RAID

RAID

磁盘阵列（Redundant Arrays of Independent Drives，RAID），有“独立磁盘构成的具有冗余能力的阵列”之意。
磁盘阵列是由很多块独立的磁盘，组合成一个容量巨大的磁盘组，利用个别磁盘提供数据所产生加成效果提升整个磁盘系统效能。利用这项技术，将数据切割成许多区段，分别存放在各个硬盘上

RAID0

RAID0又称为Stripe或Striping，它代表了所有RAID级别中最高的存储性能。RAID0提高存储性能的原理是把连续的数据分散到多个磁盘上存取，这样，系统有数据请求就可以被多个磁盘并行的执行，每个磁盘执行属于它自己的那部分数据请求。
这种数据上的并行操作可以充分利用总线的带宽，显著提高磁盘整体存取性能

• 工作原理
  系统向三个磁盘组成的逻辑硬盘（RAID0 磁盘组）发出的I/O数据请求被转化为3项操作，其中的每一项操作都对应于一块物理硬盘。
  通过建立RAID0，原先顺序的数据请求被分散到所有的三块硬盘中同时执行。从理论上讲，三块硬盘的并行操作使同一时间内磁盘读写速度提升了3倍。 但由于总线带宽等多种因素的影响，实际的提升速率肯定会低于理论值，但是，大量数据并行传输与串行传输比较，提速效果显著显然毋庸置疑

• 优缺点
  读写性能是所有RAID级别中最高的

RAID0的缺点是不提供数据冗余，因此一旦用户数据损坏，损坏的数据将无法得到恢复。RAID0运行时只要其中任一块硬盘出现问题就会导致整个数据的故障。一般不建议企业用户单独使用

磁盘空间使用率：100%，故成本最低。

读性能：N*单块磁盘的读性能

写性能：N*单块磁盘的写性能

冗余：无，任何一块磁盘损坏都将导致数据不可用

RAID1

RAID1通过磁盘数据镜像实现数据冗余，在成对的独立磁盘上产生互为备份的数据。当原始数据繁忙时，可直接从镜像拷贝中读取数据，因此RAID1可以提高读取性能。
RAID1是磁盘阵列中单位成本最高的，但提供了很高的数据安全性和可用性。当一个磁盘失效时，系统可以自动切换到镜像磁盘上读写，而不需要重组失效的数据

• 工作原理

RAID1是将一个两块硬盘所构成RAID磁盘阵列，其容量仅等于一块硬盘的容量，因为另一块只是当作数据“镜像”。RAID1磁盘阵列显然是最可靠的一种阵列，因为它总是保持一份完整的数据备份。
它的性能自然没有RAID0磁盘阵列那样好，但其数据读取确实较单一硬盘来的快，因为数据会从两块硬盘中较快的一块中读出。RAID1磁盘阵列的写入速度通常较慢，因为数据得分别写入两块硬盘中并做比较。
RAID1磁盘阵列一般支持“热交换”，就是说阵列中硬盘的移除或替换可以在系统运行时进行，无须中断退出系统。RAID1磁盘阵列是十分安全的，不过也是较贵一种RAID磁盘阵列解决方案，因为两块硬盘仅能提供一块硬盘的容量。
RAID1磁盘阵列主要用在数据安全性很高，而且要求能够快速恢复被破坏的数据的场合

在这里，需要注意的是，读只能在一块磁盘上进行，并不会进行并行读取，性能取决于硬盘中较快的一块。写的话通常比单块磁盘要慢，虽然是并行写，即对两块磁盘的写入是同时进行的，但因为要比较两块硬盘中的数据，所以性能比单块磁盘慢

• 优缺点

RAID1通过硬盘数据镜像实现数据的冗余，保护数据安全，在两块盘上产生互为备份的数据，当原始数据繁忙时，可直接从镜像备份中读取数据，因此RAID1可以提供读取性能。
RAID1是硬盘中单位成本最高的，但提供了很高的数据安全性和可用性，当一个硬盘失效时，系统可以自动切换到镜像硬盘上读/写，并且不需要重组失效的数据

