RAID各级别、软RAID

0.目录

1.RAID

1.1 什么是RAID

RAID，全称Redundant Array Inexpensive（Independent） Disks。这个名称的由来有一定历史原因，不赘述。现在就直接视为磁盘阵列。

磁盘阵列：将多块磁盘，按一定的方式组合起来，以提高耐用性和IO能力。

需要注意的是，RAID有冗余能力提高了耐用性，但取代不了数据备份。因RAID冗余只能保证磁盘坏时数据不受影响，如果数据遭到误删，那和磁盘就没关系了，所以重要数据还是要备份。

1.2 使用场景

1、数据存储在某磁盘上，若该磁盘损坏，则会导致业务终止。
2、磁盘访问密集时，其有限的I/O能力将成为业务瓶颈。

1.3 RAID如何提高磁盘耐用性和I/O能力

RAID耐用性的实现，主要通过磁盘冗余来实现；

RAID使I/O能力的提升，可通过其自带的“CPU”和“内存”（仅供RAID使用），也可理解为是RAID的控制器。

• 通过其“内存”的异步存取可有效提升I/O能力。如果发生断电等会导致异步存取中断。所以RAID一般配有电池，关机后仍可供电一段时间。
• 通过其“CPU”，可将需存取的数据切割为多个chunk（即多份相同大小的数据）。按一定策略（即各RAID级别）存储在各磁盘上，读取时再合并各chunk的数据。这样可降低各磁盘的I/O压力，从而提升整体的I/O能力。

1.4 RAID级别

RAID有不同级别，各级别表示的是其组织各磁盘的方式，并非有级别“高低”之分。

RAID级别的设置在BIOS中，而非操作系统。

2.RAID各级别组织方式

2.1 RAID-0

2.1.1 实现方式

RAID-0，也称条带卷。RAID-0实现方式：

数据存储方式：
各chunk平均、依次分配存储至各磁盘上，即把整个数据条带化存储了。

2.1.2 指标及分析

指标	产生结果（提升、下降均相对于单硬盘）
I/O能力	提升
耐用性	下降
使用的最少硬盘数	2
可用空间	N*min（Disk1，Disk2……）

分析：

• I/O能力
  以上述图示为例，如果数据的总大小为9G，每个硬盘仅需吞吐（即I/O）3G的数据，相对于单硬盘，RAID-0的每个硬盘I/O压力明显降低。
  使用更多的磁盘，就会更多地分摊I/O压力。不过并不是添加硬盘越多就越好。因为读取时，控制器需要时间合并各磁盘读来的数据；写入时又要费时间来分割数据。
• 耐用性
  由RAID-0组织方式，可以看出其无冗余能力。任何一块硬盘损坏，就会造成整个数据的不完整，而多个硬盘出故障的概率又大于单硬盘。所以RAID-0耐用性相对于单硬盘是降低的。
  所以RAID-0不适合存储关键数据。可用于存储非关键的“中间数据”，比如交换分区数据、临时文件系统等。
• 最少硬盘数
  由RAID-0组织方式，可知其最少使用2块硬盘。
• 可用空间
  RAID-0可用空间取决于其组成硬盘中最小的那个。因为根据RAID-0写入数据的方式，任何一块盘满，其他硬盘也无法再写入。

2.2 RAID-1

2.2.1 实现方式

RAID-1，也称镜像卷。RAID-1实现方式：

数据存储方式：
各chunk，每个硬盘都存一份，如同镜像。

2.2.2 指标及分析

指标	产生结果（提升、下降均相对于单硬盘）
I/O能力	写性能略微下降；读性能提升
耐用性	提升
存储空间利用率	50%以下
使用的最少硬盘数	最少为2，且一般也只用2块硬盘
可用空间	1*min（Disk1，Disk2…）

