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完全图解RAID存储技术:RAID 0、1、5、6、10、50、60

发布人:千 发布时间:2024-09-27 18:27 阅读量:74

本文给大家科普一下RAID存储,我会从以下几个方面进行介绍:

TOC

本文篇幅有点长,介绍的非常全面,可以不夸张的说全网找不到第二篇那么详细了,强烈建议在阅读前先收藏,以防后期找不到了!

下面让我们直接开始!

什么是RAID存储?

独立磁盘冗余阵列(RAID)是一种存储技术,通过将两个或多个硬盘驱动器(HDD)或固态硬盘(SSD)合并成一个协调的存储单元或阵列,从而创建数据丢失的故障安全机制。

RAID存储通过将数据重复或重新创建,并将其存储在附加的驱动器上来防止磁盘驱动器数据的完全丢失,这个过程也被称为数据冗余

提供数据丢失保护的配置被称为“容错”配置,这意味着即使磁盘驱动器发生故障,阵列仍然可以成功运行并提供可恢复的数据。

RAID的历史

RAID的概念最早由加州大学伯克利分校的计算机科学家David Patterson、Garth Gibson和Randy Katz在1987年提出。他们的研究论文“关于RAID的论证”提出了将多个磁盘驱动器组合起来,以提高性能和可靠性的想法。

最初,RAID的目标是通过将多个廉价的磁盘驱动器组合起来,以取代昂贵的大型磁盘驱动器,从而提供更高的性能和容错能力。因此,RAID的原始名称是“Redundant Array of Inexpensive Disks”(廉价磁盘冗余阵列)。

余和性能特征的不同,RAID级别分为多个类型,如RAID 0、RAID 1、RAID 5、RAID 6等。

RAID的发展离不开硬件和软件技术的进步。早期的RAID实施通常依赖于软件,即操作系统提供的RAID功能。然而,随着硬件技术的进步,硬件RAID控制器出现了,提供更高的性能和更强大的功能。

RAID的标准化工作也逐渐展开。Storage Networking Industry Association(SNIA)成立了RAID专门兴趣小组,致力于制定和推动RAID的标准化和发展。这些标准化工作为不同RAID级别的实施提供了一致性和互操作性。

RAID级别

RAID存储提供了不同的级别,每个级别具有不同的冗余和性能特性。

以下是常见的RAID级别:

  • RAID 0:条带化(数据分块)但没有冗余,提供较高的读写性能。
  • RAID 1:镜像,数据完全复制到另一个驱动器,提供容错能力。
  • RAID 5:条带化加分布式奇偶校验,提供数据冗余和读取性能。
  • RAID 6:类似于RAID 5,但提供更高级别的容错能力。
  • RAID 10:RAID 1+0,将RAID 1镜像组合成RAID 0条带化,提供较高的容错能力和读写性能。
  • RAID 50:RAID 5组合成RAID 0,提供较高的性能和容错能力。
  • RAID 60:RAID 6组合成RAID 0,提供更高级别的性能和容错能力。

下面我们来详细介绍一下RAID的各个级别

RAID 0

原理

RAID 0使用数据条带化(striping)的方式将数据分散存储在多个磁盘驱动器上,而不进行冗余备份。数据被分成固定大小的块,并依次存储在每个磁盘上。例如,如果有两个驱动器(驱动器A和驱动器B),一块数据的第一个部分存储在驱动器A上,第二个部分存储在驱动器B上,以此类推。这种条带化的方式可以同时从多个驱动器读取或写入数据,从而提高系统的性能。

原理图

以下是RAID 0的冗余原理图,展示了数据条带化存储的方式:

在上述示例中,数据被分成块,并依次存储在两个驱动器上。每个块的一部分存储在驱动器A上,另一部分存储在驱动器B上。

适用场景

RAID 0适用于需要高性能而不关心数据冗余的场景。以下是几种适合使用RAID 0的场景:

