【大数据】RAID介绍（二）

5.RAID4

RAID4 与 RAID3 的原理大致相同，区别在于条带化的方式不同。 RAID4 （图 6 ）按照 块的方式来组织数据，写操作只涉及当前数据盘和校验盘两个盘，多个 I/O 请求可以同时得到处理，提高了系统性能。 RAID4 按块存储可以保证单块的完整性，可以避免受到其他磁盘上同条带产生的不利影响。

RAID4 在不同磁盘上的同级数据块同样使用 XOR 校验，结果存储在校验盘中。写入数据时， RAID4 按这种方式把各磁盘上的同级数据的校验值写入校验 盘，读取时进行即时校验。因此，当某块磁盘的数据块损坏， 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建。

RAID4 提供了 非常好的读性能，但单一的校验盘往往成为系统性能的瓶颈。对于写操作， RAID4 只能一个磁盘一个磁盘地写，并且还要写入校验数据，因此写性能比较差。而且随着成员磁盘数量的增加，校验盘的系统瓶颈将更加突出。正是如上这些限制和不足， RAID4 在实际应用中很少见，主流存储产品也很少使用 RAID4 保护。

图6 RAID4 ：带有专用块级校验的数据条带

6.RAID5

RAID5 应该是目前最常见的 RAID 等级，它的原理与 RAID4 相似，区别在于校验数据分布在阵列中的所有磁盘上，而没有采用专门的校验磁盘。对于数据和校验数据，它们的写操作可以同时发生在完全不同的磁盘上。因此， RAID5 不存在 RAID4 中的并发写操作时的校验盘性能瓶颈问题。另外， RAID5 还具备很好的扩展性。当阵列磁盘 数量增加时，并行操作量的能力也随之增长，可比 RAID4 支持更多的磁盘，从而拥有更高的容量以及更高的性能。

RAID5 （图 7）的磁盘上同时存储数据和校验数据，数据块和对应的校验信息存保存在不同的磁盘上，当一个数据盘损坏时，系统可以根据同一条带的其他数据块和对应的校验数据来重建损坏的数据。与其他 RAID 等级一样，重建数据时， RAID5 的性能会受到较大的影响。

RAID5 兼顾存储性能、数据安全和存储成本等各方面因素，它可以理解为 RAID0 和 RAID1 的折中方案，是目前综合性能最佳的数据保护解决方案。 RAID5 基本上可以满足大部分的存储应用需求，数据中心大多采用它作为应用数据的保护方案。

图7 RAID5 ：带分散校验的数据条带

7.RAID6

前面所述的各个 RAID 等级都只能保护因单个磁盘失效而造成的数据丢失。如果两个磁盘同时发生故障，数据将无法恢复。 RAID6 （如图 8 ）引入双重校验的概念，它可以保护阵列中同时出现两个磁盘失效时，阵列仍能够继续工作，不会发生数据丢失。 RAID6 等级是在 RAID5 的基础上为了进一步增强数据保护而设计的一种 RAID 方式，它可以看作是一种扩展的 RAID5 等级。

RAID6 不仅要支持数据的恢复，还要支持校验数据的恢复，因此实现代价很高，控制器的设计也比其他等级更复杂、更昂贵。 RAID6 思想最常见的实现方式是采用两个独立的校验算法，假设称为 P 和 Q ，校验数据可以分别存储在两个不同的校验盘上，或者分散存储在所有成员磁盘中。当两个磁盘同时失效时，即可通过求解两元方程来重建两个磁盘上的数据。

RAID6 具有快速的读取性能、更高的容错能力。但是，它的成本要高于 RAID5 许多，写性能也较差，并有设计和实施非常复杂。因此， RAID6 很少得到实际应用，主要用于对数据安全等级要求非常高的场合。它一般是替代 RAID10 方案的经济性选择。

