RAID技术复习笔记

Raid（Redundant Array of independent Disks）独立磁盘冗余阵列：磁盘阵列

Raid 分为:软raid、硬raid、软硬混合三种。
软Raid：所有的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IO处理处理芯片。
硬Raid：专门的raid控制、处理芯片和io处理芯片，阵列缓冲，不占用CPU资源，成本高。
软硬混合Raid：具备raid控制，处理芯片，缺少ui处理芯片，需要CPU+驱动来完成，性能、成本鉴于软raid和硬raid之间。

Raid是由多个独立的高性能磁盘驱动器组成的磁盘子系统，比单个磁盘更高的存储性能和数据冗余技术。
当磁盘或访问路径发生故障时，冗余信息可以用来重建用户数据。

Raid两个关键的目标提高数据可用性和I/O性能，Raid6可以支持两块磁盘同时损坏，这样可以直接更换故障磁盘，Raid会根据冗余信息校验重建丢失数据，保证数据的一致性和完整性。
数据分散保存在Raid多个不同磁盘中，并发数据读写大于单个硬盘的性能，因此可以获得更高的聚合IO带宽，但会减少全体磁盘的总可用空间，牺牲空间换取更高的性能和可靠性。
Raid1存储空间可利用率 50%，Raid5会损失一个硬盘的容量，空间利用率为 (n-1)/n

RAID 不可作为数据备份的替代方案。

Raid中三个关键技术：
镜像(Mirroring):将数据复制到多个磁盘，提高可靠性，并发从两个或多个副本读取数据提高性能，写性能低。
数据条带(Data Stripping):将数据分片存放在不同的磁盘中，多个数据分片组曾一个完整数据副本，访问数据时可以在不同的磁盘上对数据进行读写操作，提高IO性能。
数据校验(Data parity):利用冗余数据进行数据错误检测和修复，冗余数据采用海明码、异、或、计算获得。利用校验功能，提高磁盘阵列可靠性，鲁棒性和容错能力，但
数据校验需要从多处读取数据会影响系统性能。
Tips:
鲁棒性：控制系统在一定(结构,大小)的参数摄动下,维持某些性能的特性
(承受故障和干扰的能力)是许多复杂系统(包括复杂网络)的关键属性
海明码：海明校验码是由奇偶校验码中的偶校验延申出来的

Raid优势：
(1)大容量：由多个磁盘组成Raid，
(2)高性能：受益于数据条带化技术，raid数据将io分在各个成员盘上，形成聚合IO性能。
(3)可靠性：Raid镜像技术将数据分为多个副本，数据校验技术提供数据修改重建能力。
(4)可管理性：raid是一种虚拟化技术，便于管理，管理员只需要修改单个虚拟驱动器，raid同时可以动态增加硬盘驱动器，可以自动进行数据校验和数据重建。

Raid等级：
JBOD:不是标准的raid等级，通常表示一个没有控制软件提供协作控制的磁盘集合，JBOD将多个物理磁盘串联起来，提供一个巨大的逻辑磁盘。

标准的Raid等级：
SNIA，Berkeley等组织机构把Raid0-6七个等级定位标准的raid等级，标准等几种最基本的raid配置集合，单独或综合利用数据条带、镜像和数据校验技术。
标准Raid可以满足对性能，安全性，可靠性要求更高的存储应用需求。

无冗错的数据条带
Raid0：无数据校验的数据条带化技术，并不是一种真正的raid，无冗余策略。Raid0将磁盘条带化后组成巨大的存储空间，将数据分散在所有的磁盘中，独立访问的方式实现多块磁盘的并读访问，
由于可以并发执行IO,总线带宽可以充分利用，再加上不需要数据校验，Raid0是raid性能等级最高的，理论上n块盘组成的raid0，读写性能是单个磁盘的n倍。
优势：低成本，高性能，100%利用空间
劣势：无冗余保护，一旦数据损坏，无法修复。
利用空间：对性能要求高，对安全性和可靠性不高的应用，cache，视频，音频等。

无校验的相互镜像
Raid1：raid1被称为镜像，将数据完全一致的分别写到工作磁盘和镜像磁盘中，磁盘利用率50%，Raid1写数据响应会有影响，但不影响读数据。提供了最佳的数据保护，一旦
工作磁盘出现问题，系统自动从镜像中读取数据，不会影响用户工作。
优势：镜像备份安全性好，技术简单，方便管理，有容错能力
劣势：成本太高
应用场景：邮件系统数据保护