  1. 视频编辑和处理:在视频编辑中,需要快速读取和写入大量数据。RAID 0可以通过并行读写操作提高数据传输速度,加快视频编辑和处理的速度。
  2. 大型数据库应用:对于需要频繁访问和查询数据库的应用程序,RAID 0可以提供更快的数据访问速度,加快数据库操作的响应时间。
  3. 实时流媒体:对于需要实时传输和处理大量数据的流媒体应用,RAID 0可以提供足够的带宽和吞吐量,确保流媒体内容的平滑播放。

优点

RAID 0具有以下优点:

  1. 高性能:通过数据条带化和并行读写操作,RAID 0可以提供更快的数据传输速度和更高的系统性能。
  2. 成本效益:相对于其他RAID级别(如RAID 1或RAID 5),RAID 0不需要额外的磁盘用于冗余备份,因此在成本上更具竞争力。

缺点

RAID 0也存在一些缺点:

  1. 缺乏冗余:由于RAID 0不提供数据冗余,如果任何一个驱动器发生故障,所有数据都可能丢失。因此,RAID 0不适合存储关键数据。
  2. 可靠性降低:由于没有冗余备份,RAID 0的可靠性相对较低。如果任何一个驱动器发生故障,整个阵列的可用性将受到影响。

RAID 1

原理

RAID 1使用数据镜像(mirroring)的方式将数据完全复制到两个或多个磁盘驱动器上。当写入数据时,数据同时写入所有驱动器。这样,每个驱动器都具有相同的数据副本,从而实现数据的冗余备份。如果其中一个驱动器发生故障,系统可以继续从剩余的驱动器中读取数据,确保数据的可用性和完整性。

原理图

以下是RAID 1的冗余原理图,展示了数据镜像的方式:

在上述示例中,数据被完全复制到两个驱动器上。每个块的数据都同时存储在两个驱动器上,以实现数据的冗余备份。

适用场景

RAID 1适用于对数据冗余和高可用性要求较高的场景。以下是几种适合使用RAID 1的场景:

  1. 关键数据存储:对于关键数据的存储,如企业的财务数据、客户信息等,RAID 1可以提供数据冗余备份,以防止数据丢失。
  2. 数据库服务器:对于需要高可用性和容错性的数据库服务器,RAID 1可以确保数据的持久性和可用性,即使一个驱动器发生故障,也可以从其他驱动器中读取数据。
  3. 文件服务器:对于共享文件的服务器,RAID 1可以提供冗余备份,确保文件的可靠性和高可用性。

优点

RAID 1具有以下优点:

  1. 数据冗余备份:RAID 1通过数据镜像将数据完全复制到多个驱动器上,提供冗余备份,保护数据免受驱动器故障的影响。
  2. 高可用性:由于数据的冗余备份,即使一个驱动器发生故障,系统仍然可以从其他驱动器中读取数据,保证数据的可用性和连续性。
  3. 读取性能提升:RAID 1可以通过并行读取数据的方式提升读取性能,从而加快数据访问速度。

缺点

RAID 1也存在一些缺点:

  1. 成本增加:由于需要额外的磁盘用于数据冗余备份,RAID 1的成本相对较高。需要考虑额外的硬件成本。
  2. 写入性能略低:由于数据需要同时写入多个驱动器,相对于单个驱动器的写入性能,RAID 1的写入性能可能略低。

RAID 5

原理

RAID 5使用数据条带化(striping)的方式将数据分散存储在多个磁盘驱动器上,并通过分布式奇偶校验实现数据的冗余备份。数据和奇偶校验信息被组织成数据块,其中奇偶校验信息被分布式存储在不同的驱动器上。当写入数据时,奇偶校验信息也会被更新。如果其中一个驱动器发生故障,系统可以通过重新计算奇偶校验信息来恢复丢失的数据。这种方式可以同时提供性能增强和数据冗余。

原理图

以下是RAID 5的冗余原理图,展示了数据条带化和分布式奇偶校验的方式:

在上述示例中,数据被分成块,并依次存储在不同的驱动器上。奇偶校验信息被分布式存储在驱动器中。通过奇偶校验信息,可以计算和恢复丢失的数据。

适用场景

RAID 5适用于需要性能增强和数据冗余的场景。以下是几种适合使用RAID 5的场景:

  1. 文件服务器:对于文件服务器,RAID 5可以提供高性能的数据访问和数据冗余备份,确保文件的安全性和可用性。
  2. 数据库服务器:对于需要高性能和数据冗余的数据库服务器,RAID 5可以提供快速的数据读取和写入,同时保护数据免受驱动器故障的影响。
  3. 小型企业环境:对于小型企业,RAID 5提供了经济实惠的解决方案,同时提供了性能和数据冗余的好处。

优点

RAID 5具有以下优点:

  1. 性能增强:通过数据条带化和并行读写操作,RAID 5可以提供较高的数据传输速度和系统性能。
  2. 数据冗余备份:通过分布式奇偶校验,RAID 5可以提供数据的冗余备份,保护数据免受驱动器故障的影响。
  3. 成本效益:相对于其他RAID级别(如RAID 1),RAID 5只需要额外一个驱动器用于奇偶校验信息,从而在成本上更具竞争力。

缺点

RAID 5也存在一些缺点:

  1. 写入性能受限:由于写入数据时需要重新计算奇偶校验信息,相对于读取操作,RAID 5的写入性能较低。
  2. 驱动器故障期间的数据完整性:如果一个驱动器发生故障,系统在恢复数据时需要进行计算,这可能导致数据访问速度较慢,并且在此期间可能会有数据完整性的风险。

RAID 6

原理

RAID 6使用数据条带化(striping)的方式将数据分散存储在多个磁盘驱动器上,并通过分布式奇偶校验和双重奇偶校验实现数据的冗余备份。数据和奇偶校验信息被组织成数据块,其中奇偶校验信息被分布式存储在不同的驱动器上,并通过双重奇偶校验提供更高的数据冗余性。当写入数据时,奇偶校验信息也会被更新。如果其中两个驱动器发生故障,系统可以通过重新计算奇偶校验信息来恢复丢失的数据。这种方式可以同时提供性能增强和更高级别的数据冗余。

原理图

以下是RAID 6的冗余原理图,展示了数据条带化、分布式奇偶校验和双重奇偶校验的方式:

在上述示例中,数据被分成块,并依次存储在不同的驱动器上。奇偶校验信息被分布式存储在驱动器中,并通过双重奇偶校验提供更高级别的数据冗余性。

适用场景

RAID 6适用于需要更高级别的数据冗余和性能增强的场景。以下是几种适合使用RAID 6的场景:

  1. 大容量存储系统:对于需要大容量存储和数据冗余备份的系统,如大型文件服务器或存档系统,RAID 6可以提供更高级别的数据冗余性。
  2. 长时间运行的应用程序:对于需要长时间运行的关键应用程序,如数据库服务器,RAID 6可以提供更高级别的数据冗余和故障容忍性。
  3. 虚拟化环境:在虚拟化环境中,需要高性能和更高级别的数据冗余来支持多个虚拟机的运行。RAID 6可以满足这些要求。

优点

RAID 6具有以下优点:

  1. 更高级别的数据冗余:通过分布式奇偶校验和双重奇偶校验,RAID 6可以提供更高级别的数据冗余性,即使同时发生两个驱动器故障,仍能恢复丢失的数据。
  2. 性能增强:通过数据条带化和并行读写操作,RAID 6可以提供较高的数据传输速度和系统性能。

缺点

RAID 6也存在一些缺点:

  1. 写入性能略低:由于数据需要同时写入多个驱动器,并进行双重奇偶校验计算,相对于读取操作,RAID 6的写入性能较低。
  2. 较高的成本:由于需要额外的磁盘用于奇偶校验信息和更复杂的计算,RAID 6的成本相对较高。需要考虑额外的硬件成本。

RAID 10

原理

RAID 10使用条带化(striping)的方式将数据分散存储在多个磁盘驱动器上,并通过镜像(mirroring)实现数据的冗余备份。数据被分成固定大小的块,并依次存储在不同的驱动器上,类似于RAID 0。然而,每个数据块都会被完全复制到另一个驱动器上,实现数据的冗余备份,类似于RAID 1。这样,RAID 10在提供性能增强的同时,也提供了数据的冗余保护。