图8 RAID6 ：带双重分散校验的数据条带

4.3 RAID 组合等级

标准 RAID 等级各有优势和不足。自然地，我们想到把多个 RAID 等级组合起来，实现优势互补，弥补相互的不足，从而达到在性能、数据安全性等指标上更高的 RAID 系统。目前在业界和学术研究中提到的 RAID 组合等级主要有 RAID00 、 RAID01 、 RAID10 、 RAID100 、 RAID30 、 RAID50 、 RAID53 、 RAID60 ，但实际得到较为广泛应用的只有 RAID01 和 RAID10 两个等级。当然，组合等级的实现成本一般都非常昂贵，只是在 少数特定场合应用。 [12]

1.RAID00

简单地说， RAID00 是由多个成员 RAID0 组成的高级 RAID0 。它与 RAID0 的区别在于， RAID0 阵列替换了原先的成员磁盘。可以把 RAID00 理解为两层条带化结构的磁盘阵列，即对条带再进行条带化。这种阵列可以提供更大的存储容量、更高的 I/O 性能和更好的 I/O 负均衡。

2. RAID01 和 RAID10

一些文献把这两种 RAID 等级看作是等同的，本文认为是不同的。 RAID01 是先做条带化再作镜像，本质是对物理磁盘实现镜像；而 RAID10 是先做镜像再作条带化，是对虚拟磁盘实现镜像。相同的配置下，通常 RAID01 比 RAID10 具有更好的容错能力，原理如图 9 所示。

RAID01 兼备了 RAID0 和 RAID1 的优点，它先用两块磁盘建立镜像，然后再在镜像内部做条带化。 RAID01 的数据将同时写入到两个磁盘阵列中，如果其中一个阵列损坏，仍可继续工作，保证数据安全性的同时又提高了性能。 RAID01 和 RAID10 内部都含有 RAID1 模式，因此整体磁盘利用率均仅为 50% 。

图 9 典型的 RAID01 （上）和 RAID10 （下）模型

3.RAID100

通常看作 RAID 1+0+0 ，有时也称为 RAID 10+0 ，即条带化的 RAID10 。原理如图 10 所示。 RAID100 的缺陷与 RAID10 相同，任意一个 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。最顶层的 RAID0 ，即条带化任务，通常由软件层来完成。

RAID100 突破了单个 RAID 控制器对物理磁盘数量的限制，可以获得更高的 I/O 负载均衡， I/O 压力分散到更多的磁盘上，进一步提高随机读性能，并有效降低热点盘故障风险。因此， RAID100 通常是大数据库的最佳选择。

图10 典型的 RAID100 模型

4.RAID30 （ RAID53 ）、 RAID50 和 RAID60

这三种 RAID 等级与 RAID00 原理基本相同，区别在于成员 “ 磁盘 ” 换成了 RAID3 、 RAID5 和 RAID6 ，分别如图 11 、 12 、 13 所示。其中， RAID30 通常又被称为 RAID53[13] 。其实，可把这些等级 RAID 统称为 RAID X0 等级， X 可为标准 RAID 等级，甚至组合等级（如 RAID100 ）。利用多层 RAID 配置，充分利用 RAID X 与 RAID0 的优点，从而获得在存储容量、数据安全性和 I/O 负载均衡等方面的大幅性能提升。

图11 典型的 RAID50 模型

图12 典型的 RAID50 模型

图13 典型的 RAID60 模型

4.4 非标准 RAID 等级

虽然标准 RAID 和组合 RAID 在具体实现上存在一定程度的不同，但与标准规范是保持一致或兼容的。然而除此之外，一些存储厂商还实现了非标准的 RAID 等级，往往都是公司私有的产品。这里简单介绍几个非标准 RAID 等级。 [14]

1.RAID7

RAID7 的全称是最优化的异步高 I/O 速率和高数据传输率，它与其他 RAID 等级有着明显区别。它不仅仅是一种技术，它还是一个独立存储计算机，自身带的操作系统和管理工具，完全可以独立运行。

RAID7 的存储计算机操作系统是一套实时事件驱动操作系统，其主要用来进行系统初始化和安排 RAID7 磁盘阵列的所有数据传输，并把它们转换到相应的物理存储驱动器上。 RAID7 通过自身系统中的专用控制板来控制读写速度，存储计算机操作系统可使主机 I/O 传递性能达到最佳。如果一个磁盘出现故障， RAID7 还能够自动执行恢复操作，并可管理备份磁盘的重建过程。

