標準 RAID 等級

標準 RAID 等級

　　SNIA 、 Berkeley 等組織機構把 RAID0 、 RAID1 、 RAID2 、 RAID3 、 RAID4 、 RAID5 、 RAID6 七個等級定為標準的 RAID 等級，這也被業界和學術界所公認。標準等級是最基本的 RAID 配置集合，單獨或綜合利用數據條帶、鏡像和數據校驗技術。標準 RAID 可以組合，即 RAID 組合等級，滿足 對性能、安全性、可靠性要求更高的存儲應用需求。 

1.RAID0

　　RAID0 是一種簡單的、無數據校驗的數據條帶化技術。實際上不是一種真正的 RAID ，因為它并不提供任何形式的冗余策略。 RAID0 將所在磁盤條帶化后組成大容量的存儲空間（如圖 2 所示），將數據分散存儲在所有磁盤中，以獨立訪問方式實現多塊磁盤的并讀訪問。由于可以并發執行 I/O 操作，總線帶寬得到充分利用。再加上不需要進行數據校驗，RAID0 的性能在所有 RAID 等級中是最高的。理論上講，一個由 n 塊磁盤組成的 RAID0 ，它的讀寫性能是單個磁盤性能的 n 倍，但由于總線帶寬等多種因素的限制，實際的性能提升低于理論值。

　　RAID0 具有低成本、高讀寫性能、 100% 的高存儲空間利用率等優點，但是它不提供數據冗余保護，一旦數據損壞，將無法恢復。 因此， RAID0 一般適用于對性能要求嚴格但對數據安全性和可靠性不高的應用，如視頻、音頻存儲、臨時數據緩存空間等。

圖1 RAID0 ：無冗錯的數據條帶

2.RAID1

　　RAID1 稱為鏡像，它將數據完全一致地分別寫到工作磁盤和鏡像 磁盤，它的磁盤空間利用率為 50% 。 RAID1 在數據寫入時，響應時間會有所影響，但是讀數據的時候沒有影響。 RAID1 提供了最佳的數據保護，一旦工作磁盤發生故障，系統自動從鏡像磁盤讀取數據，不會影響用戶工作。工作原理如圖 3 所示。

　　RAID1 與 RAID0 剛好相反，是為了增強數據安全性使兩塊 磁盤數據呈現完全鏡像，從而達到安全性好、技術簡單、管理方便。 RAID1 擁有完全容錯的能力，但實現成本高。 RAID1 應用于對順序讀寫性能要求高以及對數據保護極為重視的應用，如對郵件系統的數據保護。

圖2 RAID1 ：無校驗的相互鏡像

3.RAID2

　　RAID2 稱為糾錯海明碼磁盤陣列，其設計思想是利用海明碼實現數據校驗冗余。海明碼是一種在原始數據中加入若干校驗碼來進行錯誤檢測和糾正的編碼技術，其中第 2n 位（ 1, 2, 4, 8, … ）是校驗碼，其他位置是數據碼。因此在 RAID2 中，數據按位存儲，每塊磁盤存儲一位數據編碼，磁盤數量取決于所設定的數據存儲寬度，可由用戶設定。圖 4 所示的為數據寬度為 4 的 RAID2 ，它需要 4 塊數據磁盤和 3 塊校驗磁盤。如果是 64 位數據寬度，則需要 64 塊 數據磁盤和 7 塊校驗磁盤。可見， RAID2 的數據寬度越大，存儲空間利用率越高，但同時需要的磁盤數量也越多。

　　海明碼自身具備糾錯能力，因此 RAID2 可以在數據發生錯誤的情況下對糾正錯誤，保證數據的安全性。它的數據傳輸性能相當高，設計復雜性要低于后面介紹的 RAID3 、 RAID4 和 RAID5 。

　　但是，海明碼的數據冗余開銷太大，而且 RAID2 的數據輸出性能受陣列中最慢磁盤驅動器的限制。再者，海明碼是按位運算， RAID2 數據重建非常耗時。由于這些顯著的缺陷，再加上大部分磁盤驅動器本身都具備了糾錯功能，因此 RAID2 在實際中很少應用，沒有形成商業產品，目前主流存儲磁盤陣列均不提供 RAID2 支持。

圖3 RAID2 ：海明碼校驗

4.RAID3

　　RAID3 是使用專用校驗盤的并行訪問陣列，它采用一個專用的磁盤作為校驗盤，其余磁盤作為數據盤，數據按位可字節的方式交叉存儲到各個數據盤中。RAID3 至少需要三塊磁盤，不同磁盤上同一帶區的數據作 XOR 校驗，校驗值寫入校驗盤中。 RAID3 完好時讀性能與 RAID0 完全一致，并行從多個磁盤條帶讀取數據，性能非常高，同時還提供了數據容錯能力。向 RAID3 寫入數據時，必須計算與所有同條帶的校驗值，并將新校驗值寫入校驗盤中。一次寫操作包含了寫數據塊、讀取同條帶的數據塊、計算校驗值、寫入校驗值等多個操作，系統開銷非常大，性能較低。

