带宽，但写校验数据只能在一块盘上，因此，写性能主要受限于校验盘。N块盘的RAID4的特性如下：</p> <ul> <li>读性能是N-1倍，其中一块盘是校验盘</li> <li>写性能受限于校验盘的写性能</li> <li>空间利用率为(N-1)/N</li> <li>坏掉一块盘，RAID还能正常工作</li> </ul> <h2>RAID5</h2> <p>RAID5是把数据块按照分块分别存在不同的磁盘中，并且冗余信息也会分块分布在多块磁盘中，其结构如下：</p> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/8ff9b2beeaf295dd1f41d98af50d1ebf.png"></p> <p>如上图，读数据时，当数据分布在多块盘时，能够利用多块数据盘的带宽；写数据时，如果数据分布在多块盘时，能利用所有数据盘带宽，同时写校验数据也分散在多块盘上，但因为要额外写入校验数据，因此，写数据的性能略微有所下降。N块盘的RAID5的特性如下：</p> <ul> <li>读性能是N倍</li> <li>写性能略微弱于RAID0</li> <li>空间利用率为(N-1)/N</li> <li>坏掉一块盘，RAID还能正常工作</li> </ul> <h2>RAID6</h2> <p>RAID6是把数据块按照分块分别存在不同的磁盘中，并且冗余信息为两份奇偶校验码，分布在多块磁盘中，其结构如下：</p> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/e3d61ad32bd894385be86e3c1fcc8ff7.png"></p> <p>如上图，读数据时，当数据分布在多块盘时，能够利用多块数据盘的带宽；写数据时，如果数据分布在多块盘时，能利用多块数据盘带宽，同时写校验数据也分散在多块盘中，但因为要额外写入两份校验数据，因此，写数据的性能要略微下降。N块盘的RAID6的特性如下：</p> <ul> <li>读性能是N倍</li> <li>写性能略微弱于RAID0</li> <li>空间利用率为(N-2)/N</li> <li>坏掉两块盘，RAID还能正常工作</li> </ul> <h2>各级RAID的对比</h2> <table> <thead> <tr> <th>RAID级别</th> <th>读性能</th> <th>写性能</th> <th>空间利用率</th> <th>最大能容忍的坏盘数</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>RAID0</td> <td>单块盘的N倍</td> <td>单块盘的N倍</td> <td>100%</td> <td>0</td> </tr> <tr> <td>RAID1</td> <td>单块盘的N倍</td> <td>略微弱于单块盘的N倍</td> <td>50%</td> <td>N/2</td> </tr> <tr> <td>RAID2</td> <td>不到单块盘的N倍</td> <td>单盘的写入速度 * 校验盘的数量</td> <td>不到100%</td> <td>取决于海明纠错码位数</td> </tr> <tr> <td>RAID3</td> <td>单块盘的N-1倍</td> <td>校验盘的写入速度</td> <td>(N-1)/N</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>RAID4</td> <td>单块盘的N-1倍</td> <td>校验盘的写入速度</td> <td>(N-1)/N</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>RAID5</td> <td>单块盘的N倍</td> <td>略微弱于单块盘的N倍</td> <td>(N-1)/N</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>RAID6</td> <td>单块盘的N倍</td> <td>略微弱于单块盘的N倍，差于RAID5</td> <td>(N-2)/N</td> <td>2</td> </tr> </tbody> </table> <p>一般地，RAID0容忍的坏盘数为0，风险太大，一般不常用；RAID1的信息冗余量很多，适合于对信息安全要求很高并且预算充足的场景；RAID2的控制器比较复杂，一般不常用；RAID3和RAID4由于其写入性能差，也不常用；RAID5由于读写性能、能容忍的坏盘数都比较均衡，因此，一般工业界经常使用的是RAID5；RAID6对于坏盘数容忍度较高，适合于对信息安全比较高的场景。</p> <p> </p> <p> </p> <p>来自：http://oserror.com/backend/raid-principle/</p> <p> </p>