大规模集群应用——磁阵中的RAID技术

1.引言

RAID（Redundant Arrayof Inexpensive Disks），中文为廉价冗余磁盘阵列。在1987年由美国柏克莱大学提出RAID理论，作为高性能的存储系统，巳经得到了越来越广泛的应用。RAID阵列技术允许将一系列磁盘分组，以实现为数据保护而必需的数据冗余，以及为提高读写性能而形成的数据条带分布。
RAID最初用于高端服务器市场，不过随着计算机技术的快速发展，RAID技术已经渗透到计算机遍布的各个领域。如今，在家用电脑主板中，RAID控制芯片也随处可见。

2.raid特点

1. 成本低，功耗小，传输速率高。在RAID中，可以让很多磁盘驱动器同时传输数据，而这些磁盘驱动器在逻辑上又是一个磁盘驱动器，所以使用RAID可以达到单个的磁盘驱动器几倍、几十倍甚至上百倍的速率。这也是RAID最初想要解决的问题。当时CPU的速度增长很快，而磁盘驱动器的数据传输速率无法大幅提高，所以需要有一种方案解决二者之间的矛盾。而RAID最后成功了。
2. 可以提供容错功能，普通磁盘驱动器无法提供容错功能，如果不包括写在磁盘上的CRC(循环冗余校验)码的话。RAID和容错是建立在每个磁盘驱动器的硬件容错功能之上的，所以它可以提供更高的安全性。
3. RAID比起传统的大直径磁盘驱动器来，在同样的容量下，价格要低许多。

3.技术实现原理

1.通过对硬盘上的数据进行条带化，实现对数据成块存取，减少硬盘的机械寻道时间，提高了数据存取速度。
2.通过对一阵列中的几块硬盘同时读取（并行访问），减少了硬盘的机械寻道时间，提高了数据存取速度。
3.通过镜像或者存储奇偶校验信息的方式，实现了对数据的冗余保护。
条带化：将磁盘上一块由若干地址连续的磁盘块构成的、大小固定的区域定义为条带。位于RAID集所有磁盘上相同位置的条带构成了分条。
条带尺寸（分条深度） 描述构成条带的磁盘块数目。分条尺寸=条带尺寸*RAID集中硬盘数量
条带宽度=一个分条包含的数据条带的数目=硬盘个数

实现方式

在存储设备中，可以通过2种方式实现RAID功能：硬件RAID和软件RAID。
硬件RAID实现使用专用的RAID适配器、硬盘控制器或存储处理器。RAID控制器有自己的处理器，I/O处理芯片，和内存，用来提高资源利用率和数据传输速度。RAID控制器管理路由、缓冲区，控制主机与RAID间数据流。硬件RAID通常在服务器中使用。

软件实现的RAID没有它自己的处理器或I/O处理芯片，而是完全依赖于主机处理器。因此，低速CPU不能满足RAID实施的要求。软件RAID通常在企业级存储设备上使用。

3.raid数据保护的方式

方法一：在另一块冗余的硬盘上保存数据的副本。

方法二：奇偶校验算法 (XOR)。
XOR运算广泛地使用在数字电子和计算机科学中。
XOR校验的算法——相同为假，相异为真：
0⊕0= 0； 0⊕1= 1； 1⊕0= 1； 1⊕1= 0；

4. 常用RAID的类型

随着阵列技术的发展，已经产生了很多不同类型的RAID，但现在只有少数几种RAID仍在使用。在这个章节中，我们将讨论最常用的RAID类型，也会学习RAID的其它相关功能，比数据保护等，同时，选择不同的RAID类型意味着不同的性能/成本。

RAID 0

在所有RAID级别中，RAID 0（也被称为条带化RAID）具有最高的存储性能。RAID 0使用条带化技术将数据分布存储在RAID组的所有硬盘中。

一个RAID 0的硬盘组中的硬盘必须具有相同的大小，转速。如果一个RAID0的由4个硬盘组成，则读写速率理论上可达单个硬盘的4倍（实际上可能有系统损耗），容量为单个硬盘的4倍。RAID 0 中硬盘的容量大小不同，可用容量是最小的硬盘的容量的4倍，速度也是最小硬盘速度的4倍。

RAID 0像是提供了一个单一的大容量的硬盘，还同时具有非常快速I/O的特点。在RAID 0技术使用之前，类似RAID 0的一种技术被称为JBOD。一个JBOD（Just a Bundle Of Disks，简称一堆硬盘）是一组硬盘组合成一个虚拟的大硬盘。

