RAID磁盘阵列的原理

Posted 2020-09-26

RAID磁盘阵列的原理

RAID概念

RAID（Redundant Array of Independent Disks，独立磁盘冗余阵列）可以提供较普通磁盘更高的速度、安全性，所以服务器在安装时都会选择创建RAID。

RAID的创建有两种方式：软RAID（通过操作系统软件来实现）和硬RAID（使用硬件阵列卡）；在企业中用的最多的是：raid1、raid10和raid5。不过随着云的高速发展，供应商一般可以把硬件问题解决掉。

RAID几种常见的类型

注释：

n：是磁盘个数   默认最好不要超过16个 硬盘大小最好都一样

RAID类型	说 明	最低磁盘个数	空间利用率	各自的优缺点
RAID0	数据条带化	2+	100%	读写速度快，不容错（比如两块盘分别大小为1T，两块盘都做raid0，读写速度是最快的，而且可以使用100%的磁盘空间，但是如果一块盘坏掉了数据是无法还原回来的。）
RAID1	数据镜像化	2	50%	读写速度一般，容错   （比如两块盘分别大小为1T，两块盘都做raid1，读写速度肯定没有raid0读写快，使用率也没有raid0好，优点就是可以容错，相当于一块盘坏掉了还可以把原来的数据恢复回来，但是只有1T的存储空间。）
RAID5	带奇偶校验的条带集	3+	(n-1)/n	读写速度快，容错，允许坏一块盘
RAID6	带奇偶校验的条带集，双校验	4+	(n-2)/n	读写快，容错，允许坏两块盘
RAID10	RAID1的安全+RAID0的高速	4	50%	读写速度快，容错
RAID50	RAID5的安全+RAID0的高速	6	(n-2)/n	读写速度快，容错
RAID60	RAID5的安全+RAID0的高速	8	(n-4)/n	读写速度快，容错

 RAID出现的原因

 

RAID基本思想：把好几块便宜的硬盘通过一定组合方式把它组合起来，成为一个新的硬盘阵列组，从而使它能够达到高性能硬盘的要求

RAID有三个关键技术：

镜像：提供了数据的安全性；

条带（块大小也可以说是条带的粒度），它的存在的就是为了提高I/O，提供了数据并发性

数据的校验：提供了数据的安全

容量   ————————》  性能  --------》 可靠性 ——————————》     RAID

企业级RAID 0, 1,5,10的工作原理

2.1 RAID-0

 

条带 （strping），也是我们最早出现的RAID模式

需磁盘数量:2块以上(大小最好相同)

是组建磁盘阵列中最简单的一种形式，只需要2块以上的硬盘即可.

特点:

成本低，可以提高整个磁盘的性能和吞吐量。

RAID 0没有提供冗余或错误修复能力，速度快.

任何一个磁盘的损坏将损坏全部数据；磁盘利用率为100%。

RAID0工作原理

注释：

A:代表20G文件    B:代表20G文件C:代表20G文件     D:代表20G文件

写入数据：

用户导入服务器100G大小的文件等，将50G数据写入到第一块硬盘上面，同时在把另外50G的数据写到另一块硬盘上，这100G文件又分成A，B，C，D  将A 写入第一块硬盘上，将B写到第二块硬盘上，将C写到第一块硬盘上，将D写到第二块硬盘上，这个就是数据的条带，并行传输到硬盘上

读取数据：

将上传上去的100G文件复制到别的服务器上，读取的时候也是先从第一块读取数据A，然后再从第二块硬盘上读取B，然后再从第一块硬盘读取C数据，然后再从第二块硬盘读取数据D，但是如果有一块硬盘有损坏会导致数据不全。

RAID-1

mirroring（镜像卷）

需要磁盘两块以上

原理:是把一个磁盘的数据镜像到另一个磁盘上，也就是说数据在写入一块磁盘的同时，会在另一块闲置的磁盘上生成镜像文件，(同步)

