从RAID 0到RAID 10：全面解析RAID技术与应用

🐇明明跟你说过：个人主页

🏅个人专栏：《Linux ：从菜鸟到飞鸟的逆袭》🏅

🔖行路有良友，便是天堂🔖

一、前言

1、磁盘阵列简介

2、磁盘阵列诞生背景

3、硬件RAID与软件RAID

二、硬件RAID的组成部分

1、RAID控制器

2、磁盘驱动器

3、连接线缆

三、RAID级别详解

1、RAID 0（条带化）

2、RAID 1（镜像）

3、RAID 5（分布式奇偶校验）

4、RAID 6（双重分布式奇偶校验）

5、RAID 10（条带化镜像）

一、前言

1、磁盘阵列简介

磁盘阵列（Redundant Arrays of Independent Disks，RAID），也称为独立磁盘冗余阵列，是由多个独立的磁盘组合成一个容量巨大的磁盘组，通过利用个别磁盘提供数据所产生的加成效果来提升整个磁盘系统的效能。磁盘阵列的主要功能包括提高计算机读写数据的速度、实现对数据的冗余保护及保证数据存储的可靠性。

磁盘阵列的工作原理是将数据切割成许多区段，分别存放在各个硬盘上。当数组中任意一个硬盘发生故障时，由于磁盘阵列采用了同位检查（Parity Check）的观念，它仍可以读出数据。在数据重构时，磁盘阵列还可以将数据经计算后重新置入新硬盘中。

磁盘阵列的样式有三种：一是外接式磁盘阵列柜，这种设备通常用于大型服务器，具有热抽换（Hot Swap）的特性，但价格较贵；二是内接式磁盘阵列卡，价格相对便宜，但需要较高的安装技术，适合技术人员使用；三是利用软件来仿真的磁盘阵列。

2、磁盘阵列诞生背景

磁盘阵列（Disc Array）技术，也称为RAID（Redundant Arrays of Independent Disks，独立磁盘冗余阵列）技术，其诞生背景主要源于早期的电脑硬件环境。

在电脑发展的初期，硬盘的容量相对较小，而大容量硬盘的价格又十分昂贵。具体来说，一个大容量硬盘的价格要比几块小容量硬盘合起来的价格总和要贵许多。基于这种经济考虑，一些电脑技术人员开始思考，是否可以利用几块小容量硬盘组合起来，形成一个与大硬盘相同容量的存储系统，从而节省硬盘费用。

在这种节省费用的初衷思维引导下，RAID（磁盘阵列）技术应运而生。RAID技术通过将多个小容量硬盘连接在一起协同工作，大大提高了数据存储的速度和容量，同时增强了数据的安全性，如提供了容错能力，使得数据丢失的风险大大降低。

3、硬件RAID与软件RAID

RAID技术通常分为硬件RAID和软件RAID两种类型，它们各有优缺点，适用于不同的应用场景。

硬件RAID：

基于专用RAID控制器：硬件RAID依赖于专门的RAID控制器，该控制器位于独立于主机CPU的物理硬件设备中。
性能较好：由于RAID控制器通常具有自己的处理器和缓存，因此硬件RAID通常具有较好的性能。
独立于操作系统：硬件RAID对操作系统透明，因此对操作系统的版本、类型等没有太多要求，且可以支持多种操作系统。
易于管理：硬件RAID通常提供了易于使用的管理界面，可以通过简单的操作完成RAID配置和监控。
成本较高：硬件RAID需要专门的RAID控制器，因此成本相对较高。

软件RAID：

依赖于主机CPU：软件RAID是依赖于主机的CPU来执行RAID计算，通常不需要额外的硬件设备。
性能可能较低：由于软件RAID需要主机CPU执行RAID计算，因此可能会对系统的性能产生一定的影响，特别是在负载较高的情况下。
适用于小规模部署：软件RAID通常适用于小规模部署，如个人计算机或小型服务器，而不是大规模的企业级部署。
灵活性高：软件RAID可以根据需要在几乎任何操作系统上使用，并且可以很容易地添加、删除或重新配置磁盘。
成本较低：由于软件RAID不需要额外的硬件设备，因此成本相对较低。