RAID7 突破了以往 RAID 标准的技术架构，采用了非同步访问，极大地减轻了数据写瓶颈，提高了 I/O 速度。 RAID7 系统内置实时操作系统还可自动对主机发送过来的读写指令进行优化处理，以智能化方式将可能被读取的数据预先读入快速缓存中，从而大大减少了磁头的转动次数，提高存储系统的 I/O 速度。

RAID7 可帮助用户有效地管理日益庞大的数据存储系统，并使系统的运行效率大大提高，满足不同用户的存储需求。但是， RAID7 的成本比其他 RAID 等级要高许多。另外， RAID7 已被某公司注册为商标，目前仅有一家公司提供 RAID7 的产品，用户没有更多的选择。技术封闭，缺乏主流专业存储厂商的参与和研发严重制约了 RAID7 的发展。

2.RAID-DP

 按照 SNIA 最新的 RAID6 定义 [15] ，双重数据校验的磁盘阵列都可归为 RAID6 等级。 NetApp 公司按照 RAID6 的定义实现了 RAID-DP ，使用双重的数据校验来保护数据，可以保证两块磁盘同时损坏的情况下不发生数据丢失。与该公司的 RAID4 实现对比，传统的 RAID6 实现会致使系统性能损失 30% 左右，而 RAID-DP 的性能下降低于 2% 。上层文件系统的请求首先写入后端的 NVRAM 中，确保即使在 掉电的情况下也不会有任何数据丢失。因此，数据块不会立即更新，当执行新来的写操作，会对写操作进行聚集，然后存储控制器尝试一次性写入包括校验数据在内的整个数据条带。 RAID-DP 提供了比 RAID10 更好的数据保护，性能却不低于 RAID10 。对于相同大小的 RAID 组，在大多数情况下， RAID-DP 没有受到传统 RAID6 即时更新数据块的挑战，并提供更多的磁盘进行读写。它甚至允许磁盘固件实时更新而不发生任何中断。

3.RAID1.5

 这是 HighPoint 公司的 RAID 产品，有时也被错误地称为 RAID15 。 RAID1.5 仅使用两个磁盘驱动器同时进行数据条带化和镜像，数据可以同时从两块磁盘进行读取。这其中的大部分工作都由硬件来完成，而非驱动程序。 Linux 、 Solaris 等操作系统实现的 RAID1 也可以实现同时从两块磁盘进行读取数据，因此 RAID1.5 并不优于传统的　RAID1。

4. RAID5E 、 RAID5EE 和 RAID6E

 这种概念首次在 IBM ServerRAID 中被提出， E 是 Enhanced 的首字母。它们分别是对 RAID5 和 RAID6 的增强，增加了热冗余磁盘驱动器，冗余磁盘与其他磁盘一块进行数据块编排。这种设计使得 I/O 可以分散到包括热冗余在内的所在磁盘，从而减小单块磁盘的 I/O 带宽， 提供更高的性能。然而，热冗余磁盘不能够被多个阵列共享。

 在实现中，实际上不存在专用的热冗余磁盘，就像 RAID5 和 RAID6 中没有专用的校验磁盘一样，所有的冗余数据块分布在所的成员磁盘中。例如，一个 10 块磁盘的 RAID5E ，包括 80% 数据块、 10% 的冗余数据块和 10% 的校验数据。对于 RAID5E 和 RAID6E ，冗余数据块位于阵列尾部，而 RAID5EE 则分布在整个 RAID 中。如果 RAID5E/5EE 中发生一块磁盘损坏，则系统会自动降级并重建至标准的 RAID5 。这一过程中， I/O 操作非常密集，并且需要花费大量时间，从几个小时至甚至几天，根据阵列的具体配置而异。当损坏磁盘被替换后，系统则又会自动升级并重建至原先的 RAID5E/5EE ，同时非常耗时。在上面的重建过程中，数据没有冗余保护。由于系统升级和降级时， I/O 活动密集且所需时间过长，因此实际应用中成员磁盘数据限制在 4~8 块。一旦超过 8 块磁盘，由于损坏磁盘的重建耗时和重建中发生第二块磁盘损坏造成的数据丢失， RAID5E/5EE 所获得的性能提升和其他获益都将严重降低。