原理图

以下是RAID 10的冗余原理图,展示了数据条带化和镜像的方式:

在上述示例中,数据被分成块,并依次存储在不同的驱动器上。每个块的数据都完全复制到另一个驱动器上,实现数据的冗余备份。

适用场景

RAID 10适用于需要高性能和数据冗余的场景。以下是几种适合使用RAID 10的场景:

  1. 数据库服务器:对于需要高可用性和性能的数据库服务器,RAID 10可以提供快速的数据读取和写入,同时保护数据免受驱动器故障的影响。
  2. 虚拟化环境:在虚拟化环境中,需要高性能和数据冗余来支持多个虚拟机的运行。RAID 10可以满足这些要求,提供性能增强和数据保护。
  3. 关键业务应用:对于关键业务应用,如金融交易系统或在线电子商务平台,RAID 10可以提供高可用性和快速的数据访问,确保业务的连续性和稳定性。

优点

RAID 10具有以下优点:

  1. 高性能:通过数据条带化和并行读写操作,RAID 10可以提供较高的数据传输速度和系统性能。
  2. 数据冗余备份:通过数据镜像将数据完全复制到另一个驱动器上,RAID 10提供了数据的冗余备份,保护数据免受驱动器故障的影响。
  3. 较高的可靠性:由于RAID 10采用镜像的方式进行数据冗余备份,即使一个驱动器发生故障,仍然可以从其他驱动器中读取数据,确保数据的可用性和连续性。
  4. 快速的故障恢复:在RAID 10中,如果一个驱动器发生故障,系统可以直接从镜像驱动器中恢复数据,而无需进行复杂的计算,从而加快故障恢复的速度。

缺点

RAID 10也存在一些缺点:

  1. 较高的成本:相对于其他RAID级别,RAID 10需要更多的驱动器用于数据镜像,从而增加了硬件成本。
  2. 低效的空间利用:由于RAID 10的数据镜像特性,有效的存储容量只等于所有驱动器中一半的容量,因此空间利用率较低。

RAID 50

原理

RAID 50使用条带化(striping)的方式将数据分散存储在多个RAID 5组中,并通过RAID 0的条带化方式对这些RAID 5组进行条带化。每个RAID 5组由多个磁盘驱动器组成,并使用分布式奇偶校验来提供数据冗余备份。RAID 0则通过将数据划分为固定大小的块,并将这些块依次存储在多个驱动器上,提供了更高的性能。这样,RAID 50既提供了数据冗余备份,又提供了性能增强。

原理图

以下是RAID 50的冗余原理图,展示了数据条带化和分布式奇偶校验的方式:

在上述示例中,数据被分成块,并依次存储在不同的RAID 5组中。每个RAID 5组由多个驱动器组成,并使用分布式奇偶校验提供数据的冗余备份。

适用场景

RAID 50适用于需要高性能和更高级别的数据冗余的场景。以下是几种适合使用RAID 50的场景:

  1. 大规模数据存储:对于需要大规模数据存储和数据冗余备份的系统,如视频编辑、数据分析或大型数据库,RAID 50可以提供高性能和较高级别的数据冗余性。
  2. 图形渲染和动画制作:在图形渲染和动画制作领域,需要高性能的存储系统来处理大型文件和复杂的渲染任务。RAID 50可以满足这些要求,提供快速的数据读取和写入速度。
  3. 虚拟化环境:在虚拟化环境中,需要高性能和更高级别的数据冗余来支持多个虚拟机的运行。RAID 50可以满足这些要求,提供性能增强和数据保护。

优点

RAID 50具有以下优点:

  1. 高性能:通过数据条带化和并行读写操作,RAID 50可以提供较高的数据传输速度和系统性能。
  2. 更高级别的数据冗余:由于采用了多个RAID 5组的方式,RAID 50提供了更高级别的数据冗余备份,即使同时发生多个驱动器故障,仍能恢复丢失的数据。