二、硬件RAID的组成部分

1、RAID控制器

硬件RAID的主要组成部分之一是RAID控制器。RAID控制器是一种专用的硬件设备，负责管理RAID阵列的创建、维护和操作。

它通常包含以下几个关键组件和功能：

RAID卡：RAID控制器通常是一块独立的PCIe扩展卡，安装在计算机的主板上。这些卡可以有不同的接口类型，如SAS（串行附加存储）、SATA（串行ATA）或NVMe（非易失性内存表达式）等。
处理器：RAID控制器通常集成了一颗或多颗专门的处理器，用于执行RAID计算、数据传输和磁盘管理等任务。
缓存：大多数RAID控制器都具有内置的缓存，用于存储磁盘操作中的临时数据。缓存可以提高RAID性能，并且通常包括DRAM（动态随机存取存储器）或NVRAM（非易失性随机存取存储器）等。
RAID算法：RAID控制器内部包含了一些RAID级别的实现算法，用于计算和执行数据的分布、条带化、校验和重建等操作。
管理界面：RAID控制器通常具有一个管理界面，可以通过此界面对RAID阵列进行配置、监控和管理。这些管理界面可以是通过BIOS设置、Web界面、命令行界面或专门的管理软件进行访问和操作的。
其他功能：一些高端的RAID控制器可能还具有额外的功能，如热插拔支持、磁盘加密、硬件故障预警和远程管理等。

2、磁盘驱动器

硬件RAID的另一个重要组成部分是磁盘驱动器，它们是存储数据的物理设备。在硬件RAID中，磁盘驱动器被组合成RAID阵列，以提供数据的冗余性、性能或容量扩展。

以下是硬件RAID中常见的磁盘驱动器类型：

数据磁盘驱动器：数据磁盘驱动器是用于存储用户数据的主要设备。它们可以是传统的机械硬盘驱动器（HDD）或更快速的固态硬盘驱动器（SSD）。数据磁盘驱动器通常被组合成RAID阵列的成员，以提供数据存储、读取和写入操作的性能和容量。
冗余磁盘驱动器：冗余磁盘驱动器用于存储RAID阵列的冗余数据，以提供数据的冗余性和容错能力。在常见的RAID级别中，如RAID 1、RAID 5和RAID 6中，冗余磁盘驱动器用于存储数据的副本、奇偶校验或分布式校验和，以便在发生单个磁盘故障时能够恢复数据。
全局热备份磁盘驱动器：全局热备份磁盘驱动器是一种备用的磁盘驱动器，用于在主动磁盘驱动器出现故障时快速替换。全局热备份磁盘驱动器通常保持在RAID控制器的备用磁盘槽中，并且在需要时可以自动接管故障的磁盘驱动器的工作。
缓存磁盘驱动器：一些高端的RAID控制器可能具有内置的缓存磁盘驱动器，用于存储磁盘操作中的临时数据。缓存磁盘驱动器通常是高速的DRAM（动态随机存取存储器）或NVRAM（非易失性随机存取存储器），以提高RAID性能。

3、连接线缆

硬件RAID系统的另一个重要组成部分是连接线缆。连接线缆用于将各个组成部分连接在一起，构建完整的RAID系统。

以下是硬件RAID系统中常见的连接线缆类型和用途：

数据线：数据线用于连接RAID控制器和磁盘驱动器之间，传输数据和命令。这些数据线通常是SAS（串行附加存储）或SATA（串行ATA）接口的连接线，用于传输高速数据和控制信号。
电源线：电源线用于为RAID控制器和磁盘驱动器提供电力。这些电源线通常是SATA或Molex连接器的电源线，用于连接主机电源和RAID设备。
外部接口线：外部接口线用于连接RAID控制器和主机系统或外部存储设备之间的数据传输。这些接口线可以是USB、FireWire、Thunderbolt等接口类型，用于连接外部设备和RAID控制器。
热插拔线缆：热插拔线缆用于支持热插拔功能，允许在RAID系统运行时安全地添加或移除磁盘驱动器。这些线缆通常包含热插拔电源和数据连接，确保在插入或拔出磁盘驱动器时不会损坏系统或数据。
内部连接线：内部连接线用于连接RAID控制器和内部存储设备，如硬盘托架或固态硬盘固定架。这些连接线通常是SAS或SATA连接器的数据线和电源线，用于在机箱内部传输数据和电力。

三、RAID级别详解

1、RAID 0（条带化）

RAID 0，也称为条带化（striping），是一种RAID级别，它将数据分布在多个磁盘驱动器上，以提高性能和存储容量。在RAID 0中，数据被分成固定大小的块，并按顺序写入到不同的磁盘驱动器上，形成一个逻辑上连续的数据条带。

