RAID技术讲解-RAID0、RAID1、RAID3、RAID5、RAID6、RAID10对比

小渣渣

1.RAID概述

1988年美国加州大学伯克利分校的提出了RAID概念(RedundantArrayofInexpensiveDisks廉价冗余磁盘阵列)，随着磁盘成本的不断降低，RAID变成了(RedundantArrayofIndependentDisks独立磁盘冗余阵列)，但实质内容没有改变。SNIA、Berkeley等组织机构把RAID0~RAID6七个等级定为标准的RAID等级，标准RAID可以组合成其他RAID等级，而实际中使用最多的等级是RAID0、RAID1、RAID3、RAID5、RAID6和RAID10。RAID每一个等级代表一种实现方法和技术，等级之间并无高低之分。在实际应用中，应当根据用户的数据应用特点，综合考虑可用性、性能和成本来选择合适的RAID等级，以及具体的实现方式。

从实现角度看，RAID主要分为软RAID、硬RAID以及软硬混合RAID三种。软RAID所有功能均由操作系统和CPU来完成，效率自然最低。硬RAID配备了专门的RAID控制/处理芯片和I/O处理芯片以及阵列缓冲，不占用CPU资源，但成本很高。软硬混合RAID具备RAID控制/处理芯片，但缺乏I/O处理芯片，需要CPU和驱动程序来完成，性能和成本在软RAID和硬RAID之间。

2.基本原理

RAID是由多个独立的高性能磁盘驱动器组成的磁盘子系统，从而提供比单个磁盘更高的存储性能和数据冗余的技术。RAID是一类多磁盘管理技术，其向主机环境提供了成本适中、数据可靠性高的高性能存储。RAID的两个关键目标是提高数据可靠性和I/O性能。磁盘阵列中，数据分散在多个磁盘中，然而对于计算机系统来说，就像一个单独的磁盘。通过把相同数据同时写入到多块磁盘(典型地如镜像)，或者将计算的校验数据写入阵列中来获得冗余能力，当单块磁盘出现故障时可以保证不会导致数据丢失。

RAID中主要有三个关键概念和技术：镜像(Mirroring)、数据条带(DataStripping)和数据校验(Dataparity)：

镜像，将数据复制到多个磁盘，一方面可以提高可靠性，另一方面可并发从两个或多个副本读取数据来提高读性能。显而易见，镜像的写性能要稍低，确保数据正确地写到多个磁盘需要更多的时间消耗。
数据条带，将数据分片保存在多个不同的磁盘，多个数据分片共同组成一个完整数据副本，这与镜像的多个副本是不同的，它通常用于性能考虑。数据条带具有更高的并发粒度，当访问数据时，可以同时对位于不同磁盘上数据进行读写操作，从而获得非常可观的I/O性能提升。
数据校验，利用冗余数据进行数据错误检测和修复，冗余数据通常采用海明码、异或操作等算法来计算获得。利用校验功能，可以很大程度上提高磁盘阵列的可靠性、鲁棒性和容错能力。不过，数据校验需要从多处读取数据并进行计算和对比，会影响系统性能。
不同等级的RAID采用一个或多个以上的三种技术，来获得不同的数据可靠性、可用性和I/O性能。至于设计何种RAID(甚至新的等级或类型)或采用何种模式的RAID，需要在深入理解系统需求的前提下进行合理选择，综合评估可靠性、性能和成本来进行折中的选择。

总体说来，RAID主要优势有：大容量、高性能、可靠性、可管理性。

3.RAID等级

JBOD(JustaBunchOfDisks)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。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。可用存储容量等于所有成员磁盘的存储空间之和。

RAID0称为条带，是一种简单的、无数据校验的数据条带化技术。性能在所有RAID等级中是最高的。不提供任何形式的冗余策略。100%利用存储空间。

RAID1称为镜像，它将数据完全一致地分别写到工作磁盘和镜像磁盘，它的磁盘空间利用率为50%。数据写入时性能有所影响，但是读数据没有影响。提供了最佳的数据保护，一旦工作磁盘发生故障，系统自动从镜像磁盘读取数据，不会影响用户工作。

