RAID5与RAID10差异分析

应用系统一般要求存储系统具有良好的IO性能，同时也要求做好数据的安全保护，这里我们重点讨论raid10和raid5两种阵列方式。
关于这方面的讨论，网上也有了不少的资料，我这里一方面是做了一些整理，另一方面，在看别的帖子的时候，有些想法不敢苟同，所以就自己整理了一篇，所参考的资料在文后都有列述。对于其他RAID级别，由于比较简单，不再叙述。

就以这一篇文章作为blog存储系列专题的第一篇吧。主要内容包括三点：RAID5基本原理；RAID10基本原理；RAID10与RAID5差异比较。

一、RAID5基本原理
1、认识RAID5
RAID5 是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案，它使用的是Disk Striping(硬盘分割)技术，RAID5不是利用镜像而是利用分散奇偶校验冗余数据。RAID5可以理解为是RAID0和RAID1的折衷方 案，RAID5可以为系统提供数据安全保障，但保障程度要比RAID1低，而磁盘空间利用率要比RAID1高。

一般都需要增加 RAID卡实现对RAID5的支持，保护数据存储安全。支持RAID5的RAID卡一般是使用SCSI RAID卡，它是用来实现RAID功能的板卡，通常是由I/O处理器、SCSI控制器、SCSI连接器、缓存、蜂鸣器等一系列零组件构成的。RAID卡可 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卡最初想要解决的问题；另外，RAID卡也可以提供容错功能。因此RAID卡不仅仅是提供数据存储安全保障，还能扩展硬盘的挂载数量， 所以，在企业购买阵列卡之后也会增加一些硬盘，来满足数据存储的需要，这里我们仅以四个硬盘组成的RAID5为例来说明。

2、RAID5的写(Write)操作
RAID5数据存储方式为：

盘1 盘2 盘3 盘4
................................
p4 9 10 11
6 p3 7 8
3 4 p2 5
0 1 2 p1

其 中：P4为数据9、10、11的奇偶校验信息，其它以此类推；P3为数据6、7、8的奇偶校验信息；P2为数据3、4、5的奇偶校验信息；P1为数据0、 1、2的奇偶校验信息。四个硬盘组成的RAID5采用数据分块并行传送的方法，它在数据分块之后计算它们的奇偶校验和。可以看出，RAID5不对存储的数 据进行备份，而是把数据和相对应的奇偶校验信息分别存储在组成RAID5的不同磁盘上。

RAID5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 RAID1高，存储成本相对较低。RAID5是采用奇偶校验的方法维护数据，这些奇偶校验的信息只占用一块磁盘的容量，所以RAID5的实际容量相当于阵 列中的磁盘数n-1，数据读写速度等于单盘的速度*盘数，RAID5具有较好的综合性能，因此是目前服务器使用最多的阵列选择之一。

3、RAID 5的数据损坏(Crash)与恢复(Recover)操作
当 组成RAID5的磁盘1数据发生损坏后，磁盘中的数据0、数据3、数据6以及奇偶校验信息P4将全部丢失。RAID5的数据恢复有二种方 式:Recover S/W和Recover H/W。Recover S/W主要是指用软件(如操作系统或第三方软件)做的RAID5的数据恢复，由于是操作系统下实现RAID，软RAID不能保护系统盘。软件RAID很多 情况下已经包含在系统之中，并成为其中一个功能，如 Windows、Netware及Linux。软件RAID中的所有操作皆由中央处理器负责，所以系统资源的利用率会很高，从而使系统性能降低。软件 RAID是不需要另外添加任何硬件设备，因为它是靠服务器的系统，主要是中央处理器的功能，提供所有现成的资源。

如果磁盘1坏了，系统将受到影响；必须进行更换新的硬盘，利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息去恢复被损坏的数据，将数据数据0、数据3、数据6和奇偶校验信息P4写到新硬盘(磁盘1)中后，系统才能正常操作运行。

Recover H/W主要是指用硬件做热备份的RAID5的数据恢复，如果磁盘1坏了，系统一般不会受到影响；当我们更换新的硬盘，利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息 去恢复被损坏的数据，将数据0、数据3、数据6和奇偶校验信息P4写到新硬盘(磁盘1)中，在整个数据恢复过程中，系统仍能正常操作运行。因此，有条件的 话，在做RAID5的时候最好做真正的硬件磁盘阵列。