缺点

RAID 50也存在一些缺点:

  1. 较高的成本:由于需要更多的驱动器用于数据条带化和数据冗余备份,RAID 50的硬件成本相对较高。
  2. 配置和管理复杂性:由于涉及多个RAID 5组和驱动器,RAID 50的配置和管理相对复杂,需要更多的注意和维护。

RAID 60

原理

RAID 60采用条带化(striping)的方式将数据分散存储在多个RAID 6组中,并通过RAID 0的条带化方式对这些RAID 6组进行条带化。每个RAID 6组由多个磁盘驱动器组成,并使用分布式奇偶校验来提供数据的冗余备份。RAID 0则通过将数据划分为固定大小的块,并将这些块依次存储在多个驱动器上,提供了更高的性能。这样,RAID 60既提供了更高级别的数据冗余备份,又提供了性能增强。

原理图

以下是RAID 60的冗余原理图,展示了数据条带化和分布式奇偶校验的方式:

在上述示例中,数据被分成块,并依次存储在不同的RAID 6组中。每个RAID 6组由多个驱动器组成,并使用分布式奇偶校验提供数据的冗余备份。

适用场景

RAID 60适用于需要更高级别的数据冗余和更高性能的场景。以下是几种适合使用RAID 60的场景:

  1. 大型数据库系统:对于大型数据库系统,需要高可用性、高性能和更高级别的数据冗余来确保数据的完整性和可靠性。RAID 60可以提供这些要求。
  2. 大规模数据分析:在大规模数据分析领域,需要高性能的存储系统来处理大量数据的读取和写入。RAID 60可以满足这些要求,提供较高的数据传输速度和系统性能。
  3. 视频流媒体处理:对于视频流媒体处理应用,需要快速的数据读取和写入,以确保流畅的视频播放和高质量的媒体处理。RAID 60可以满足这些要求。

优点

RAID 60具有以下优点:

  1. 更高级别的数据冗余:由于采用了多个RAID 6组的方式,RAID 60提供了更高级别的数据冗余备份,即使同时发生多个驱动器故障,仍能恢复丢失的数据。
  2. 高性能:通过数据条带化和并行读写操作,RAID 60可以提供较高的数据传输速度和系统性能。

缺点

RAID 60也存在一些缺点:

  1. 较高的成本:由于需要更多的驱动器用于数据条带化和数据冗余备份,RAID 60的硬件成本相对较高。
  2. 配置和管理复杂性:由于涉及多个RAID 6组和驱动器,RAID 60的配置和管理相对复杂,需要更多的注意和维护。

RAID级别对比

RAID 0

  • 最小磁盘数:2
  • 容错能力:无冗余,不具备容错能力
  • 磁盘空间开销:0%
  • 读取速度:高
  • 写入速度:高
  • 硬件成本:低

RAID 1

  • 最小磁盘数:2
  • 容错能力:可容忍单个磁盘故障
  • 磁盘空间开销:50%
  • 读取速度:高
  • 写入速度:低
  • 硬件成本:中

RAID 5

  • 最小磁盘数:3
  • 容错能力:可容忍单个磁盘故障
  • 磁盘空间开销:1 / N(其中N为磁盘数)
  • 读取速度:中
  • 写入速度:低
  • 硬件成本:中

RAID 6

  • 最小磁盘数:4
  • 容错能力:可容忍两个磁盘故障
  • 磁盘空间开销:2 / N(其中N为磁盘数)
  • 读取速度:中
  • 写入速度:低
  • 硬件成本:高

RAID 10

  • 最小磁盘数:4
  • 容错能力:可容忍多个磁盘故障
  • 磁盘空间开销:50%
  • 读取速度:高
  • 写入速度:中
  • 硬件成本:高

RAID 50

  • 最小磁盘数:6
  • 容错能力:可容忍单个磁盘故障
  • 磁盘空间开销:1 / N(其中N为磁盘数)
  • 读取速度:高
  • 写入速度:中
  • 硬件成本:高

