小科普 | RAID磁盤陣列是個啥？

　　有不少粉絲在我們的后臺留言說，想讓我們講一下有關磁盤陣列，也就是RAID相關的事情。那么今天呢，我們就談一談什么是RAID，而RAID又該怎么用。

　　本篇小科普分為以下內容，由于篇幅較多，我們將分兩天給大家推送：

　　1、什么是RAID

　　2、RAID都有哪些類型(上)

　　a)  RAID0

　　b)  RAID1

　　c)  RAID01/10

　　3、熱備份與冷備份（Hot Spare / Cold Spare）

　　------以上是今天推送內容------

　　4、RAID都有哪些類型(下）

　　a)  RAID5

　　b)  RAID50

　　c)  RAID6

　　5、軟件RAID與硬件RAID

　　6、我該怎么用RAID

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　　什么是RAID

　　RAID（Redundant Arrays of Independent Disks，一說Redundant Arrays of Inexpensive Disks），中文名稱叫獨立磁盤冗余陣列（廉價磁盤冗余陣列），簡稱磁盤陣列。它的作用呢，是在多塊硬盤組成的陣列系統中，犧牲一塊至多塊硬盤的容量，來對數據的存儲提供一定的容錯能力。

　　我們先來簡單假設一種使用情況：你擁有一些重要的數據，但是你并沒有將這些數據進行備份，他們只存在于你臺式機的單一硬盤中。那么一旦遇到臺式機的硬盤損壞，你的這些數據只能去找數據恢復公司了；而如果你的臺式機做了磁盤陣列，那么只需要替換陣列中壞掉的硬盤就可以重新恢復數據了。

　　這正是RAID的魅力所在。如果你只組建一個相對廉價的陣列，甚至不需要額外的硬件成本，只要你的主板支持RAID功能，就可以體驗RAID給你帶來的好處。

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　　RAID都有哪些類型

　　知道了RAID是什么之后，我們就來看看RAID都有哪些類型吧。根據RAID算法的不同，有RAID0、RAID1、RAID2、RAID3、RAID4、RAID5、RAID6、RAID7、RAID01/10、RAID50等等很多種，然而由于他們其中有一些的算法過于麻煩，日常使用中很少涉及。因此，我們這次的科普只涉及幾種廣泛使用的RAID類型：包含RAID0、RAID1、RAID5、RAID01/10四種。除此之外，我們還將順帶提及RAID6以及RAID50這兩種稍麻煩點，但至少還有人用的陣列類型。至于剩下的嘛……就不多說啦。

　　▌RAID0（條帶存儲）

　　假設陣列中一共有n塊硬盤，RAID0是將需要存儲的數據以“條帶（Stripe）”為單位分成n份，然后分別寫入n塊硬盤中。因此，RAID0將提供非常優秀的讀寫性能。打個簡單的比方，如果你要讀寫一個2G的文件，在普通硬盤上，要以單盤的速度讀取/寫入2G的數據；而如果在4盤RAID0陣列中，每個盤只需讀取/寫入500MB的數據，四個盤可以并行讀取/寫入，因此理論的讀寫速度將是單塊硬盤的4倍。

　　但是嚴格的說，RAID0并不能算Redundant Array（冗余陣列），因為它并不提供冗余的容錯機制。只要陣列中有一塊硬盤壞掉，由于這塊硬盤保存著所有數據（每個文件）的某一部分，因此所有數據都將無法讀取，整個陣列中的數據將宣告報廢。雖然RAID0的空間利用率可以達到1，但是容錯率卻是為0。因此，一般會輔以其他RAID類型來實現數據的冗余容錯。

　　▌RAID1（鏡像存儲）

　　RAID1是最安全的陣列方案，但也是空間利用率最低的方案。RAID1將所有數據原封不動copy一份，放于另一塊硬盤中。如果你用4塊1T的硬盤組成RAID1陣列，可用空間甚至只有1T！因為剩下的3塊硬盤中的數據與第一塊硬盤一模一樣。當然這也提供了壞n-1塊硬盤的數據保障，只要任意一塊硬盤是好的，就算剩余硬盤全部壞掉也可以讀取數據。因此空間利用率只有1/n，而容錯率高達(n-1)/n。但是由于空間利用率實在太低，一般來講只用2塊硬盤組成RAID1，再輔以其他RAID類型共同協作。

　　至于RAID1陣列組的性能，讀取性能取決于陣列中最快的硬盤（誰讀的快就用誰的數據，反正數據都一樣），而寫入性能則取決于陣列中最慢的硬盤（要等所有硬盤寫入結束，才完成寫入操作）。

　　▌RAID01/10

　　介紹完RAID0與RAID1，大家或許會發現如果是單獨使用，它們倆都有著巨大的不足。因此，就有兩種結合性的RAID方案被提出：RAID0+1與RAID1+0，分別簡稱為RAID01和RAID10（所以發音分別是“RAID零一/RAID一零”，可不要讀成“RAID十”呦）。這兩種方案都是同時吸取了RAID0的讀寫快速優點與RAID1的安全容錯優點，但是RAID10由于可以在相同的性能/容量下提供比RAID01更好的容錯安全性，因此RAID01已經被棄用。