二、RAID10基本原理

1、认识RAID10
Raid10是 一个Raid0与Raid1的组合体，它继承了Raid0的快速和Raid1的安全。我们知道，RAID1就是一个冗余的备份阵列，而RAID0则负责数 据的读写阵列。由于利用了RAID0的高读写效率和RAID1的高数据保护、恢复能力，使RAID10成为了一种性价比较高的等级，目前几乎所有的 RAID控制卡都支持这一等级。但是，RAID10对存储容量的利用率和RAID1一样低，只有50%。因此，RAID10可以达到既高效又安全的目的， 但是这种结构的可扩充性不好，使用此方案比较昂贵。

2、RAID10的写(Write)操作
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。

3、RAID10的数据损坏(Crash)与恢复(Recover)操作
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。上如果只有一块磁盘损坏了，整个逻辑磁盘仍能正常工作的。
总 的来说，RAID10以RAID0为条带阵列，以RAID1为数据保护阵列，它具有与RAID1一样的容错能力，用于容错处理的系统开销与单独的镜像操作 基本一样，由于使用RAID0作为执行等级，因此具有较高的I/O宽带;对于那些想在RAID1基础上大幅提高性能的用户，它是一个完美的解决方案。 RAID10适用于数据库存储服务器等需要高性能、高容错但对容量要求不大的场合。

三、RAID10与RAID5差异比较
3.1 IO性能：读操作相当，写性能上RAID5不及RAID10
先介绍一下标准的RAID写操作，包括如：RAID5中所必需的校验计算，需包括以下几个步骤：
(1)从校验盘中读取数据；(2)从目标数据盘中读取数据；(3)以旧校验数据，新数据及已存在数据，生成新的校验数据；
(4)将新校验数据写入校验盘；(5)将新数据写入目标数据盘。

读 操作上RAID10与RAID5是相当的，对于RAID5，在一些很小数据的写操作（如比每个条带还小的小数据，需要2个读、2个写，还有2个XOR操 作。对于单个用户的写操作，在新数据应用之前必须将老的数据从校验盘中移除，整个的执行过程是这样：读出旧数据，存储的旧数据与写入的新数据做XOR，并 创建一个即时值，读出旧的校验信息，写下新的校验信息。为了减少对系统的影响，大多数的RAID5都读出并将整个条带（包括校验条带）写入缓存，执行2个 XOR 操作，然后发出并行写操作（通常对整个条带），即便了进行了上述优化，系统仍然需要为这种写操作进行额外的读和XOR操作。当然，也可以将存储系统的条带 大小定义为经常读写动作的数据大小，使之匹配，但这样会限制系统的灵活性，也不适用于企业中其它的应用。
对于raid10，由于不存在数据校验，每次写操作只是单纯的执行写操作。所以，在写性能上raid10要好于raid5。
注意：小量写操作困难使得RAID5技术很少应用于密集写操作的场合，如回滚字段及重做日志。不推荐将Oracle数据库的日志文件和控制文件放在RAID5的磁盘上！否则，容易出现大量的磁盘IO等待事件。

3.2 数据重构性：RAID5不及RAID10
对于raid10，当一块磁盘失效时，进行数据重构的操作只是复制一个新磁盘，如果假定磁盘的容量为250G，那么复制的数据量为250G（注意：这里需要区分RAID10和RAID01，在blog中另有一篇很早的文章介绍）。
对 于raid5的存储阵列，则需要从每块磁盘中读取数据，经过重新计算得到一块硬盘的数据量，如果raid5是以4+1的方式组建，每块磁盘的容量也为 250G，那么，需要在剩余的4个磁盘中读出总共是1000G的数据量计算得出250G的数据。从这点来看，raid5在数据重构上的工作负荷和花费的时 间应该远大于raid10，负荷变大将影响重构期间的性能，时间长意味再次出现数据损坏的可能性变大。
raid10和raid5系统在出现一块磁 盘失效后，进行数据重构时，raid5需耗费的时间要比raid10长，同时重构期间系统负荷上raid5要比raid10要高，同时raid5出现数据 丢失的可能性要比raid10高。因此，数据重构期间，raid5系统的可靠性远比raid10来的低。

