RAID技术详解 – RAID0、RAID1、RAID5、RAID10和RAID01

概述

关于raid方面的内容很容易混淆,下面用几张图来帮助大家理解RAID0、RAID1、RAID5、RAID10之间的一些区别和联系。


1、常见的RAID级别介绍

1.1 RAID0 等级

Striped Disk Array without Fault Tolerance( 没有容错设计的条带磁盘阵列)

RAID0 是一种简单的、无数据校验的数据条带化技术。实际上不是一种真正的 RAID ,因为它并不提供任何形式的冗余策略。 RAID0 将所在磁盘条带化后组成大容量的存储空间(如图所示),将数据分散存储在所有磁盘中,以独立访问方式实现多块磁盘的并读访问。由于可以并发执行 I/O 操作,总线带宽得到充分利用。再加上不需要进行数据校验,RAID0 的性能在所有 RAID 等级中是最高的。理论上讲,一个由 n 块磁盘组成的 RAID0 ,它的读写性能是单个磁盘性能的 n 倍,但由于总线带宽等多种因素的限制,实际的性能提升低于理论值。

RAID0 具有低成本、高读写性能、 100% 的高存储空间利用率等优点,但是它不提供数据冗余保护,一旦数据损坏,将无法恢复。 因此, RAID0 一般适用于对性能要求严格但对数据安全性和可靠性不高的应用,如视频、音频存储、临时数据缓存空间等。

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无冗错的数据条带

1.2 RAID1 等级

Mirroring and Duplexing (相互镜像)

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% 。 RAID1 在数据写入时,响应时间会有所影响,但是读数据的时候没有影响。 RAID1 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。

RAID1 与 RAID0 刚好相反,是为了增强数据安全性使两块 磁盘数据呈现完全镜像,从而达到安全性好、技术简单、管理方便。 RAID1 拥有完全容错的能力,但实现成本高。 RAID1 应用于对顺序读写性能要求高以及对数据保护极为重视的应用,如对邮件系统的数据保护。

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无校验的相互镜像

1.3 RAID5 等级

Independent Data disks with distributed parity blocks (独立的数据磁盘与分布式校验块)

RAID5 应该是目前最常见的 RAID 等级,它的原理与 RAID4 相似,区别在于校验数据分布在阵列中的所有磁盘上,而没有采用专门的校验磁盘。对于数据和校验数据,它们的写操作可以同时发生在完全不同的磁盘上。因此, RAID5 不存在 RAID4 中的并发写操作时的校验盘性能瓶颈问题。另外, RAID5 还具备很好的扩展性。当阵列磁盘 数量增加时,并行操作量的能力也随之增长,可比 RAID4 支持更多的磁盘,从而拥有更高的容量以及更高的性能。

RAID5 的磁盘上同时存储数据和校验数据,数据块和对应的校验信息存保存在不同的磁盘上,当一个数据盘损坏时,系统可以根据同一条带的其他数据块和对应的校验数据来重建损坏的数据。与其他 RAID 等级一样,重建数据时, RAID5 的性能会受到较大的影响。

RAID5 兼顾存储性能、数据安全和存储成本等各方面因素,它可以理解为 RAID0 和 RAID1 的折中方案,是目前综合性能最佳的数据保护解决方案。 RAID5 基本上可以满足大部分的存储应用需求,数据中心大多采用它作为应用数据的保护方案。

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带分散校验的数据条带

1.4 RAID10和RAID01 等级

Very High Reliability combined with High Performance (高可靠性与高性能的组合)

RAID10是先做镜象,然后再做条带。

RAID01是先做条带,然后再做镜象。

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,它先用两块磁盘建立镜像,然后再在镜像内部做条带化。 RAID01 的数据将同时写入到两个磁盘阵列中,如果其中一个阵列损坏,仍可继续工作,保证数据安全性的同时又提高了性能。 RAID01 和 RAID10 内部都含有 RAID1 模式,因此整体磁盘利用率均仅为 50% 。

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RAID 10模型

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RAID 01模型


2、关键技术

2.1 镜像

镜像是一种冗余技术,为磁盘提供保护功能,防止磁盘发生故障而造成数据丢失。对于 RAID 而言,采用镜像技术 典型地 将会同时在阵列中产生两个完全相同的数据副本,分布在两个不同的磁盘驱动器组上。镜像提供了完全的数据冗余能力,当一个数据副本失效不可用时,外部系统仍可正常访问另一副本,不会对应用系统运行和性能产生影响。而且,镜像不需要额外的计算和校验,故障修复非常快,直接复制即可。镜像技术可以从多个副本进行并发读取数据,提供更高的读 I/O 性能,但不能并行写数据,写多个副本会会导致一定的 I/O 性能降低。