磁盘空间使用率：50%，故成本最高。

读性能：只能在一个磁盘上读取，取决于磁盘中较快的那块盘

写性能：两块磁盘都要写入，虽然是并行写入，但因为要比对，故性能单块磁盘慢。

冗余：只要系统中任何一对镜像盘中有一块磁盘可以使用，甚至可以在一半数量的硬盘出现问题时系统都可以正常运行

RAID5

RAID5是RAID0和RAID1的折中方案。RAID5具有和RAID0相近似的数据读取速度，只是多了一个奇偶校验信息，写入数据的速度比对单个磁盘进行写入操作稍慢。同时由于多个数据对应一个奇偶校验信息，RAID5的磁盘空间利用率要比RAID1高，存储成本相对较低，是目前运用较多的一种解决方案

• 工作原理

RAID5把数据和相对应的奇偶校验信息存储到组成RAID5的各个磁盘上，并且奇偶校验信息和相对应的数据分别存储于不同的磁盘上，其中任意N-1块磁盘上都存储完整的数据，也就是说有相当于一块磁盘容量的空间用于存储奇偶校验信息。
因此当RAID5的一个磁盘发生损坏后，不会影响数据的完整性，从而保证了数据安全。当损坏的磁盘被替换后，RAID还会自动利用剩下奇偶校验信息去重建此磁盘上的数据，来保持RAID5的高可靠性

做RAID5阵列所有磁盘容量必须一样大，当容量不同时，会以最小的容量为准。 最好硬盘转速一样，否则会影响性能，而且可用空间=磁盘数n-1，RAID5没有独立的奇偶校验盘，所有校验信息分散放在所有磁盘上， 只占用一个磁盘的容量

磁盘空间利用率：(N-1)/N，即只浪费一块磁盘用于奇偶校验。

读性能：(n-1)*单块磁盘的读性能，接近RAID0的读性能。

写性能：比单块磁盘的写性能要差（因为写入磁盘的同时还要写入奇偶校验）

冗余：只允许一块磁盘损坏

• 校验原理

生成P校验位的公式一般是这样的: P = D1 ⊕ D2 ⊕ D3

P为校验位，D1~D3分别代表三个数据位，⊕表示异或操作。

可以看到，当D1 D2 D3中其余的一个数据丢失的时候，可以利用其余的三个数据位和校验位P进行恢复，具体的恢复公式如下:

例如，当D1丢失的时候，D1 = D2 ⊕ D3 ⊕ P

RAID6

RAID6是最常用的RAID级别之一。与RAID5类似，但该级别将奇偶校验数据写入两个硬盘。RAID6至少需要4个硬盘，可以同时承受2个硬盘故障。这种技术结合了块级条带和双分布式奇偶校验。
RAID6对所有硬盘的数据和奇偶校验信息进行条带化处理，冗余信息重复。这一级别提供了改进的性能，并可以承受两个驱动器的完全失败。RAID6被认为比RAID5更安全，但数据写入速度可能比RAID5慢。这是因为RAID6涉及计算额外的奇偶校验数据。对于使用大量大型硬盘进行数据存储的应用服务器来说，RAID6是正确的选择。

RAID5已经提供了一定程度的可靠性，然而也牺牲了一定的读取速度。特别是在RAID重构作业中，大量的数据读写操作增加硬盘的负担，旧的硬盘更容易发生故障。RAID5的局限性还表现在RAID5仅能在一块硬盘发生故障的情况下修复数据，如果2块硬盘同时发生故障，RAID5则无能为力。

以前，两块盘同时坏的情况是小概率事件，几乎不可能发生。但是近来随着光纤(FC)盘和SATA盘的容量和密度不断增加，使得RAID5的重建时间也不断增加。两块硬盘同时损坏的概率也大幅增加，在企业级存储上，这种风险必须得到重视。所以RAID6应需诞生了。

RAID6同RAID5最大的区别就是在RAID5的基础上除了具有P校验位以外，还加入了第2个校验位Q位。以RAID6(6D+1P+1Q)为例子，这个系统需要8块硬盘，其中6块用于存放数据，1块用于存放P校验位，1块用于存放Q校验位。
当然，得又一次强调，并非某个具体的独立的盘全部用来存放P校验信息，另外一个Q校验信息。而是对于某个位组(6个数据位+P位+Q位)来说，采用某种原则，6块盘上存放数据位，1块盘存放P位，1块盘用来存放Q位。