RAID 60

  • 最小磁盘数:8
  • 容错能力:可容忍多个磁盘故障
  • 磁盘空间开销:50%
  • 读取速度:高
  • 写入速度:中
  • 硬件成本:高

为了方便记忆,瑞哥将其整理成表格:

RAID级别

最小磁盘数

容错能力

磁盘空间开销

读取速度

写入速度

硬件成本

RAID 0

2

0%

RAID 1

2

单个磁盘

50%

RAID 5

3

单个磁盘

1 / N

RAID 6

4

两个磁盘

2 / N

RAID 10

4

多个磁盘

50%

RAID 50

6

单个磁盘

1 / N

RAID 60

8

多个磁盘

50%

如何选择RAID?

在选择合适的RAID级别时,需要综合考虑以下因素:

1. 容错能力需求

如果您的数据对于故障容忍性非常敏感,那么具有更高级别容错能力的RAID级别是首选。例如,对于关键数据和业务应用,RAID 6或RAID 10是较好的选择。

2. 性能需求

根据应用程序和工作负载对性能的要求,选择适当的RAID级别非常重要。如果您需要高读写性能和较低的响应时间,可以考虑RAID 0或RAID 10。对于需要较高读取性能的应用,RAID 5或RAID 6也可以考虑。

3. 存储空间利用率

如果您对存储空间的利用率有较高的要求,可以考虑RAID 5、RAID 6或RAID 10。这些级别可以在一定程度上提供较高的存储空间利用率。RAID 1则会导致存储空间的浪费,因为数据完全复制到多个驱动器上。

4. 成本预算

成本是选择RAID级别时需要考虑的重要因素之一。不同的RAID级别具有不同的硬件配置和成本。RAID 0通常是成本最低的选择,而RAID 10和RAID 6可能需要更多的硬件资源和较高的成本。

综合考虑以上因素,以下是一些推荐的RAID级别和应用场景:

  • 对于需要高性能和容错能力的环境,推荐使用RAID 10。
  • 如果对于成本和性能要求较高,同时对容错能力也有一定要求,可以选择RAID 5。
  • 如果对于数据完整性的要求较高,并且能提供更高的容错能力,推荐使用RAID 6。
  • 如果对于存储空间利用率和成本效益的要求较高,同时对性能和容错能力有一定要求,可以选择RAID 5或RAID 6。
  • 如果对于读写性能要求较高,但容错能力不是首要考虑因素,可以选择RAID 0或RAID 10。

RAID的演进

随着时间的推移,RAID存储技术不断演进和改进。以下是RAID存储领域的一些重要演进:

硬件RAID控制器

硬件RAID控制器是RAID技术发展的重要里程碑之一。硬件RAID控制器是一种独立的设备,具有自己的处理器和缓存,用于执行RAID级别的计算和管理。它通过降低主机系统的负担,提供更高的性能和更好的数据保护。

RAID级别的增加

随着RAID技术的发展,不断引入了新的RAID级别,以满足不同的需求。RAID 5和RAID 6提供了更高级别的容错能力,可以容忍多个磁盘故障。RAID 10结合了RAID 1和RAID 0的优势,提供了更高的性能和容错能力。RAID 50和RAID 60结合了不同级别的RAID,提供更高级别的性能和容错能力。

SSD和RAID

随着固态硬盘(SSD)技术的发展,SSD在RAID存储中的应用也逐渐增多。SSD具有更高的读写性能和更好的可靠性,可以提供更高的RAID性能。SSD的低延迟和高吞吐量使得RAID存储能够更好地满足高性能计算和数据密集型应用的需求。

RAID存储的未来

RAID存储技术在过去几十年中取得了巨大的进步,为数据存储提供了更高的可靠性和性能。然而,随着大数据、云计算和人工智能等技术的快速发展,对存储系统的需求也在不断增长和变化。

未来的RAID存储将面临更大的挑战和机遇。新的技术和创新将推动RAID存储在容错能力、性能、扩展性和成本效益方面的进一步发展。例如,分布式RAID、混合存储技术和软件定义存储等新兴技术将在未来的RAID存储中发挥重要作用。

本文完!

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