RAID 1 mirroring（镜像卷），至少需要两块硬盘，raid大小等于两个raid分区中最小的容量（最好将分区大小分为一样），数据有冗余，在存储时同时写入两块硬盘，实现了数据备份；

磁盘利用率为50%，即2块100G的磁盘构成RAID1只能提供100G的可用空间。如下图

RAID1工作原理：

注释:

A：代表50G文件  B：代表50G文件 

写入数据：

用户导入服务器100G大小的文件等，将A,B写到第一块硬盘，同时将A,B写到另一块硬盘上，进行镜像操作（备份）

读取数据：

将上传上去的100G文件复制到别的服务器上，直接读取一块盘的数据即可，而且如果有一块盘坏掉的话另一块数据还是可以进行正常读写等。

RAID-5

需要三块或以上硬盘，可以提供热备盘实现故障的恢复；只损坏一块，没有问题。但如果同时损坏两块磁盘，则数据将都会损坏。 空间利用率： (n-1)/n   2/3  如下图所示

RAID 5原理 

写入数据：

100G文件分别写入3块硬盘，写入第一块硬盘时，会有一个校验值，然后将A数据写入第二块硬盘，将B数据写入第三块硬盘，将C数据写入第一块硬盘，第二块硬盘生成校验值，将数据D写入第三块硬盘以此类推。

校验值的作用可以推算出第三块盘的数据，不论哪一块盘，但是如果坏掉两块盘那就恢复不了了。

奇偶校验信息的作用:

当RAID5的一个磁盘数据发生损坏后，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。

扩展异或运算:

是用相对简单的异或逻辑运算（相同为0，相异为1）

A值B值Xor结果

000

101

011

110

 RAID10

镜像+条带

RAID 10是将镜像和条带进行两级组合的RAID级别，第一级是RAID1镜像对，第二级为RAID 0。RAID10也是一种应用比较广泛的RAID级别。 

RAID 1+0的特点使其特别适用于既有大量数据需要存取，同时又对数据安全性要求严格的领域，如银行、金融、商业超市、仓储库房、各种档案管理等。

一共8块硬盘做RAID 10

是从下往上看的，最后面试raid1，上面是raid0所以就是raid10 

不同的数据分别用字母代替：A,B,C,D,E,F,G,H

首先4块做raid0  后4块做raid1，用户写入数据到服务器上，首先经过4块raid0，A数据写到raid0的第一块硬盘上，B数据写到raid0的第二块硬盘上，C数据写到raid0的第三块硬盘上，D数据写到raid0的第四块硬盘上以此类推

然后将这4块raid0硬盘和4块raid1做镜像（同步）如果其中一块raid0硬盘坏掉同时做同步的raid1并顶替上即可。

RAID的选择

 RAID硬盘失效处理

一般两种处理方法：热备和热插拔

热备：HotSpare

定义：当冗余的RAID组中某个硬盘失效时，在不干扰当前RAID系统的正常使用的情况下，用RAID系统中另外一个正常的备用硬盘自动顶替失效硬盘，及时保证RAID系统的冗余性

全局式：备用硬盘为系统中所有的冗余RAID组共享

专用式：备用硬盘为系统中某一组冗余RAID组专用

如下图所示：是一个全局热备的示例，该热备盘由系统中两个RAID组共享，可自动顶替任何一个RAID中的一个失效硬盘

 

热插拔：HotSwap

定义：在不影响系统正常运转的情况下，用正常的物理硬盘替换RAID系统中失效硬盘

关键在于热插拔时电子器件的保护机制

RAID的使用

RAID的实现方式

我们使用RAID，是在装系统前还是之后？

硬RAID：需要RAID卡，我们的磁盘是接在RAID卡的，由它统一管理和控制。数据也由它来进行分配和维护；它有自己的cpu，处理速度快

操作视频链接：链接：http://pan.baidu.com/s/1kVPyror 密码：bd82

软RAID：通过操作系统实现

管理软raid工具：mdadm，mdadm是linux下用于创建和管理软件RAID的命令，是一个模式化命令。

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