海明码校验
Raid2：被称为纠错海明码磁盘阵列，设计想法利用海明码实现数据校验冗余校验冗余，在Raid2中数据按位存储，每块磁盘
存储一位数据编码，图中数据带宽为4的raid2，它需要4块数据磁盘和3块校验磁盘。
海明码自身具备纠错能力，因为raid2可以在数据发生错误的情况下进行纠正错误，保证数据安全性，传输性能相当高。

Raid3：采用一个专用的磁盘作为校验盘，其他磁盘作为数据盘，至少需要3块磁盘，不同磁盘同一带区作XOR校验，校验值写入校验盘。
raid3完好时读性能与raid0完全一致，并行从多个磁盘条带读取数据，性能非常高，同时具备数据容错能力，raid3写入数据时，
必须计算与所有同条带的校验值，并将新的校验值写入到校验盘。一次写系统开销非常大，性能很差。

带有专用块级校验的数据条带
raid4：raid4与raid3原理大致相同，raid4利用块的方式存储数据信息，写操作只涉及当前数据盘和校验盘两个盘，多个IO请求能够同时处理，
提高了系统性能。raid4按块存储可以保证单块的完整性，避免收到其他磁盘上同条带产生的不利影响。不同磁盘上的同级数据块使用XOR，
校验，结果存储在校验盘中，写入数据时，把各个磁盘上的同级数据的校验值写入校验盘读取时同时进行校验。因此单个磁盘数据块损坏，
raid4可以通过校验值以及其他磁盘上的同级数据块进行数据重组。
优势：非常好的读性能。
劣势：单一的校验盘成为系统性能的瓶颈，对写操作raid4只能一个个磁盘的写，并且还要校验数据，所以写性能很差。

带分散校验的数据条带
raid5：目前最常见的raid等级，原理与raid4相似，区别在于数据校验分布在阵列中所有的磁盘上，没有专门的校验磁盘，对数据和校验数据，它们的写操作可以同时发生在
不同的磁盘中
优势：良好的读写性能,具有良好的扩展性，阵列磁盘越多，并行操作量的能力随之提升，更高的容量更好的性能。
劣势：当一个数据盘损坏时，系统可以根据其他数据块和对应的校验数据来重建损坏数据，在重建数据时对raid5性能会有较大的影响。
应用：目前主流的raid使用级别，兼容存储性能、数据安全、存储成本，目前综合性能最佳的数据保护解决方案，主流应用在：数据中心

带双重分散校验的数据条带
raid6：扩展Raid5等级，raid0-5只能保护单个磁盘失效而造成的数据丢失，如果两个磁盘同时故障数据无法恢复，raid引入双重校验的概念，
同时可以保护两个磁盘失效的问题，阵列能够正常工作，不会发生数据丢失。
raid6不仅支持数据的回复，还支持校验数据的回复，因此实现的代价很高，更贵。
优势：更快的读取性能，更好的容错能力。
劣势：成本高于raid5很多，写性能较差。

组合raid
标准raid各有优劣，考虑把raid等级进行组合，相互弥补，目前主流的raid组合：raid00/raid01/raid10/raid100/raid30/raid50/raid53/raid60
目前主流的raid组合：raid01 和 raid10

raid00
raid00是由多个raid0组成的更高等级的raid，区别在于raid0阵列替换了原先的成员磁盘，可以把raid00理解成两层条带化的磁盘阵列，
在对条带进行条带化，这种阵列可以提供更大的存储容量，更高的IO性能，更好的IO负均衡。

典型的 RAID01 （上）和 RAID10 （下）模型
raid01 / raid10
raid01先做条带化在做镜像，对物理磁盘实现镜像。
raid10先做镜像在做条带化，对虚拟磁盘实现镜像。
相同情况下raid01比raid10具有更好的容错能力。
raid01兼备了raid0和raid1的优点，先用两块磁盘建立镜像，在镜像内部做条带化，raid01的数据同时写入到两个磁盘阵列中，
如果一个阵列损坏仍可以继续工作，保证了数据的安全性又提高了性能。
raid01 和 raid10 内部都含有一个raid1模式，因此磁盘使用率仅为50%

典型的 RAID100 模型
RAID100：通常看作raid 1+0+0，或raid10+0，即条带化的raid10，raid100的缺陷与raid10相同，任意的一个raid1损坏一个磁盘不会发生数据丢失，
但是剩下的磁盘存在单点故障的危险，最顶级的raid0，即条带化任务，通常由软件层来完成。
raid100突破了单个raid控制器对物理磁盘的限制，可以获得更高的IO负载均衡，IO压力可以更多的分散到磁盘上，进一步提高随机读性能，
并降低了热点盘故障风险。
使用场景：大数据库。