程序员需要知道的RAID基本原理

引言

RAID,全称为redundant array of independent disks,是目前商用服务器常见的磁盘管理技术。作为软件开发人员,需要了解各级RAID的特性,以便根据需求做出做合适的选择。本文总结了常见的RAID级别的特性,包括如下内容:

  • RAID的基本作用
  • 各级RAID的基本原理

RAID的基本作用

RAID的一般有如下作用

  • 数据冗余
  • 性能提升

数据冗余是指把数据的校验信息存放在冗余的磁盘中,在某些磁盘数据损坏时,能从其他未损坏的磁盘中,重新构建数据。

性能提升是指RAID能把多块独立的磁盘组成磁盘阵列,通过把数据切成分片的方式,使得读/写数据能走多块磁盘,从而提升性能。

各级RAID的基本原理

根据RAID的冗余信息程度,切分数据的方式等不同,可以把RAID分成不同的级别,分别是

  • RAID0
  • RAID1
  • RAID2
  • RAID3
  • RAID4
  • RAID5
  • RAID6

接下来就讨论这些RAID级别的基本原理。

RAID0的基本原理

RAID0设计的目标是为了提升读写性能,但并不带数据冗余信息。

RAID0

如上图,RAID0会把数据切成块,分别存储在N个磁盘上。当读数据时,如果要读的数据块比较大,分布在多次磁盘上,那么能同时从多块盘读数据;当写数据时,如果要写的数据块比较大,分布式在多块磁盘上,那么同时能从多块盘写数据。

因为数据分布在多块盘上,当某块磁盘损坏时,整个RAID系统就不可用了。因此,N块盘的RAID0的特性如下:

  • 读性能最好情况下是单块盘的N倍
  • 写性能最好情况下是单块盘的N倍
  • 空间利用率为100%
  • 不具有冗余信息,任何一块磁盘损坏,整个RAID不可用

RAID1的基本原理

RAID1的设计目标是为每份数据都提供一份或多份冗余数据,其结构如下:

RAID1

如上图,RAID1中一个磁盘都有一个或多个冗余的镜像盘,所有磁盘的数据是一模一样的。RAID1读数据时,可以利用所有数据盘的带宽;写数据时,要同时写入数据盘和镜像盘,因此,需要等待最慢的磁盘写完成,写操作才完成,因此,写性能跟最慢的磁盘相当。N块盘的RAID1的特性如下:

  • 读性能最好情况下是原来的N倍
  • 写性能跟最慢的磁盘相当
  • 空间利用率1/N
  • N块盘,坏掉N-1块,RAID还能正常使用

RAID2的基本原理

RAID2的设计目标是在RAID0级别的基础上,加了海明纠错码。

RAID2

如上图,前面四个盘是数据盘,后面三个盘是纠错码。RAID2读数据时,能同时使用多个数据盘的带宽;RAID2写数据时,除了写数据盘,还需要写校验盘,写性能会有下降。因此,N块盘的RAID2的特性如下:

  • 读性能不到原来的N倍,因为还有一部分是校验盘
  • 写性能会有下降,因为每次都要写校验盘,受限于校验盘的数量
  • 空间利用率小于100%,因为海明纠错码需要的冗余盘一般比数据盘的数量少
  • 根据海明纠错码位数的不同,能容忍的坏盘数不同,具体信息可以参考海明码

RAID3的基本原理

RAID3是把数据按照字节分别存在不同的磁盘中,并且最后一个磁盘提供纠错冗余,其结构如下:

RAID3

如上图,由于按照字节切分数据,读数据时,一定会同时从多个盘读数据,可以利用所有数据盘的带宽;写数据时,也会利用所有磁盘的带宽,但所有的写校验数据都会在一个盘,因此,写性能主要受限于校验盘。N快盘的RAID3的特性如下:

  • 读性能是N-1倍,其中一块盘是校验盘
  • 写性能受限于校验盘的写性能
  • 空间利用率为(N-1)/N
  • 坏掉一块盘,RAID还能正常工作

RAID4

RAID4是把数据按照分块分别存在不同的磁盘中,并且最后一个磁盘提供纠错冗余,其结构如下:

RAID4

如上图,读数据时,当数据分布在多块盘时,能够利用多块数据盘的带宽;写数据时,如果数据分布在多快盘时,能利用所有磁盘带宽,但写校验数据只能在一块盘上,因此,写性能主要受限于校验盘。N块盘的RAID4的特性如下:

  • 读性能是N-1倍,其中一块盘是校验盘
  • 写性能受限于校验盘的写性能
  • 空间利用率为(N-1)/N
  • 坏掉一块盘,RAID还能正常工作

RAID5

RAID5是把数据块按照分块分别存在不同的磁盘中,并且冗余信息也会分块分布在多块磁盘中,其结构如下:

RAID5

如上图,读数据时,当数据分布在多块盘时,能够利用多块数据盘的带宽;写数据时,如果数据分布在多块盘时,能利用所有数据盘带宽,同时写校验数据也分散在多块盘上,但因为要额外写入校验数据,因此,写数据的性能略微有所下降。N块盘的RAID5的特性如下:

  • 读性能是N倍
  • 写性能略微弱于RAID0
  • 空间利用率为(N-1)/N
  • 坏掉一块盘,RAID还能正常工作

RAID6

RAID6是把数据块按照分块分别存在不同的磁盘中,并且冗余信息为两份奇偶校验码,分布在多块磁盘中,其结构如下:

RAID6

如上图,读数据时,当数据分布在多块盘时,能够利用多块数据盘的带宽;写数据时,如果数据分布在多块盘时,能利用多块数据盘带宽,同时写校验数据也分散在多块盘中,但因为要额外写入两份校验数据,因此,写数据的性能要略微下降。N块盘的RAID6的特性如下:

  • 读性能是N倍
  • 写性能略微弱于RAID0
  • 空间利用率为(N-2)/N
  • 坏掉两块盘,RAID还能正常工作

各级RAID的对比

RAID级别 读性能 写性能 空间利用率 最大能容忍的坏盘数
RAID0 单块盘的N倍 单块盘的N倍 100% 0
RAID1 单块盘的N倍 最慢磁盘的性能 1/N N-1
RAID2 不到单块盘的N倍 单盘的写入速度 * 校验盘的数量 不到100% 取决于海明纠错码位数
RAID3 单块盘的N-1倍 校验盘的写入速度 (N-1)/N 1
RAID4 单块盘的N-1倍 校验盘的写入速度 (N-1)/N 1
RAID5 单块盘的N倍 略微弱于单块盘的N倍 (N-1)/N 1
RAID6 单块盘的N倍 略微弱于单块盘的N倍,差于RAID5 (N-2)/N 2

一般地,RAID0容忍的坏盘数为0,风险太大,一般不常用;RAID1的信息冗余量很多,适合于对信息安全要求很高并且预算充足的场景;RAID2的控制器比较复杂,一般不常用;RAID3和RAID4由于其写入性能差,也不常用;RAID5由于读写性能、能容忍的坏盘数都比较均衡,因此,一般工业界经常使用的是RAID5;RAID6对于坏盘数容忍度较高,适合于对信息安全比较高的场景。

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