Active存储知识:关于Raid0,Raid1,Raid5,Raid10的技术解析

1月13日 10:24

RAID 概述

1988 年美国加州大学伯克利分校的 D. A. Patterson 教授等首次在论文 “A Case of Redundant Array of Inexpensive Disks” 中提出了 RAID 概念 [1] ,即廉价冗余磁盘阵列( Redundant Array of Inexpensive Disks )。由于当时大容量磁盘比较昂贵, RAID 的基本思想是将多个容量较小、相对廉价的磁盘进行有机组合,从而以较低的成本获得与昂贵大容量磁盘相当的容量、性能、可靠性。随着磁盘成本和价格的不断降低, RAID 可以使用大部分的磁盘, “廉价” 已经毫无意义。因此, RAID 咨询委员会( RAID Advisory Board, RAB )决定用 “ 独立 ” 替代 “ 廉价 ” ,于时 RAID 变成了独立磁盘冗余阵列( Redundant Array of Independent Disks )。但这仅仅是名称的变化,实质内容没有改变。

RAID 这种设计思想很快被业界接纳, RAID 技术作为高性能、高可靠的存储技术,已经得到了非常广泛的应用。 RAID 主要利用数据条带、镜像和数据校验技术来获取高性能、可靠性、容错能力和扩展性,根据运用或组合运用这三种技术的策略和架构,可以把 RAID 分为不同的等级,以满足不同数据应用的需求。 D. A. Patterson 等的论文中定义了 RAID1 ~ RAID5 原始 RAID 等级, 1988 年以来又扩展了 RAID0 和 RAID6 。近年来,存储厂商不断推出诸如 RAID7 、 RAID10/01 、 RAID50 、 RAID53 、 RAID100 等 RAID 等级,但这些并无统一的标准。目前业界公认的标准是 RAID0 ~ RAID5 ,除 RAID2 外的四个等级被定为工业标准,而在实际应用领域中使用最多的 RAID 等级是 RAID0 、 RAID1 、 RAID3 、 RAID5 、 RAID6 和 RAID10。

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 所有功能均有操作系统和 CPU 来完成,没有独立的 RAID 控制 / 处理芯片和 I/O 处理芯片,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。

​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。

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。

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。


2

RAID1

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。


3

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。

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。


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(这点不是很明白,不是可以并行写入么?)

冗余:只允许一块磁盘损坏。


4

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。

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。

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