优势：

性能提升：RAID 0通过将数据分布在多个磁盘驱动器上并并行读取和写入数据，从而大大提高了数据的读取和写入性能。由于数据被分散存储在多个磁盘上，RAID 0可以同时从多个磁盘驱动器读取数据，从而显著提高了读取速度。
存储容量增加：RAID 0将数据分布在多个磁盘上，并且不进行数据冗余或奇偶校验计算，因此可以将多个磁盘的存储容量相加来提供更大的总存储容量。例如，如果有两个1TB的磁盘驱动器组成RAID 0，那么总的存储容量将是2TB。
简单实现：RAID 0不需要额外的计算或校验操作，只是简单地将数据分布在多个磁盘上。因此，RAID 0的实现相对简单，不需要太多的处理器或内存资源。

缺点：

缺乏容错性：RAID 0不提供数据冗余或奇偶校验计算，因此在任何一个磁盘驱动器发生故障时，整个RAID 0阵列中的所有数据都会丢失。因此，RAID 0不适用于需要高可靠性和数据安全性的应用场景。
故障率增加：由于RAID 0将数据分布在多个磁盘上，并且没有冗余备份，因此整个阵列的可靠性受到每个磁盘的可靠性的影响。如果任何一个磁盘驱动器发生故障，整个RAID 0阵列都会失败。

RAID 0是一种适用于需要提高性能和存储容量的应用场景，但不适用于需要高可靠性和数据安全性的场景。在实现RAID 0时，必须权衡性能和数据安全性之间的权衡。

2、RAID 1（镜像）

RAID 1，也称为镜像，是一种RAID级别，它通过创建数据的完全副本来提供数据冗余和高可靠性。在RAID 1中，每个数据块都被复制到两个或多个磁盘驱动器上，形成一个镜像副本。这意味着每个磁盘驱动器上都包含相同的数据，因此如果其中一个磁盘驱动器发生故障，系统仍然可以继续运行，并且数据不会丢失。

优势：

数据冗余：RAID 1通过创建数据的完全副本来提供数据冗余，这意味着数据在至少两个磁盘驱动器上同时存在。如果一个磁盘驱动器发生故障，系统可以从剩余的磁盘驱动器上访问相同的数据，从而确保数据的可用性和完整性。
高可靠性：由于数据被复制到多个磁盘驱动器上，因此RAID 1提供了非常高的可靠性。即使一个磁盘驱动器发生故障，系统仍然可以继续运行，并且数据不会丢失，因为数据的完全副本仍然存在于其他磁盘驱动器上。
快速读取速度：RAID 1的读取性能通常比单个磁盘驱动器更好，因为数据可以从多个磁盘驱动器并行读取。由于数据是从多个磁盘驱动器中的任意一个读取的，因此RAID 1的读取速度可以提高。
简单实现：RAID 1的实现相对简单，不需要复杂的计算或校验操作。它只是简单地将数据复制到多个磁盘驱动器上，因此实现和管理起来比较容易。

缺点：

成本较高：由于RAID 1需要将数据复制到多个磁盘驱动器上，因此需要更多的存储空间。这意味着RAID 1需要更多的磁盘驱动器来实现相同的存储容量，从而增加了成本。
写入性能可能降低：由于数据需要同时写入多个磁盘驱动器，因此RAID 1的写入性能可能会受到一定程度的影响。特别是在大量并发写入操作的情况下，RAID 1的写入性能可能会有所下降。

RAID 1是一种适用于需要高可靠性和数据冗余的应用场景的RAID级别。它提供了数据的完全副本，确保在磁盘驱动器发生故障时数据不会丢失，并且可以继续运行系统。

3、RAID 5（分布式奇偶校验）

RAID 5是一种常见的数据存储技术，它使用分布式奇偶校验来实现冗余和数据保护。在RAID 5阵列中，数据分布在多个磁盘上，并且奇偶校验信息也分布在这些磁盘上。奇偶校验信息用于错误检查和在磁盘故障时进行数据恢复。