3.3　数据安全保护：RAID10优于RAID5
RAID10 系统在已有一块磁盘失效的情况下，只有出现该失效盘的对应镜像盘也失效，才会导致数据丢失，其他的磁盘失效不会出现数据丢失情况。也就是说RAID10允 许系统掉一块盘，还可以有50%的几率可以容许坏2块盘。而Raid5系统，在已有一块磁盘失效的情况下，只要再出现任意的一块磁盘失效，都将导致数据丢 失。

Raid5在磁盘空间利用率上比Raid10高，raid5的空间利用率是（N-1）/ N （N为阵列的磁盘数目），而raid10的磁盘空间利用率仅为50％。但是结合磁盘来考虑，今天的硬盘厂商所生产的ATA硬盘的质量已经可以承担企业级的 应用，并且，容量的增加幅度相当大，目前已经可以实现单个磁盘400G的存储容量。SCSI硬盘由于要求高转速而使用小直径盘片，容量的增加相对缓 慢；ATA磁盘相对SCSI磁盘拥有成本也要小很多。因此，在一些IO要求非常高的应用中，raid5结合SCSI磁盘是比较好的选择，其他应用中采用大 容量的ATA硬盘结合raid10，既降低了raid10的为获得一定的存储空间必须采用双倍磁盘空间的拥有成本，又避免了raid5相对raid10的 其他缺点。在企业应用中，raid10结合ATA磁盘意味着一个更好的选择。

另外，piner在他的一篇文章中分析了RAID5与RAID10在写上面的差异（针对４块盘），他认为：
写 分为连续写和离散写。连续写的过程，一般表示写入连续的大批量的数据，如媒体数据流，很大的文件等等，这个写操作过程，如果有写cache存在，并且算法 没有问题的话，raid5比raid10甚至会更好一些（这里要假定存储有一定大小足够的写cache，而且计算校验的cpu不会出现瓶颈）。因为这个时 候的校验是在cache中完成，如4块盘的raid5，可以先在内存中计算好校验，同时写入3个数据+1个校验。而raid10只能同时写入2个数据+2 个镜相。写cache是可以缓存写操作的，等到一定时期再写到磁盘，但是，写操作不比读操作，这个写是迟早也要发生的，也就是说，最后落到磁盘上的写还是 避免不了的，不过，如果不是连续性的强连续写，只要不达到磁盘的写极限，差别都不是太大。离散写可能是最难理解，但是，也是最重要的部分，数据库，如 oracle 数据库大部分操作就是离散写，如每次写一个数据块的数据，如8K；联机日志虽然看起来是连续写，但是因为每次写的量不多，不保证能添满raid5的一个条 带（保证每张盘都能写入），所以很多时候也是离散写入。假定要把一个数字2变成数字4，那么对于raid5，实际发生了4次io，先读出2与校验6，可能 发生读命中；然后在cache中计算新的校验，写入新的数字4与新的校验8。对于raid10，我们可以看到，同样的单个操作，最终raid10只需要2 个io，而raid5需要4个io。但是，这里我忽略了raid5在那两个读操作的时候，还可能会发生读命中操作，也就是说，如果需要读取的数据已经在 cache中，可能是不需要4个io的，也证明了cache对raid5 的重要性，不仅仅是计算校验需要，而且对性能的提升由为重要。曾经测试过，在raid5的阵列中，如果关闭写cache，raid5的性能将差很多倍。
最后，piner给出了一个结论：raid10对cache的依赖性没有raid5那么明显；小io的数据库类型操作，建议采用raid10，而大型文件存储，数据仓库，则从空间利用的角度，可以采用raid5。这一篇文章也很精彩，值得学习：http://www.ixdba.com/html/ydate/2007/04/16/。

 

参考：
http://www.stcore.com/storage/2006-09-16/1158380211d102481_1.html
http://www.51doing.com/read.php?391
http://www.ixdba.com/html/y2007/m04/69-raid5-raid10.html

本文出处: http://sdusun.itpub.net/post/7915/286043