RAID知识总结

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RAID知识总结

RAID0定义

RAID 0又称为Stripe或Striping，它代表了所有RAID级别中最高的存储性能。RAID 0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。

说明: 来自AI创作的概念图

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RAID 0，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。
• RAID 0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。

总结：

• 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。

RAID 1定义

RAID 1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RAID 1可以提高读取性能。RAID 1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。

总结：

• 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。

RAID 5定义

RAID 5是RAID 0和RAID 1的折中方案。RAID 5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RAID 1高，存储成本相对较低，是目前运用较多的一种解决方案。

RAID 5是一种磁盘阵列配置，旨在提供数据冗余和提高性能。在RAID 5配置中，数据和奇偶校验信息被分散存储在三个或更多的硬盘上。这种配置允许系统在一个硬盘失败时，仍然能够重建丢失的数据，保证数据的安全性。下面是对绘制的RAID 5概念图的简要说明：

硬盘排列：图中展示了三个水平排列的硬盘，分别标记为"1"、"2"和"3"。这代表了RAID 5阵列中的物理硬盘。

数据分布：为了简化展示，图中使用实线箭头表示数据的流动。这些箭头展示了数据是如何被分割（条带化）并跨所有硬盘平均分布的。这种条带化机制允许并行处理数据，从而提高读写性能。

奇偶校验信息：图中使用虚线箭头表示奇偶校验信息的流动。奇偶校验信息是一种特殊的数据，用于在硬盘故障时重建丢失的数据。在RAID 5中，奇偶校验信息也是跨所有硬盘分布的，而不是存储在任何单一硬盘上。

冗余和性能：图底部的简短说明指出，"RAID 5在所有硬盘中分布数据和奇偶校验信息。它确保了在单个硬盘故障的情况下可以恢复数据，优化了安全性和性能。"这说明了RAID 5如何通过结合数据条带化和分布式奇偶校验来实现其目标。

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raid 5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，Raid 5 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。

优缺点

优点

1. 改善性能：RAID 5通过在多个硬盘上并行读写数据来提高性能，尤其是在读取操作中表现突出。
2. 数据保护：由于奇偶校验信息的存在，如果一个硬盘失败，可以使用剩余硬盘上的数据和奇偶校验信息重建丢失的数据。
3. 成本效益：与其他提供相似级别数据保护的RAID级别相比，RAID 5在硬盘使用效率和成本方面较为经济，因为它只需要牺牲一个硬盘的容量用于存储奇偶校验信息。
4. 热交换支持：多数RAID 5配置支持热交换，意味着可以在不关闭系统的情况下更换故障硬盘。

缺点

1. 写入性能影响：每次写入操作都需要更新奇偶校验信息，这可能会导致相对较慢的写入性能，尤其是在高负载情况下。
2. 重建时间较长：在一个硬盘失败后，重建数据到新硬盘上需要较长时间，这期间系统可能会处于降低性能的状态，并且如果在重建过程中有另一个硬盘失败，那么所有数据都会丢失。
3. 复杂的管理：与简单的RAID级别相比，RAID 5需要更复杂的管理和配置。
4. 对控制器的依赖：RAID 5通常需要专用的RAID控制器来管理奇偶校验信息和条带化数据，这增加了系统的复杂性和成本。

总结：

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

冗余：只允许一块磁盘损坏。

RAID10定义：

RAID10也被称为镜象阵列条带。象RAID0一样，数据跨磁盘抽取；象RAID1一样，每个磁盘都有一个镜象磁盘, 所以RAID 10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。

优缺点

优点

1. 高性能：RAID 10提供了优秀的读写性能，因为数据被条带化存储在多个镜像对中，允许高度并行的数据访问。
2. 数据冗余：由于使用了镜像，RAID 10在任何一个镜像对中的一块硬盘失败时都能保证数据的安全。只要每对镜像中至少有一块硬盘正常，数据就不会丢失。
3. 快速恢复：在硬盘出现故障时，系统可以直接从镜像硬盘读取数据，而不需要经过复杂的重建过程，这意味着恢复时间快。
4. 适用于关键应用：由于其高性能和数据安全性，RAID 10非常适合数据库和其他需要高速读写以及数据保护的关键应用。