• 校验原理

P = D1 ⊕ D2 ⊕ D3
Q = GF(D1) ⊕ GF(D2) ⊕ GF(D3)

GF(D1):对D1位进行Galois Field变换。

当一块磁盘出现数据错误或者丢失的时候，恢复方法同RAID5，无须使用Q校验位。当两块磁盘上的数据出现错误或者丢失的时候，恢复方法为:利用上面给出的P，Q的生成公式，联立方程组，无论受损的数据是否包括P或者Q，总是能够解出损失的两位的数据。

RAID10

RAID10也被称为镜象阵列条带。像RAID0一样，数据跨磁盘抽取；像RAID1一样，每个磁盘都有一个镜象磁盘, 所以RAID10的另一种会说法是 RAID 0+1。
RAID10提供100%的数据冗余，支持更大的卷尺寸，但价格也相对较高。对大多数只要求具有冗余度而不必考虑价格的应用来说，RAID10提供最好的性能。
使用RAID10，可以获得更好的可靠性，因为即使两个物理驱动器发生故障（每个阵列中一个），数据仍然可以得到保护。RAID10需要4 + 2*N 个磁盘驱动器（N >=0)， 而且只能使用其中一半(或更小, 如果磁盘大小不一)的磁盘用量, 例如 4 个 250G 的硬盘使用RAID10 阵列， 实际容量是 500G

• 实现原理

RAID10其实结构非常简单，首先创建2个独立的RAID1，然后将这两个独立的RAID1组成一个RAID0，当往这个逻辑RAID中写数据时，数据被有序的写入两个RAID1中。磁盘1和磁盘2组成一个RAID1，磁盘3和磁盘4又组成另外一个RAID1;
这两个RAID1组成了一个新的RAID0。如写在硬盘1上的数据1、3、5、7，写在硬盘2中则为数据1、3、5、7，硬盘中的数据为0、2、4、6，硬盘4中的数据则为0、2、4、6，因此数据在这四个硬盘上组合成RAID10，且具有RAID0和RAID1两者的特性

虽然RAID10方案造成了50%的磁盘浪费，但是它提供了200%的速度和单磁盘损坏的数据安全性，并且当同时损坏的磁盘不在同一RAID1中，就能保证数据安全性。假如磁盘中的某一块盘坏了，整个逻辑磁盘仍能正常工作的。
当我们需要恢复RAID10中损坏的磁盘时，只需要更换新的硬盘，按照RAID10的工作原理来进行数据恢复，恢复数据过程中系统仍能正常工作。原先的数据会同步恢复到更换的硬盘中

磁盘空间利用率：50%。

读性能：N/2*单块硬盘的读性能

写性能：N/2*单块硬盘的写性能

冗余：只要一对镜像盘中有一块磁盘可以使用就没问题

RAID01

RAID10是先做镜象，然后再做条带。 RAID01则是先做条带，然后再做镜象。

以4块盘为例来介绍安全性方面的差别：
1、RAID10的情况 这种情况中，我们假设当DISK0损坏时，在剩下的3块盘中，只有当DISK1一个盘发生故障时，才会导致整个RAID失效，我们可简单计算故障率为1/3。
2、RAID01的情况 这种情况下，我们仍然假设DISK0损坏，这时左边的条带将无法读取。在剩下的3块盘中，只要DISK2，DISK3两个盘中任何一个损坏，都会导致整个RAID失效，我们可简单计算故障率为2/3。

因此RAID10比RAID01在安全性方面要强。从数据存储的逻辑位置来看，在正常的情况下RAID01和RAID10是完全一样的，而且每一个读写操作所产生的IO数量也是一样的，所以在读写性能上两者没什么区别。
而当有磁盘出现故障时，比如前面假设的DISK0损坏时，我们也可以发现，这两种情况下，在读的性能上面也将不同，RAID10的读性能将优于RAID01。