【RAID技术】

一、什么是RAID技术

RAID（Redundant Array of Independent Disks，独立磁盘冗余阵列）是一种通过组合多个物理硬盘形成逻辑存储单元的技术，旨在提升存储系统的性能、可靠性和容量。
性能提升：通过并行读写提高I/O速度（如RAID 0的条带化） 。
数据冗余：通过镜像或校验数据保证数据安全（如RAID 1的镜像、RAID 5的奇偶校验） 。
容量扩展：整合多块硬盘的存储空间

组成方式：
硬件RAID：RAID卡
软件RAID：操作系统提供的RAID功能通过软件实现（如Linux的mdadm工具）

RAID的数据组织形式：

• 条带(strip)：硬盘中单个或者多个连续的扇区构成一个条带，他是一块硬盘上一次数据读写的最小单元。它是组成分条的元素。
• 分条(stipe)：同一硬盘阵列中的多个硬盘驱动器上的相同“位置”（或者说是相同编号）的条带。

RAID的数据保护方式：
方法一：在另一块冗余的硬盘上保存数据的副本。
方法二：奇偶校验算法（XOR）。
XOR运算广泛地使用在数字电子和计算机科学中。
XOR校验的算法----相同为假，相异为真：
0⊕0=0；0⊕1=1；1⊕0=1；1⊕1=0；

二、RAID的级别

（1）RAID 0是一种通过条带化（Striping）技术将数据分块并分散存储于多个物理硬盘的存储方案，核心目标是提升存储性能，但不提供数据冗余保护。数据写入时将数据分割为固定大小的块（如64KB或更大），依次写入多个硬盘。例如，由2块硬盘组成的RAID 0中，数据块A1、A2、A3、A4分别写入硬盘1、硬盘2，实现并行读写。空间利用率为100%，硬盘数量>=2。
优点：提升性能
缺点：无冗余

（2）RAID 1是一种通过数据完全复制实现冗余的存储技术，提供数据安全性。数据写入时将数据同时写入多个硬盘（通常为2块），形成完全相同的副本（镜像）。例如，写入硬盘A的数据会实时复制到硬盘B，确保每个硬盘存储的内容一致。空间利用率为50%，硬盘数量>=2。
优点：提供冗余
缺点：无性能提升，磁盘利用率低

（3）RAID 3（带专用奇偶校验的字节级条带化）是一种结合数据条带化与奇偶校验（单独用一个磁盘用于奇偶检验）的存储技术，旨在平衡性能与数据安全性。数据写入时数据被分割为字节级块（通常为1字节或512字节），并分散存储于多个数据盘中。例如，由3块硬盘组成的RAID 3中，数据块D1、D2写入数据盘，奇偶校验信息P1存储于专用校验盘。空间利用率为(n-1)/n（n为磁盘数），硬盘数量>=3。
优点：有性能提升，提供冗余，允许坏一个磁盘
缺点：所有写入操作均需更新校验盘，导致随机写性能低下，专用检验盘成为瓶颈

（4）RAID 5（独立磁盘冗余阵列级别5）是一种结合数据条带化与分布式奇偶校验（每个磁盘都写入校验）的存储技术，旨在平衡性能、存储效率与数据冗余。数据写入时数据被分割为固定大小的块（称为“条带”），并分散存储在所有磁盘上，实现并行读写以提高性能。例如，3块硬盘组成的RAID 5中，数据块D1、D2分别存储于2块硬盘，奇偶校验块P1存储于第3块硬盘，下一组数据轮换校验块的位置以实现分布式存储。空间利用率为(n-1)/n（n为磁盘数），硬盘数量>=3。
优点：有性能提升，提供冗余，允许坏一个磁盘；适用用顺序IO业务，如：监控视频，备份
缺点：每次写入需计算并更新校验信息，导致“写惩罚”（写入数据需读旧数据、旧校验、写新数据、新校验）

（5）RAID 6（独立磁盘冗余阵列级别6）是一种通过双重奇偶校验实现高容错能力的存储技术，允许同时两块硬盘故障而不丢失数据。RAID 6在RAID 5的单奇偶校验（P校验）基础上增加第二份独立校验（Q校验），通常采用异或运算（XOR）和伽罗华域（Galois Field）算法生成。校验块P和Q分散存储在所有磁盘中，避免单点瓶颈，形成“分布式冗余”。最多允许任意两块磁盘同时故障，数据可通过剩余磁盘和校验信息重建。空间利用率为(n-2)/n（n为磁盘数），硬盘数量>=4。
优点：有性能提升；双重冗余机制，允许坏两个磁盘
缺点：每次写入需更新两份校验；双盘故障恢复需复杂计算，期间性能下降

（6）RAID 10（镜像+条带化混合阵列）是一种通过嵌套RAID 1（镜像）与RAID 0（条带化）实现高性能与高冗余的存储方案，结合了镜像的安全性与条带化的效率。RAID 10由至少4块硬盘组成，先将硬盘两两组成镜像对（RAID 1），再将多个镜像对条带化（RAID 0）存储数据。例如，4块硬盘分为两组（Disk1-Disk2、Disk3-Disk4），数据条带化写入两组镜像对中。数据写入时数据被分割为条带，每个条带同时写入镜像对中的主盘和镜像盘。空间利用率为50%，硬盘数量4+2n。
优点：高性能；高冗余性（允许坏两个磁盘但不在一个镜像组内）；适用于随机IO业务，如：数据库
缺点：磁盘利用率低，增加硬盘需成对扩容

（7）RAID 50（RAID 5+0）是一种结合了RAID 5的冗余校验机制与RAID 0的条带化性能优势的混合型存储方案，适用于对性能、容量和可靠性要求较高的场景。空间利用率为(n-2)/n（n为磁盘数），硬盘数量6+2n。

（8）RAID 60（RAID 6+0）是一种结合双重奇偶校验与条带化的混合型存储方案，旨在实现高容错能力与高性能的平衡。空间利用率为(n-4)/n（n为磁盘数），硬盘数量8+2n。

RAID级别	RAID 0	RAID 1	RAID 3	RAID 5	RAID 6	RAID 10	RAID 50
容错性	无	有	有	有	有	有	有
冗余类型	无	复制	奇偶校验	奇偶校验	奇偶校验	复制	奇偶校验
热备盘选项	无	有	有	有	有	有	有
读性能	高	低	高	高	高	一般	高
随机写性能	高	低	最低	低	低	一般	低
连续写性能	高	低	低	低	低	一般	低
最小硬盘数	2块	2块	3块	3块	4块	4块	6块
可用容量	N*单块硬盘容量	(1/N）*单块硬盘容量	（N-1）*单块硬盘容量	（N-1）*单块硬盘容量	（N-2）*单块硬盘容量	（N/2）*单块硬盘容量	（N-2）*单块硬盘容量