缺点

1. 成本较高：RAID 10要求至少四块硬盘，并且只有总容量的50%用于数据存储，其余50%用于镜像，这使得成本相对较高。
2. 存储效率低：与其他RAID级别相比，RAID 10牺牲了大量的存储空间来获得冗余和性能，这意味着其存储效率较低。
3. 可扩展性有限：扩展RAID 10阵列通常需要同时添加两块硬盘（一对），这可能会限制灵活性和扩展性。

总结：

• 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。

其他RAID级别补充

1. RAID 2：使用汉明码进行错误校正。它几乎不在现代系统中使用，因为它的设计对于大多数应用场景来说过于复杂且不经济。
2. RAID 3：使用字节级条带化，并且有一个专门的硬盘用于存储奇偶校验信息。这个级别在现代存储系统中很少使用，因为它的设计不适合一般的工作负载。
3. RAID 4：使用块级条带化，并且有一个专门的硬盘用于存储奇偶校验信息。与RAID 3相比，它在处理大块数据时表现更好，但由于奇偶校验磁盘可能成为瓶颈，因此在现代存储系统中也不常见。
4. RAID 6：与RAID 5类似，但它使用两个奇偶校验块而不是一个，能够容忍两个硬盘同时故障。这提供了更高的数据安全性，但也导致写入性能的降低和存储效率的进一步降低。
5. RAID 50 (5+0)：将多个RAID 5阵列条带化。它提供了RAID 5的冗余和改善性能的优点，同时通过将数据分布在更多的硬盘上来提高容错能力和性能。
6. RAID 60 (6+0)：将多个RAID 6阵列条带化。它结合了RAID 6的高冗余和RAID 0的高性能，适用于需要极高数据安全性和性能的场景。

适用场景

RAID（冗余阵列的独立磁盘）技术通过组合多个磁盘驱动器的性能和容量来增强数据存储系统的可靠性和速度。不同的RAID级别针对不同的需求和应用场景提供了多样化的解决方案。下面是各种常见RAID级别的概述和它们适用的使用场景：

RAID 0 (条带化)

• 适用场景：高性能计算环境，视频编辑和大型数据库操作，其中数据冗余不是主要关注点。
• 特点：提供最高的性能，但不提供数据冗余。

RAID 1 (镜像)

• 适用场景：需要数据冗余的关键应用，如文件服务器和个人数据备份。
• 特点：提供数据冗余，读取性能良好，但成本较高。

RAID 5 (带奇偶校验的条带化)

• 适用场景：企业数据库、文件服务器和应用服务器，需要平衡性能和数据冗余。
• 特点：提供数据冗余和较好的读写性能，但写入性能受到奇偶校验计算的影响。

RAID 6 (双奇偶校验的条带化)

• 适用场景：高容量存储系统，如数据中心和存档解决方案，需要在单个阵列中容忍两个硬盘故障。
• 特点：类似于RAID 5，但提供更高的数据冗余，牺牲一定的写入性能和存储效率。

RAID 10 (镜像+条带化)

• 适用场景：高性能数据库服务器、高交易量应用和任何需要高性能及数据冗余的环境。
• 特点：结合了RAID 1的数据冗余和RAID 0的高性能。

RAID 50 (RAID 5+0)

• 适用场景：大型数据库系统和需要大规模数据处理能力及较高数据冗余的应用。
• 特点：结合了RAID 5的数据保护和RAID 0的性能优势，提供了更好的错误恢复和容量利用率。

RAID 2, RAID 3, RAID 4

• 这些级别在现代存储解决方案中很少使用，因为它们要么设计复杂（如RAID 2），要么在性能或成本效益上不如其他更常见的RAID配置（如RAID 3和RAID 4）。它们主要是历史意义上的重要里程碑，为现代RAID技术的发展提供了基础。