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架构师不得不了解的硬件知识 - 磁盘阵列RAID

概述

什么是RAID:RAID ( Redundant Array of Independent Disks )即独立磁盘冗余阵列,通常简称为磁盘阵列。简单地说, RAID 是由多个独立的高性能磁盘驱动器组成的磁盘子系统,从而提供比单个磁盘更高的存储性能数据冗余的技术。 RAID 是一类多磁盘管理技术,其向主机环境提供了成本适中、数据可靠性高的高性能存储。

RAID 中主要有三个关键概念和技术:镜像( Mirroring )数据条带( Data Stripping )数据校验( Data parity )

镜像:将数据复制到多个磁盘,一方面可以提高可靠性,另一方面可并发从两个或多个副本读取数据来提高读性能。显而易见,镜像的写性能要稍低, 确保数据正确地写到多个磁盘需要更多的时间消耗。

数据条带:将数据分片保存在多个不同的磁盘,多个数据分片共同组成一个完整数据副本,这与镜像的多个副本是不同的,它通常用于性能考虑。数据条带具有更高的并发粒度,当访问数据时,可以同时对位于不同磁盘上数据进行读写操作, 从而获得非常可观的 I/O 性能提升 。

数据校验:利用冗余数据进行数据错误检测和修复,冗余数据通常采用海明码、异或操作等算法来计算获得。利用校验功能,可以很大程度上提高磁盘阵列的可靠性、鲁棒性和容错能力。不过,数据校验需要从多处读取数据并进行计算和对比,会影响系统性能。 不同等级的 RAID 采用一个或多个以上的三种技术,来获得不同的数据可靠性、可用性和 I/O 性能。

对于系统需要采用何种模式的 RAID ,需要在深入理解系统需求的前提下进行合理选择,综合评估可靠性、性能和成本来进行折中的选择。

常见的RAID等级有:

  • 标准RAID RAID0 、 RAID1 、 RAID2 、 RAID3 、 RAID4 、 RAID5 、RAID6 七个等级定为标准的 RAID 等级
  • 混合RAID: RAID10、RAID50、RAID60...

下面我们分别介绍一下各种RAID级别并做个简单对比。

RAID0

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使用N块磁盘进行组合实现性能翻N倍的效果,写入数据会分成N部分进行,读取数据会从磁盘中组合起来读,这样就实现了读写性能翻倍。 优点: 使用RAID0 可以将磁盘空间利用率最大化,能达到100%;性能快,磁盘越多性能越强。

缺点: 没有数据保护,甚至比单盘的风险还大。任意坏了一块磁盘都会导致数据丢失。

RAID 1

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RAID 1 中的磁盘互为镜像,写入的数据会存放N份,读取的时候可以从任意一块磁盘读取。实现了读性能翻倍,写性能与单盘一样的效果。

优点: 安全性依照阵列中的实体硬盘数量倍数成长。

缺点: 空间利用率低,是所有阵列中利用率最低的。

RAID 5

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RAID5 既考虑了空间利用率又考虑了性能的提升,采用校验码的而非镜像的方式组合而成,RAID5 阵列需要至少3块磁盘。 在上图中使用了4块磁盘组合而成,任意一份数据写入会被分成三个数据块+一个校验块分别放入4个盘,数据块与校验块之间交叉分布,最终每个盘上既有数据块又有校验块。读数据时A时从Disk 0 ,1 ,2 分别读取到A1,A2,A3然后组合成A;如果此时有一块磁盘比如Disk2 损坏,则会通过读取到的A1、A2+ 校验码算出A3,再组合生成数据A对外提供。RAID 5 可以容忍一块盘的损坏。

优点: 读的情况下是单盘数据的三倍;有一定的安全性,可以容忍损坏一块磁盘 缺点: 由于每次写数据都需要计算校验块,导致写性能下降;仅能容忍坏一块磁盘损坏

RAID 6

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RAID6可以灵活设计数据库和校验块的比例,上图中被设计成3个数据块+2个校验块的组合,增加了数据可靠性。RAID 6在备份的数据场景使用较多,提供的数据可靠性比RAID 5要高很多。

RAID 10

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首先把两块盘做镜像,再按照RAID0的方式组合,既实现了数据的冗余又实现了性能翻倍的效果。RAID 1+0多适用于数据库场景。

RAID 50

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先做成RAID5的组再组合成RAID0,兼顾RAID5和RAID0的特性。

RAID 60

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先做成RAID6的组合再组合成RAID0,兼顾RAID6和RAID0的特性。

各种组合之间的对比

RAID级别 冗余 空间利用率 读性能 写性能 最少磁盘数
RAID0 100% *** *** 2
RAID1 50% ** ** 2
RAID5 67-94% *** * 3
RAID6 50-88% ** * 4
RAID10 50% ** ** 4
RAID50 67-94% *** * 6
RAID60 50-88% ** * 8