架构师不得不了解的硬件知识 - 磁盘阵列 RAID

概述

什么是 RAID：RAID （ Redundant Array of Independent Disks ）即独立磁盘冗余阵列，通常简称为磁盘阵列。简单地说， RAID 是由多个独立的高性能磁盘驱动器组成的磁盘子系统，从而提供比单个磁盘更高的存储性能和数据冗余的技术。
RAID 是一类多磁盘管理技术，其向主机环境提供了成本适中、数据可靠性高的高性能存储。

RAID 中主要有三个关键概念和技术：镜像（ Mirroring ）、数据条带（ Data Stripping ） 和 数据校验（ Data parity ）。

镜像：将数据复制到多个磁盘，一方面可以提高可靠性，另一方面可并发从两个或多个副本读取数据来提高读性能。显而易见，镜像的写性能要稍低， 确保数据正确地写到多个磁盘需要更多的时间消耗。

数据条带：将数据分片保存在多个不同的磁盘，多个数据分片共同组成一个完整数据副本，这与镜像的多个副本是不同的，它通常用于性能考虑。数据条带具有更高的并发粒度，当访问数据时，可以同时对位于不同磁盘上数据进行读写操作， 从而获得非常可观的 I/O 性能提升 。

数据校验：利用冗余数据进行数据错误检测和修复，冗余数据通常采用海明码、异或操作等算法来计算获得。利用校验功能，可以很大程度上提高磁盘阵列的可靠性、鲁棒性和容错能力。不过，数据校验需要从多处读取数据并进行计算和对比，会影响系统性能。 不同等级的 RAID 采用一个或多个以上的三种技术，来获得不同的数据可靠性、可用性和 I/O 性能。

对于系统需要采用何种模式的 RAID ，需要在深入理解系统需求的前提下进行合理选择，综合评估可靠性、性能和成本来进行折中的选择。

常见的 RAID 等级有：

• 标准 RAID
  RAID0 、 RAID1 、 RAID2 、 RAID3 、 RAID4 、 RAID5 、RAID6 七个等级定为标准的 RAID 等级
• 混合 RAID：
  RAID10、RAID50、RAID60...

下面我们分别介绍一下各种 RAID 级别并做个简单对比。

RAID0

使用 N 块磁盘进行组合实现性能翻 N 倍的效果，写入数据会分成 N 部分进行，读取数据会从磁盘中组合起来读，这样就实现了读写性能翻倍。
优点：
使用 RAID0 可以将磁盘空间利用率最大化，能达到 100%；性能快，磁盘越多性能越强。

缺点：
没有数据保护，甚至比单盘的风险还大。任意坏了一块磁盘都会导致数据丢失。

RAID 1

RAID 1 中的磁盘互为镜像，写入的数据会存放 N 份，读取的时候可以从任意一块磁盘读取。实现了读性能翻倍，写性能与单盘一样的效果。

优点：
安全性依照阵列中的实体硬盘数量倍数成长。

缺点：
空间利用率低，是所有阵列中利用率最低的。

RAID 5

RAID5 既考虑了空间利用率又考虑了性能的提升，采用校验码的而非镜像的方式组合而成，RAID5 阵列需要至少 3 块磁盘。
在上图中使用了 4 块磁盘组合而成，任意一份数据写入会被分成三个数据块 + 一个校验块分别放入 4 个盘，数据块与校验块之间交叉分布，最终每个盘上既有数据块又有校验块。读数据时 A 时从 Disk 0 ,1 ,2 分别读取到 A1，A2，A3 然后组合成 A；如果此时有一块磁盘比如 Disk2 损坏，则会通过读取到的 A1、A2+ 校验码算出 A3，再组合生成数据 A 对外提供。RAID 5 可以容忍一块盘的损坏。

优点：
读的情况下是单盘数据的三倍；有一定的安全性，可以容忍损坏一块磁盘
缺点：
由于每次写数据都需要计算校验块，导致写性能下降；仅能容忍坏一块磁盘损坏

RAID 6

RAID6 可以灵活设计数据库和校验块的比例，上图中被设计成 3 个数据块 +2 个校验块的组合，增加了数据可靠性。RAID 6 在备份的数据场景使用较多，提供的数据可靠性比 RAID 5 要高很多。

RAID 10

首先把两块盘做镜像，再按照 RAID0 的方式组合，既实现了数据的冗余又实现了性能翻倍的效果。RAID 1+0 多适用于数据库场景。

RAID 50

先做成 RAID5 的组再组合成 RAID0，兼顾 RAID5 和 RAID0 的特性。

RAID 60

先做成 RAID6 的组合再组合成 RAID0，兼顾 RAID6 和 RAID0 的特性。

各种组合之间的对比