RAID 1

RAID 1（也被称为镜像结构的硬盘阵列）旨在建立一个高安全性的RAID级别。RAID1使用2个相同的硬盘系统，并设置了镜像。当源硬盘（物理）失败时，镜像硬盘从源硬盘接管服务，保证服务的连续性。镜像盘作为备份，提供高数据可靠性。
一个RAID 1组存储的数据量只是单个硬盘的容量，另一硬盘保存的是数据的副本，两个硬盘组成的RAID 1的空间利用率是50%。RAID 1的两个硬盘必须具有相同的大小。如果两个硬盘的容量大小不同，可用容量是最小的硬盘的容量。

RAID 10

RAID10是一个Raid 1与Raid0的组合体，它是利用奇偶校验实现条带集镜像，所以它继承了Raid0的快速和Raid1的安全。
RAID 1在这里就是一个冗余的备份阵列，而RAID 0则负责数据的读写阵列。其实，右图只是一种RAID 10方式，更多的情况是从主通路分出两路，做Striping操作，即把数据分割，而这分出来的每一路则再分两路，做Mirroring操作，即互做镜像。

RAID 5

RAID 5是改进版的RAID 3，使用条带化并计算奇偶校验信息。在RAID 3中有一块专用硬盘负责奇偶校验数据的写入和读取，这导致了我们前面提到的性能瓶颈问题。RAID 5使用的是分布式奇偶校验，每个成员硬盘将用于存储用户数据和奇偶校验数据。所以RAID 5没有瓶颈或热点。

假定一个RAID 5的硬盘数为N，其中有效用户数据存储容量为N-1个硬盘的容量。与其他RAID一样，RAID 5阵列中的成员盘的容量和转速应该是相同的。
在RAID 3级别和RAID 5级别的硬盘阵列中，如果一个硬盘失效，该硬盘组将从在线（正常）状态转变为降级状态，直到完成重构失效硬盘。如果RAID中的另一个硬盘也出现故障，则硬盘组的数据将丢失。

RAID技术的应用

DAS --direct access storage device直接访问存储设备
DAS是磁盘存储设备的术语，以前被用在大、中型机上。使用在PC机上还包括硬盘设备DAS的最新形式是RAID。“直接访问”指访问所有数据的时间是相同的。

NAS --Network Attached Storage 网络附加存储设备
一种特殊目的的服务器,它具有嵌入式的软件系统,可以通过网络对个种的系统平台提供文件共享服务

SAN --Storage Area Networks 存储区域网
一种高速的专用网络，用于建立服务器、磁盘阵列和磁带库之间的一种直接联接。它如同扩展的存储器总线，将专用的集线器、交换器以及网关或桥路互相连接在一起。 SAN 常使用光纤通道。一个 SAN 可以是本地的或者是远程的，也可以是共享的或者是专用的。SAN 打破了存储器与服务器之间的束缚，允许你独立地选择最佳的存储器或者是最佳的服务器，从而提高可扩性和灵活性。

IDE RAID与SCSI RAID

RAID系统可以存在于各种接口界面，就我们现时来说，PATA、SATA以及SCSI均有相应的硬盘可以组成RAID。IDE和SCSI是计算机的两种不同的接口，前者普遍用于PC计算机，而后者一般用于Apple Macintosh系统和UNIX操作系统。RAID技术问世时是基于SCSI接口，因其成本高，因此主要面向服务器等高端应用。普通用户根本无缘拥有RAID。
随着计算机的大众化，由此带动PC计算机的空前繁荣。相应的，在市场的带动下，用于PC计算机的IDE接口设备价格大幅降低，同时性能大幅提高。但是，RAID技术仍只基于SCSI接口，普通的PC用户在羡慕RAID技术的好处的同时，却无法拥有RAID。可喜的是，近来一些厂商看到了 RAID 在低端用户中的巨大市场，开始把RAID技术移植到IDE 接口上，推出了基于IDE接口的RAID应用，称为IDE RAID。而基于SCSI接口的RAID应用则相应称为SCSI RAID。 与SCSI RAID相比，IDE RAID具有极低的价格，和一点也不逊色的性能表现，相应的，IDE RAID 解决方案就具有SCSIRAID无法比拟的高性价比。因此 IDE RAID自推出后，受到普通PC用户和普通商业应用的普遍欢迎。RAID对于普通的用户来说，再也不是什么奢侈的技术了。随着Intel 865/875系列芯片组的发布，家用市场的硬盘接口开始转向SATA，而RAID方式也将从PATA过渡到SATA。

参考博文：https://blog.csdn.net/weixin_42767604/article/details/104294818
https://blog.csdn.net/wunianjiumeng/article/details/79642643