RAID2称为海明码磁盘阵列，其设计思想是利用海明码实现数据校验冗余。数据宽度越大，存储空间利用率越高，但同时需要的磁盘数量也越多。自身具备纠错能力，但是，海明码的数据冗余开销太大，数据重建非常耗时，因此RAID2在实际中很少应用。

RAID3称为专用奇偶校验条带，它采用一个专用的磁盘作为校验盘，其余磁盘作为数据盘，数据按位可字节的方式交叉存储到各个数据盘中。RAID3至少需要三块磁盘。

RAID4与RAID3的原理大致相同。提供了非常好的读性能，但写性能比较差。而且随着成员磁盘数量的增加，校验盘的系统瓶颈将更加突出。在实际应用中很少见，主流存储产品也很少使用RAID4保护。

RAID5称为分布奇偶校验条带，应该是目前最常见的RAID等级，原理与RAID4相似，但不存在RAID4中的并发写操作时的校验盘性能瓶颈问题。

RAID6称为双重奇偶校验条带，引入双重校验的概念解决其他RAID等级无法解决的两个磁盘同时发生故障数据完整性问题。但是，它的成本要高于RAID5许多，写性能也较差，且设计和实施非常复杂。因此RAID6很少得到实际应用，一般是替代RAID10方案的经济性选择。

标准RAID等级各有优势和不足。把多个RAID等级组合起来，实现优势互补，弥补相互的不足，从而达到在性能、数据安全性等指标上更高的RAID系统。当然，组合等级的实现成本一般都非常昂贵，只是在少数特定场合应用。实际得到较为广泛应用的只有RAID01和RAID10两个等级。

RAID01是先做条带化再作镜像，本质是对物理磁盘实现镜像；而RAID10是先做镜像再作条带化，是对虚拟磁盘实现镜像。相同的配置下，通常RAID01比RAID10具有更好的容错能力。RAID01兼备了RAID0和RAID1的优点，整体磁盘利用率均仅为50%。


4.主流RAID等级对比



RAID 配置

级别/说明	容错能力	优点	缺点
RAID 0 跨驱动器映射数据，以创建大型虚拟磁盘。由于每个物理磁盘只处理请求的一部分，因此可以提供更高的性能。但是，一个驱动器出现故障将导致虚拟磁盘 (VD) 无法访问，并且数据会永久丢失。	无	更卓越的性能 附加存储	不得用于关键数据
RAID 1 镜像数据，将数据冗余存储在两个驱动器上。如果一个磁盘出现故障，另一个磁盘将接替它作为主驱动器工作。	磁盘错误 单个磁盘故障	高读取性能 在发生驱动器故障后快速恢复 数据冗余	磁盘开销大 容量有限
RAID 5 跨驱动器映射数据，并将每个数据条带的奇偶校验位存储在 VD 中的不同驱动器上。奇偶校验位包含的信息，可在单个磁盘出现故障时，用于从其他磁盘重建故障磁盘的数据。	磁盘错误 单个磁盘故障	有效利用驱动器容量 高读取性能 中高写入性能	中等磁盘故障影响 由于重新计算奇偶校验，因而导致重建时间变长
RAID 6 跨驱动器映射数据，并将每个数据条带的奇偶校验位存储在 VD 中的不同驱动器上。与 RAID 5 不同，RAID 6 进行两次奇偶校验计算（P 和 Q），使其能够承受双磁盘故障。	数据冗余 高读取性能	磁盘错误 双磁盘故障	由于进行两次奇偶校验计算，因而导致写入性能降低 由于相当于将 2 个磁盘用于奇偶校验，因此会产生额外的成本
RAID 10 镜像集上的条带。磁盘开销大，但却是符合高性能、冗余以及发生驱动器故障时的快速恢复等需求的出色解决方案。	磁盘错误 每个镜像集一个磁盘故障	高读取性能 最大可支持具有 192 个驱动器的 RAID 组	成本最高
RAID 50 RAID 5 集上的条带。由于减少了每次奇偶校验计算的磁盘读取，因而可以通过 RAID 5 提升性能，提升幅度取决于配置。	磁盘错误 每个跨度一个磁盘故障	高读取性能 中高写入性能 最大可支持具有 192 个驱动器的 RAID 组	中等磁盘故障影响 由于重新计算奇偶校验，因而导致重建时间变长
RAID 60 RAID 6 集上的条带。由于减少了每次奇偶校验计算的磁盘读取，因而可以通过 RAID 6 提升性能，提升幅度取决于配置。	磁盘错误 每个跨度两个磁盘故障	高读取性能 最大可支持具有 192 个驱动器的 RAID 组	由于进行两次奇偶校验计算，因而导致写入性能降低 由于相当于将 2 个磁盘用于奇偶校验，因此会产生额外的成本