5.RAID S (Parity RAID)

RAID S 是 EMC 公司的 Symmetrix 存储系统所使用的条带化校验 RAID 。该系统中，每个卷位于单独的物理磁盘上，多个卷组合进行数据校验。 EMC 最早引入了 RAID S 概念，后来改名为 Parity RAID 并应用于 Symmetrix DMX 平台。 EMC 现在也为 Symmetrix DMX 提供标准的 RAID5 ， RAID S 已经不再 EMC 产品中使用。

6.Intel Matrix RAID

Matrix RAID 是 Intel ICH6R 和后继的南桥芯片的一个重要特征，可以通过 RAID BIOS 进行访问。它使用两块磁盘或者控制器能支持的最多磁盘，它的显著特征是允许 RAID0 、 1 、 5 、 10 多种数据卷混合共存，每块磁盘的指定部分分配给相应的 RAID 卷。 Matrix RAID 主要用于改善性能和数据完整性，实际应用中可以将操作系统应用于小的 RAID0 ，而大的 RAID1 存储关键数据以及用户数据。海量的流媒体数据容易发生数据丢失，可以考虑使用这种 RAID 。 linux 的 MD RAID 也可以实现类似的功能。

7.Linux MD RAID 10

RAID 10 是 Linux 内核所支持的软 RAID 等级之一，它还支持 RAID0、1、3、4、5、6 等级别。软 RAID 驱动程序通常通过构造典型的 RAID1+0 阵开来实现 RAID10 ， 2.6.9 以后的内核也可作为单独的级别来实现。

MD RAID10 支持重复数据块的近布局和远布局两种模式。近布局与标准 RAID10 相同，镜像数据块相邻存储。对于 n 重镜像的 k 路条带，不要求 k 为 n 的 整倍数。两重镜像的2、3、4路条带的 MD RAID10 分布相当于 RAID1 、 RAID-1E 和 RAID10 。远布局模式下，所有磁盘被划分为 f （ f= 镜像数）个数据存储区，重复数据块相对于原始数据块具有一个磁盘和若干依偏移的距离，即保存在下一个磁盘对应存储区的偏移位置。这种设计能够提高镜像阵列的条带性能，有效提高顺序和随机读性能，但对写性能没有显著提升。许多应该通常具有读密集而写稀疏的特点， RAID10 适合此类数据应用。需要指出的是，近布局和远布局两种模式可以同时使用，这种情况下将有 n * f 个数据副本。

8. IBM ServerRAID 1E

IBM 公司的 ServerRAID 阵列卡系列支持任意数量驱动器上的两路镜像，多个磁盘对数据块进行轮转镜像。这种配置能够对不相邻磁盘驱动器发生的损坏进行容错，其他的存储系统也支持这种模式，比如 SUN 公司的 StorEdge T3 。

9.RAID-K

Kaleidescape 公司实现了一种称为 RAID-K[16] 的 RAID 类型。 RAID-K 与 RAID4 相似，但不对文件数据进行块级的条带化处理，它企图将整个电影或音乐集合完整地存储在单个磁盘上。另外，它的冗余校验信息可存储在多个磁盘上，从而适应由多个容量不同的磁盘所组成的逻辑磁盘。而且，冗余数据包含比校验信息更多的数据，用于获取更高的容错性。这些特征可以为影像、音乐提供更好的性能，增加数据存储的安全性。 RAID-K 还可以允许用户以增量方式扩充存储容量，能够增加容量更大的磁盘，甚至它还可以增加包含数据（仅限影像和音乐）的磁盘。 RAID-K 会自动把这些磁盘组建成 RAID-K 阵列和 Kaleidescape 文件系统。

