RAID notes

标题：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。

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：

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。

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：

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：

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：

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：

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。

本文来源：
http://oserror.com/backend/raid-principle/