5.RAID 软硬件区别

软 RAID

软 RAID 没有专用的控制芯片和 I/O 芯片，完全由操作系统和 CPU 来实现所的 RAID 的功能。现代操作系统基本上都提供软 RAID 支持，通过在磁盘设备驱动程序上添加一个软件层，提供一个物理驱动器与逻辑驱动器之间的抽象层。目前，操作系统支持的最常见的 RAID 等级有 RAID0 、 RAID1 、 RAID10 、 RAID01 和 RAID5 等。比如， Windows Server 支持 RAID0 、 RAID1 和 RAID5 三种等级， Linux 支持 RAID0 、 RAID1 、 RAID4 、 RAID5 、 RAID6 等， Mac OS X Server 、 FreeBSD 、 NetBSD 、 OpenBSD 、 Solaris 等操作系统也都支持相应的 RAID 等级。

软 RAID 的配置管理和数据恢复都比较简单，但是 RAID 所有任务的处理完全由 CPU 来完成，如计算校验值，所以执行效率比较低下，这种方式需要消耗大量的运算资源，支持 RAID 模式 较少，很难广泛应用。

软 RAID 由操作系统来实现，因此系统所在分区不能作为 RAID 的逻辑成员磁盘，软 RAID 不能保护系统盘 D 。对于部分操作系统而言， RAID 的配置信息保存在系统信息中，而不是单独以文件形式保存在磁盘上。这样当系统意外崩溃而需要重新安装时， RAID 信息就会丢失。另外，磁盘的容错技术并不等于完全支持在线更换、热插拔或热交换，能否支持错误磁盘的热交换与操作系统实现相关，有的操作系统热交换。

硬 RAID

硬 RAID 拥有自己的 RAID 控制处理与 I/O 处理芯片，甚至还有阵列缓冲，对 CPU 的占用率和整体性能是三类实现中最优的，但实现成本也最高的。硬 RAID 通常都支持热交换技术，在系统运行下更换故障磁盘。

硬 RAID 包含 RAID 卡和主板上集成的 RAID 芯片， 服务器平台多采用 RAID 卡。 RAID 卡由 RAID 核心处理芯片（ RAID 卡上的 CPU ）、端口、缓存和电池 4 部分组成。其中，端口是指 RAID 卡支持的磁盘接口类型，如 IDE/ATA 、 SCSI 、 SATA 、 SAS 、 FC 等接口。

软硬混合 RAID

软 RAID 性能欠佳，而且不能保护系统分区，因此很难应用于桌面系统。而硬 RAID 成本非常昂贵，不同 RAID 相互独立，不具互操作性。因此，人们采取软件与硬件结合的方式来实现 RAID ，从而获得在性能和成本上的一个折中，即较高的性价比。

这种 RAID 虽然采用了处理控制芯片，但是为了节省成本，芯片往往比较廉价且处理能力较弱， RAID 的任务处理大部分还是通过固件驱动程序由 CPU 来完成。


6.RAID应用选择

RAID等级的选择主要有三个因素：数据可用性、I/O性能、成本。如果不要求可用性，选择RAID0以获得高性能。如果可用性和性能是重要的，而成本不是一个主要因素，则根据磁盘数量选择RAID1。如果可用性，成本和性能都同样重要，则根据一般的数据传输和磁盘数量选择RAID3或RAID5。在实际应用中，应当根据用户的数据应用特点和具体情况，综合考虑可用性、性能和成本来选择合适的RAID等级。

小渣渣

帮我选择：RAID 配置 https://www.dell.com/zh-cn/work/ ... -raid-configuration