10. RAID-Z

RAID-Z 是集成在 SUN 公司 ZFS 文件系统中的一种与 RAID5 相似的 RAID 模式。利用写时复制策略， RAID-Z 避免了 RAID5 的写操作困境（即更新数据同时需要更新校验数据），它不用新数据覆盖旧数据，而是把新数据写到新位置并自动更新数据指针。对于小的写操作，仅仅执行完全的写条带操作，有效避免 “ 读取－更改－写回 ” 的操作需求。另外，还可以直接对小写操作使用镜像替换校验进行保护，因为文件系统了解下层存储结构，可以在必要时分配 额外存储空间。 ZFS 还实现了 RAID-Z2 ，提供类似与 RAID6 的双重校验保护能力，可以保证不块磁盘发生损坏而不发生数据丢失。根据 2009 年 6 月的更新， ZFS 加入了三重校验 RAID 支持，或许称为 RAID-Z3 。

五、实现方式

通常计算机功能既可以由硬件来实现，也可以由软件来实现。对于 RAID 系统而言，自然也不例外，它可以采用软件方式实现，也可以采用硬件方式实现，或者采用软硬结合的方式实现。 [3][8]

5.1 软 RAID

 软 RAID 没有专用的控制芯片和 I/O 芯片，完全由操作系统和 CPU 来实现所的 RAID 的功能。现代操作系统基本上都提供软 RAID 支持，通过在磁盘设备驱动程序上添加一个软件层，提供一个物理驱动器与逻辑驱动器之间的抽象层。目前，操作系统支持的最常见的 RAID 等级有 RAID0 、 RAID1 、 RAID10 、 RAID01 和 RAID5 等。比如， Windows Server 支持 RAID0 、 RAID1 和 RAID5 三种等级， Linux 支持 RAID0 、 RAID1 、 RAID4 、 RAID5 、 RAID6 等， Mac OS X Server 、 FreeBSD 、 NetBSD 、 OpenBSD 、 Solaris 等操作系统也都支持相应的 RAID 等级。

 软 RAID 的配置管理和数据恢复都比较简单，但是 RAID 所有任务的处理完全由 CPU 来完成，如计算校验值，所以执行效率比较低下，这种方式需要消耗大量的运算资源，支持 RAID 模式 较少，很难广泛应用。

 软 RAID 由操作系统来实现，因此系统所在分区不能作为 RAID 的逻辑成员磁盘，软 RAID 不能保护系统盘 D 。对于部分操作系统而言， RAID 的配置信息保存在系统信息中，而不是单独以文件形式保存在磁盘上。这样当系统意外崩溃而需要重新安装时， RAID 信息就会丢失。另外，磁盘的容错技术并不等于完全支持在线更换、热插拔或热交换，能否支持错误磁盘的热交换与操作系统实现相关，有的操作系统热交换。

5.2 硬 RAID

 硬 RAID 拥有自己的 RAID 控制处理与 I/O 处理芯片，甚至还有阵列缓冲，对 CPU 的占用率和整体性能是三类实现中最优的，但实现成本也最高的。硬 RAID 通常都支持热交换技术，在系统运行下更换故障磁盘。

 硬 RAID 包含 RAID 卡和主板上集成的 RAID 芯片， 服务器平台多采用 RAID 卡。 RAID 卡由 RAID 核心处理芯片（ RAID 卡上的 CPU ）、端口、缓存和电池 4 部分组成。其中，端口是指 RAID 卡支持的磁盘接口类型，如 IDE/ATA 、 SCSI 、 SATA 、 SAS 、 FC 等接口。

5.3 软硬混合 RAID

 软 RAID 性能欠佳，而且不能保护系统分区，因此很难应用于桌面系统。而硬 RAID 成本非常昂贵，不同 RAID 相互独立，不具互操作性。因此，人们采取软件与硬件结合的方式来实现 RAID ，从而获得在性能和成本上的一个折中，即较高的性价比。