镜像技术提供了非常高的数据安全性,其代价也是非常昂贵的,需要至少双倍的存储空间。高成本限制了镜像的广泛应用,主要应用于至关重要的数据保护,这种场合下数据丢失会造成巨大的损失。另外,镜像通过“ 拆分 ”能获得特定时间点的上数据快照,从而可以实现一种备份窗口几乎为零的数据备份技术。

2.2 数据条带

磁盘存储的性能瓶颈在于磁头寻道定位,它是一种慢速机械运动,无法与高速的 CPU 匹配。再者,单个磁盘驱动器性能存在物理极限, I/O 性能非常有限。 RAID 由多块磁盘组成,数据条带技术将数据以块的方式分布存储在多个磁盘中,从而可以对数据进行并发处理。这样写入和读取数据就可以在多个磁盘上同时进行,并发产生非常高的聚合 I/O ,有效提高了整体 I/O 性能,而且具有良好的线性扩展性。这对大容量数据尤其显著,如果不分块,数据只能按顺序存储在磁盘阵列的磁盘上,需要时再按顺序读取。而通过条带技术,可获得数倍与顺序访问的性能提升。

数据条带技术的分块大小选择非常关键。条带粒度可以是一个字节至几 KB 大小,分块越小,并行处理能力就越强,数据存取速度就越高,但同时就会增加块存取的随机性和块寻址时间。实际应用中,要根据数据特征和需求来选择合适的分块大小,在数据存取随机性和并发处理能力之间进行平衡,以争取尽可能高的整体性能。

数据条带是基于提高 I/O 性能而提出的,也就是说它只关注性能, 而对数据可靠性、可用性没有任何改善。实际上,其中任何一个数据条带损坏都会导致整个数据不可用,采用数据条带技术反而增加了数据发生丢失的概念率。

2.3 数据校验

镜像具有高安全性、高读性能,但冗余开销太昂贵。数据条带通过并发性来大幅提高性能,然而对数据安全性、可靠性未作考虑。数据校验是一种冗余技术,它用校验数据来提供数据的安全,可以检测数据错误,并在能力允许的前提下进行数据重构。相对镜像,数据校验大幅缩减了冗余开销,用较小的代价换取了极佳的数据完整性和可靠性。数据条带技术提供高性能,数据校验提供数据安全性, RAID 不同等级往往同时结合使用这两种技术。

采用数据校验时, RAID 要在写入数据同时进行校验计算,并将得到的校验数据存储在 RAID 成员磁盘中。校验数据可以集中保存在某个磁盘或分散存储在多个不同磁盘中,甚至校验数据也可以分块,不同 RAID 等级实现各不相同。当其中一部分数据出错时,就可以对剩余数据和校验数据进行反校验计算重建丢失的数据。校验技术相对于镜像技术的优势在于节省大量开销,但由于每次数据读写都要进行大量的校验运算,对计算机的运算速度要求很高,必须使用硬件 RAID 控制器。在数据重建恢复方面,检验技术比镜像技术复杂得多且慢得多。

海明校验码和 异或校验是两种最为常用的 数据校验算法。海明校验码是由理查德.海明提出的,不仅能检测错误,还能给出错误位置并自动纠正。海明校验的基本思想是:将有效信息按照某种规律分成若干组,对每一个组作奇偶测试并安排一个校验位,从而能提供多位检错信息,以定位错误点并纠正。可见海明校验实质上是一种多重奇偶校验。异或校验通过异或逻辑运算产生,将一个有效信息与一个给定的初始值进行异或运算,会得到校验信息。如果有效信息出现错误,通过校验信息与初始值的异或运算能还原正确的有效信息。


3、RAID 应用选择

RAID 等级的选择主要有三个因素,即数据可用性、 I/O 性能和成本。 目前,在实际应用中常见的主流 RAID 等级是 RAID0 , RAID1 , RAID3 , RAID5 , RAID6 和 RAID10 ,它们之间的技术对比情况如表 1 所示。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。

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主流RAID等级对比

用户选择 RAID 的原则是:在成本预算内,满足数据存储需求的前提下,选择最优的存储厂商解决方案。因此,首先用户需要对存储需求作深入的调研和分析,并给出成本预算,然后对众多存储厂商的解决方案进行分析和对比,最后选择出一个综合最优的存储方案。其中,存储产品的扩展性和存储厂家的售后服务需要重点考察,存储需求(如容量、性能)可能会不断升级,存储产品发生故障后的维修和支持保障,这些都要未雨先缪。


篇幅有限,关于raid方面的内容就介绍到这了,大家可以做个基本了解,其中的一些区别和原理,然后什么时候用RAID5,什么时候用RAID10有个底就可以了。

后面会分享更多运维方面的内容,感兴趣的朋友可以关注下!!

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