　　要具體了解為什么棄用RAID01而選擇RAID10，我們要先分別了解它倆的原理。其實很簡單，RAID01就是先將多塊磁盤組成RAID0陣列，之后再用2個RAID0陣列組成RAID1。而RAID10則先用兩塊硬盤組成RAID1陣列，再用多個RAID1陣列組成RAID0。接下來我們假設擁有10塊1T硬盤，來看看它們兩個的安全性：

　　先來看RAID01：ABCDE硬盤組RAID0容量5T，FGHIJ硬盤組RAID0容量5T，兩組硬盤組RAID1容量5T。在壞掉一塊硬盤的情況下（假設F壞掉），FGHIJ組成的RAID0陣列失效，整個RAID1陣列處于降級（不健康）狀態；此時若ABCDE中任意一塊硬盤再壞掉，將導致ABCDE組成的RAID0陣列失效，整個RAID1陣列將完全失效，數據全部丟失。因此在一塊硬盤失效，陣列恢復重建過程中的失敗率為5/9，超過了50%。

　　再來看RAID10：AB硬盤組RAID1容量1T，CD組RAID1容量1T……依此類推組成5個RAID1，之后再將這5個1T陣列組成RAID0，容量5T。依然假設壞掉F盤，此時F所處的RAID1陣列（E、F）處于降級狀態，而整個RAID0陣列依然健康（由于RAID0陣列沒有容錯機制，因此除了健康就是失效，沒有降級狀態）；如果第二塊硬盤壞掉，只要不是E盤，整個RAID0陣列就不會失效。因此RAID10在一塊硬盤失效，陣列恢復重建過程中的失敗率僅為1/9，只有RAID01的五分之一。

　　以上就是棄用RAID01而采用RAID10的原因，可能比較繞，希望大家可以耐心看完。不過只要大家認真讀過，就能發現RAID10對于硬盤的限制：至少4塊硬盤，并且硬盤數目需要是2的倍數（因為要做RAID1）。而總可用空間為（單盤容量*硬盤數量/2），也就是空間利用率為1/2；最多允許陣列中一半的硬盤壞掉（每個小RAID1陣列中壞一塊硬盤），因此容錯率也為1/2。

　　至于RAID10的理論讀取性能呢，則為max(小RAID1陣列中兩塊盤的讀取速度)*n/2；而理論寫入性能則是min(小RAID1陣列中兩塊盤的寫入速度)*n/2。

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　　熱備盤與冷備盤

　　(Hot Spare / Cold Spare)

　　講到這里，大家想必已經對RAID陣列有一定的了解了，也見到了RAID的容錯冗余能力。那么在繼續剩下的RAID類型科普之前，我們先來講一下，如果我在具有容錯冗余能力的RAID陣列（即除去RAID0的其他RAID類型）中壞掉了一塊硬盤，RAID陣列會如何自我進行恢復呢？

　　我們就以2盤的RAID1為例。假如壞掉了一塊盤，RAID1陣列將只有1塊盤在正常運行，這時的RAID1陣列將處于降級（Degraded）狀態，也就意味著當前陣列已無容錯冗余能力，雖然還能繼續運行，但是數據已經不安全，需要人為干預進行修復。對于我們來講，只需要拔出壞掉的硬盤，換一塊相同容量的、好的硬盤插上去，RAID1陣列就會自動開始恢復重建過程。簡單來說，就是將剩余1塊盤中的數據重新拷貝到新換上的這塊盤中。根據硬盤大小的不同，陣列恢復重建過程將從十幾小時到幾十小時不等。

　　那么，我們換上的這塊硬盤，不管你是從抽屜里拿出來的還是去科技市場買了一塊新的，都是通過人為操作插入到整個陣列里的。在出問題之前，這塊盤就冷冷的躺在抽屜里而并不會通電，這塊盤就叫冷備盤（Cold Spare）。

　　那能不能讓陣列自動找一塊好的硬盤來替換掉壞掉的盤呢？當然可以。我們可以為任何一種具有容錯冗余能力的RAID陣列配備熱備盤（Hot Spare）。簡單來說，就是在建好RAID陣列后，再向其中插入1到多塊與陣列中硬盤相同容量的盤，將其設置為Hot Spare模式。這些盤在陣列健康的時候就靜靜的呆在那，也不存數據，也沒有讀寫訪問。一旦陣列中有硬盤出問題，陣列處于Degraded狀態時，RAID控制器會立即激活熱備盤，開始陣列的恢復重建工作。

　　配備熱備盤的好處是當陣列出現問題時，可以第一時間啟動恢復重建操作，而不必等操作人員發現之后再手動操作。這樣就避免了陣列在（降級后，操作人員發現之前）的這段時間內“帶病運行”，增加了數據的可靠性。當然，缺點就是又增加了成本。