 这种 RAID 虽然采用了处理控制芯片，但是为了节省成本，芯片往往比较廉价且处理能力较弱， RAID 的任务处理大部分还是通过固件驱动程序由 CPU 来完成。

六、RAID 应用选择

RAID 等级的选择主要有三个因素，即数据可用性、 I/O 性能和成本。　目前，在实际应用中常见的主流 RAID 等级是 RAID0 ， RAID1 ， RAID3 ， RAID5 ， RAID6 和 RAID10 ，它们之间的技术对比情况如表 1 所示。如果不要求可用性，选择 RAID0 以获得高性能。如果可用性和性能是重要的，而成本不是一个主要因素，则根据磁盘数量选择 RAID1 。如果可用性，成本和性能都同样重要，则根据一般的数据传输和磁盘数量选择 RAID3 或 RAID5 。在实际应用中，应当根据用户的数据应用特点和具体情况，综合考虑可用性、性能和成本来选择合适的 RAID 等级。 [10]

表1 主流 RAID 等级技术对比

近年来，企业的信息化水平不断发展，数据已经取代计算成为了信息计算的中心，信息数据的安全性就显得尤为至关重要。随着存储技术的持续发展， RAID 技术在成本、性能、数据安全性等诸多方面都将优于其他存储技术，例如磁带库、光盘库等，大多数企业数据中心首选 RAID 作为存储系统。当前存储行业的知名存储厂商均提供全线的磁盘阵列产品，包括面向个人和中小企业的入门级的低端 RAID 产品，面向大中型企业的中高端 RAID 产品。这些存储企业包括了国内外的主流存储厂商，如 EMC 、 IBM 、 HP 、 SUN 、 NetApp 、 NEC 、 HDS 、 H3C 、 Infortrend 、华赛等。另外，这些厂商在提供存储硬件系统的同时，还往往提供非常全面的软件系统，这也是用户采购产品的一个主要参考因素。

 不同的存储厂商的产品在技术、成本、性能、管理、服务等方面各有优势和不足。用户选择 RAID 的原则是：在成本预算内，满足数据存储需求的前提下，选择最优的存储厂商解决方案。因此，首先用户需要对存储需求作深入的调研和分析，并给出成本预算，然后对众多存储厂商的解决方案进行分析和对比，最后选择出一个综合最优的存储方案。其中，存储产品的扩展性和存储厂家的售后服务需要重点考察，存储需求（如容量、性能）可能会不断升级，存储产品发生故障后的维修和支持保障，这些都要未雨先缪。

七、总结与展望

回顾 RAID 发展历史，从首次提出概念至今已有二十多年。在此期间，整个社会信息化水平不断提高，数据呈现爆炸式增长趋势，数据取代计算成为信息计算的中心。这促使人们对数据愈加重视，不断追求海量存储容量、高性能、高 安全性、高可用性、可扩展性、可管理性等等。 RAID 技术在这样强大的存储需求推动下不断发展进步，时至今日技术已经非常成熟，在各种数据存储系统中得到了十分广泛的应用。

 正是由于技术发展的成熟， RAID 技术的未来发展已经不被广泛看好，甚至预言在不久的将来会停止发展，称之为 “ 僵尸技术 ” ，即虽然宣布死亡，但在很长一段时间内仍会继续发挥巨大的价值。

 然而，当前的 RAID 技术仍然存在诸多不足，各种 RAID 模式都存在自身的缺陷，主要集中在读写性能、实现成本、恢复时间窗口、多磁盘损坏等方面。因此， RAID 技术显然还存在很大的提升空间，具有很大的发展潜力。近年来新出现的 RAID 模式以及学术研究显示了其未来的发展趋势，包括分布式校验、多重校验、混合 RAID 模式、水平和垂直条带、基于固态内存 RAID 、网络校验等等。特别指出的是，多核 CPU 和 GPU 是当前的热点技术，它们大幅提升了主机的可用计算资源，这可以解决 RAID 对计算资源的消耗问题，软 RAID 很可能将重新成为热点。另外，存储硬件性能的提升、存储虚拟化技术、重复数据删除技术以及其他存储技术都会极大地推动 RAID 技术的进一步创新和发展。