分析：

• I/O能力
  RAID-1各硬盘存储的数据相同，在写入时，数据在所有硬盘上都完整存储才算写入完成，所以虽然每个硬盘的写入压力相同，但RAID-1整体写性能取决于最慢的那个硬盘。相对于单硬盘写性能是略有下降的。
  读性能提升。读取各chunk不一定要在一块硬盘上。比如chunk1在第一块读，chunk2在第二块读等等。从而降低各硬盘读取压力，RAID-1整体读性能提升。
• 耐用性
  有冗余能力，也是其最大优点。每个硬盘都存储数据，只要不同时损坏，数据即可正常读写。耐用性提升。
• 存储空间利用率
  有冗余的RAID级别，存储空间利用率都不会是100%。
  RAID-1若使用2块盘，利用率为50%；使用更多则会在50%以下。因各硬盘数据都一样。
• 使用最少硬盘数
  由其组织方式决定，最少硬盘数为2，且一般就使用2个。如果使用2个以上，除了存储空间利用率降低，写性能也会进一步降低，因为写入数据时要等所有硬盘都写入完毕。
• 可用空间
  各硬盘存储的数据大小一致，所以只要其中1块硬盘满，其他硬盘均无法继续写入。且各硬盘存储的内容相同。所以可用空间为1*min（Disk1，Disk2…）。

2.3 RAID-4

2.3.1 实现方式

RAID-4实现方式：

数据存储方式：
前面硬盘按条带卷存储各chunk，最后一块硬盘作为校验盘，存储前面硬盘数据计算得出的校验码（比如按位计算出的异或值）。如果存储数据的某硬盘损坏，校验盘可和剩下的正常硬盘数据计算，得出损坏盘上的数据1。

2.3.2 降级模式

• 什么是降级模式
  以RAID-4为例，一块硬盘坏了之后，读、写仍是可以执行的。读的话，需要边计算边读，速度会比较慢；写的话，也是边计算边写到没坏的硬盘和校验盘上。
  这种存在坏硬盘的情况下继续工作的状态称为降级模式。
• 降级模式的风险及规避
  显然，降级模式下的读、写操作会增大剩余好硬盘和校验盘的压力。对于RAID-4，处于降级模式时如果再坏一块硬盘（也可以是校验盘），那么就彻底坏了。
  所以在出现硬盘故障时，应暂停使用RAID，换一块新硬盘（一般是热备一块空闲盘）并计算出原来硬盘的数据。这样就和原来状态一样了。
  不过，在计算原来硬盘数据的过程中也有可能出现新的坏盘（概率很小），对于RAID-4，这种情况也就意味着彻底坏了，RAID-4最多允许一块坏盘。

2.3.3 缺陷

RAID-4的一大缺陷：单块盘作为校验盘，任何一个存数据的盘写入数据，校验盘的数据都要跟着变。这大大增加了校验盘的压力，使之成为RAID-4的性能瓶颈。

所以RAID-4不常用。

2.4 RAID-5

2.4.1 实现方式

数据存储方式：
RAID-5存储原理与RAID-4相同。不过为了避免RAID-4单个校验盘的压力，RAID-5采用了各硬盘轮流存储校验值的方式。

校验数据从第一块盘开始存储，之后各硬盘依次做校验盘，称为左对衬。如上图所示就是左对衬的方式（虚线标出）。相反地，校验数据若从最后一块盘开始，依次向前轮流做校验盘，称为右对称。一般采用左对衬。

2.4.2 指标及分析

指标	产生结果（提升、下降均相对于单硬盘）
I/O能力	提升
耐用性	提升
存储空间利用率	(N-1)/N以下，其中N为硬盘总数
使用的最少硬盘数	最少3个
可用空间	(N-1)*min（Disk1，Disk2…）

分析：

• I/O能力
  每个硬盘仅存储数据的一部分，所以I/O压力减小，RAID总体I/O能力提升。
• 耐用性
  同RAID-4，最多允许一块硬盘挂掉，挂掉后即变为降级模式。2块以上挂掉则彻底挂。
• 可用空间
  最小的一块硬盘满，则RAID-5无法继续存储数据。且校验数据大小相当于其中一块硬盘。所以可用空间为(N-1)*min（Disk1，Disk2…）。

2.5 RAID-10

2.5.1 实现方式

数据存储方式：
各硬盘先分组做RAID-1，各组再在更高级别上做RAID-0。

2.5.2 指标及分析

指标	产生结果（提升、下降均相对于单硬盘）