RAID 5的工作原理：

数据分段: 数据被划分为块，并分布在RAID 5阵列中的所有磁盘上。每个数据块被写入不同的磁盘。
奇偶校验计算: 除了数据块外，还会计算奇偶校验信息，并将其写入其中一个磁盘。奇偶校验信息是根据其他磁盘上相同位置的数据块计算的。在磁盘故障时，此奇偶校验信息用于重建丢失的数据。
容错性: RAID 5可以容忍阵列中的一个磁盘故障而不会丢失任何数据。如果一个磁盘故障，可以使用剩余磁盘上存储的奇偶校验信息重建丢失的数据。
性能: RAID 5提供了改进的读取性能，因为数据可以同时从多个磁盘读取。然而，写入性能可能较慢，因为需要计算和更新奇偶校验信息。
容量效率: RAID 5提供了良好的容量效率，因为只使用一个磁盘的空间来存储奇偶校验信息。这意味着阵列的可用存储容量是所有磁盘的总容量减去一个磁盘的容量。

RAID 5是适用于需要平衡数据保护、性能和容量效率的应用程序的良好选择。然而，值得注意的是，由于其依赖奇偶校验计算，可能会影响写入性能，并且在恢复过程中如果多个磁盘同时故障可能会导致数据丢失，因此RAID 5不适用于高性能、高可用性的应用程序。

4、RAID 6（双重分布式奇偶校验）

RAID 6是一种高级的数据存储技术，它通过使用双重分布式奇偶校验来提供比RAID 5更强的数据保护和容错能力。在RAID 6中，与RAID 5类似，数据被分布在多个磁盘上，但是有两组奇偶校验信息，而不仅仅是一组。这意味着RAID 6可以容忍两个磁盘的故障而不会丢失数据。

RAID 6的工作原理：

数据分段: 与RAID 5类似，数据被分成块，并分布在RAID 6阵列的所有磁盘上。每个数据块都被写入不同的磁盘。
双重奇偶校验: 与RAID 5不同，RAID 6有两组奇偶校验信息。这两组奇偶校验信息分别被计算并写入到不同的磁盘上。这意味着RAID 6可以容忍两个磁盘的故障而不会导致数据丢失。
容错性: 由于有两组奇偶校验信息，因此RAID 6可以容忍两个磁盘的故障。如果发生磁盘故障，数据可以从剩余的磁盘和奇偶校验信息中重建。
性能: 与RAID 5相比，由于需要计算和写入额外的奇偶校验信息，RAID 6的写入性能可能会稍微受到影响。但是，读取性能通常与RAID 5相当。
容量效率: 与RAID 5类似，RAID 6的容量效率通常是比较高的，因为只有一小部分的存储空间被用于奇偶校验信息。

RAID 6提供了比RAID 5更高级的数据保护和容错能力，特别是对于大型存储系统来说是一个很好的选择。然而，与RAID 5相比，RAID 6可能需要更多的磁盘空间来存储额外的奇偶校验信息。

5、RAID 10（条带化镜像）

RAID 10，也称为条带化镜像，是一种结合了RAID 1（镜像）和RAID 0（条带化）的数据存储技术。在RAID 10中，数据被同时条带化（striping）和镜像（mirroring）。

RAID 10的工作方式：

镜像（Mirroring）：RAID 10将每个数据块同时写入至少两个磁盘上。这意味着数据被镜像在多个磁盘上，提供了冗余备份。如果一个磁盘发生故障，数据仍然可以从镜像的副本中恢复。
条带化（Striping）：同时，RAID 10将数据条带化到多个镜像对上。这意味着数据块被分成小块，并且这些小块被分别写入不同的磁盘上。条带化可以提高读取和写入性能，因为数据可以并行读取和写入多个磁盘。

RAID 10结合了RAID 1的数据冗余和RAID 0的性能提升。它具有以下特点：

容错性：由于数据被镜像，RAID 10可以容忍多个磁盘的故障，只要不是在同一个镜像对上发生故障。这使得RAID 10具有很高的数据可靠性和可用性。
性能：由于数据被条带化，并且可以从多个磁盘同时读取和写入，RAID 10通常具有很高的性能，尤其是在读取操作方面。
成本：RAID 10需要至少四个磁盘来实现，因为数据需要被镜像在至少两个磁盘上，并且每个镜像对都需要至少两个磁盘。这意味着RAID 10的成本通常比单纯的条带化或镜像要高一些。

RAID 10是一个非常流行的选择，特别适用于对性能和数据可靠性要求都很高的应用场景，如数据库服务器和企业级存储系统。