　　如果 RAID3 中某一磁盤出現故障，不會影響數據讀取，可以借助校驗數據和其他完好數據來重建數據。假如所要讀取的數據塊正好位于失效磁盤，則系統需要讀取所有同一條帶的數據塊，并根據校驗值重建丟失的數據，系統性能將受到影響。當故障磁盤被更換后，系統按相同的方式重建故障盤中的數據至新磁盤。

　　RAID3 只需要一個校驗盤，陣列的存儲空間利用率高，再加上并行訪問的特征，能夠為高帶寬的大量讀寫提供高性能，適用大容量數據的順序訪問應用，如影像處理、流媒體服務等。目前， RAID5 算法不斷改進，在大數據量讀取時能夠模擬 RAID3 ，而且 RAID3 在出現壞盤時性能會大幅下降，因此常使用 RAID5 替代 RAID3 來運行具有持續性、高帶寬、大量讀寫特征的應用。

圖4 RAID3 ：帶有專用位校驗的數據條帶

5.RAID4

　　RAID4 與 RAID3 的原理大致相同，區別在于條帶化的方式不同。 RAID4 （圖 6 ）按照 塊的方式來組織數據，寫操作只涉及當前數據盤和校驗盤兩個盤，多個 I/O 請求可以同時得到處理，提高了系統性能。 RAID4 按塊存儲可以保證單塊的完整性，可以避免受到其他磁盤上同條帶產生的不利影響。

　　RAID4 在不同磁盤上的同級數據塊同樣使用 XOR 校驗，結果存儲在校驗盤中。寫入數據時， RAID4 按這種方式把各磁盤上的同級數據的校驗值寫入校驗 盤，讀取時進行即時校驗。因此，當某塊磁盤的數據塊損壞， RAID4 可以通過校驗值以及其他磁盤上的同級數據塊進行數據重建。

　　RAID4 提供了 非常好的讀性能，但單一的校驗盤往往成為系統性能的瓶頸。對于寫操作， RAID4 只能一個磁盤一個磁盤地寫，并且還要寫入校驗數據，因此寫性能比較差。而且隨著成員磁盤數量的增加，校驗盤的系統瓶頸將更加突出。正是如上這些限制和不足， RAID4 在實際應用中很少見，主流存儲產品也很少使用 RAID4 保護。

圖5 RAID4 ：帶有專用塊級校驗的數據條帶

6.RAID5

　　 RAID5 應該是目前最常見的 RAID 等級，它的原理與 RAID4 相似，區別在于校驗數據分布在陣列中的所有磁盤上，而沒有采用專門的校驗磁盤。對于數據和校驗數據，它們的寫操作可以同時發生在完全不同的磁盤上。因此， RAID5 不存在 RAID4 中的并發寫操作時的校驗盤性能瓶頸問題。另外， RAID5 還具備很好的擴展性。當陣列磁盤 數量增加時，并行操作量的能力也隨之增長，可比 RAID4 支持更多的磁盤，從而擁有更高的容量以及更高的性能。

　　RAID5 的磁盤上同時存儲數據和校驗數據，數據塊和對應的校驗信息存保存在不同的磁盤上，當一個數據盤損壞時，系統可以根據同一條帶的其他數據塊和對應的校驗數據來重建損壞的數據。與其他 RAID 等級一樣，重建數據時， RAID5 的性能會受到較大的影響。

　　RAID5 兼顧存儲性能、數據安全和存儲成本等各方面因素，它可以理解為 RAID0 和 RAID1 的折中方案，是目前綜合性能最佳的數據保護解決方案。 RAID5 基本上可以滿足大部分的存儲應用需求，數據中心大多采用它作為應用數據的保護方案。

圖6 RAID5 ：帶分散校驗的數據條帶

7.RAID6

　　前面所述的各個 RAID 等級都只能保護因單個磁盤失效而造成的數據丟失。如果兩個磁盤同時發生故障，數據將無法恢復。 RAID6 （如圖 7 ）引入雙重校驗的概念，它可以保護陣列中同時出現兩個磁盤失效時，陣列仍能夠繼續工作，不會發生數據丟失。 RAID6 等級是在 RAID5 的基礎上為了進一步增強數據保護而設計的一種 RAID 方式，它可以看作是一種擴展的 RAID5 等級。

　　RAID6 不僅要支持數據的恢復，還要支持校驗數據的恢復，因此實現代價很高，控制器的設計也比其他等級更復雜、更昂貴。 RAID6 思想最常見的實現方式是采用兩個獨立的校驗算法，假設稱為 P 和 Q ，校驗數據可以分別存儲在兩個不同的校驗盤上，或者分散存儲在所有成員磁盤中。當兩個磁盤同時失效時，即可通過求解兩元方程來重建兩個磁盤上的數據。

　　RAID6 具有快速的讀取性能、更高的容錯能力。但是，它的成本要高于 RAID5 許多，寫性能也較差，并有設計和實施非常復雜。因此， RAID6 很少得到實際應用，主要用于對數據安全等級要求非常高的場合。它一般是替代 RAID10 方案的經濟性選擇。

圖7 RAID6 ：帶雙重分散校驗的數據條帶