RAID技术基础知识

列的失效
大型数据库服务器、应用服务器、文件服务器等 应用
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35
常用RAID级别的比较
RAID级别
别名
容错性 冗余类型
备盘 读性能 随机写性能 连续写性能 需要的磁盘
数
可用容量
RAID0
条带
无 无 无 高 高 高
2个或更多
总的磁盘容 量
RAID1
镜像
有 镜像
有 低 低 低
2个或2N个
分区0
分块 分块 分块 分区1
磁盘1
分区0
分块 分块 分块 分区1
磁盘2
分区0
分块 分块 分块 分区1
磁盘3
分块 分块 分块
分区0
条带1 条带2 条带3
磁盘4
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7
RAID存取数据的基本方式
并行存取方式
适用于大型的、以长时间顺序访问数据为特征的 应用
独立存取方式
适用于数据存取频繁，每笔存取数据量较小的应 用
第7章 RAID技术基础知识
ISSUE 1.0
日期： 杭州华三通信技术有限公司 版权所有，未经授权不得使用与传播
引入
计算机和网络技术的高速发展对存储性能和数据可靠 性的要求不断的提高。使用RAID技术是很好的解决 途径。
课程目标
学习完本课程，您应该能够：
了解RAID的定义与特点 理解RAID数据组织方式和冗余原理 熟练掌握各RAID级别的原理及特性 了解RAID的实现方式
数据磁盘 1
数据a
数据磁盘 2
数据b
数据磁盘 3
数据c
数据磁盘 4
数据d
横向校验 磁盘
P1
斜向校验 磁盘
DP1
数据e
数据f
数据g
数据h
P2
DP2
数据i
数据j
数据k
数据l
P3
DP3
数据m
数据n
数据o
数据p
P4
DP4
DP5
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RAID7
RAID7是一种新的RAID标准，它与以前 见到的RAID级别有明显的区别，可以理 解成一个独立的“存储计算机”
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目录
RAID的基本概念 RAID级别 RAID的实现方式和运行状态
RAID级别
组成RAID阵列的不同方式称为RAID级别 不同的RAID级别
不同的存储性能 不同的数据可靠性 不同的存储成本
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RAID0的工作原理
RAID0是以条带的形式将数据均匀分布 在阵列的各个磁盘上
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目录
RAID的基本概念 RAID级别 RAID的实现方式和运行状态
软件RAID和硬件RAID
软件RAID
功能都依赖于主机CPU完成,没有第三方的控制 处理器和I/O芯片
硬件RAID
有专门的RAID控制处理器和I/O处理芯片来处理 RAID任务，不需占用主机CPU资源
P1
D5
条带1
D8 D9 D10
D6 5 P3
P2 D9
D7
D8
条带2
D10
D11
条带3
D11
物理磁盘0 物理磁盘1 物理磁盘2 物理磁盘3
…..
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RAID5的特性
所需成员磁盘数 优点 缺点
适用领域
3个或更多，最低为3个 读性能比较高 中等的写性能
校验信息的分布式存取，避免出现写操作的瓶颈
设备
I/O请求
镜像器 镜像I/O路径
主磁盘
镜像磁盘
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10
校验冗余的概念
根据冗余算法计算阵列中成员磁盘上数 据的校验信息，将校验信息保存在其他 的磁盘资源上
保证数据可靠性 和镜像冗余相比较，校验冗余的开销更
小
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XOR算法
相同为假，不同为真 XOR的逆操作是XOR
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D0
D1
D2
P0
条带0
D6
D3
D4
D5
P1
条带1
D7 D8
D6
D7
D8
P2
条带2
D9
D9
D10
D11
P3
条带3
D10
D11
物理磁盘0 物理磁盘1 物理磁盘2 校验磁盘3
…..
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RAID4
RAID4采用独立存取方式，将条带由 RAID3的小数据块改为更大的数据块， 这是RAID4和RAID3最大的不同
RAID4的校验较为迅速，可以获得相对 于RAID3更高的读取速度，但写入速度 极差，控制器的设计更加复杂
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RAID5的工作原理
RAID5采用独立存取的阵列方式，校验 信息被均匀的分散到阵列的各个磁盘上
D0
D1
D2
D3
D4
D5 D6
D0
D1
D2
P0
条带0
D7
D3
D4
磁盘容量的 50％
RAID3 专用奇偶
位条带 有
奇偶校验 有 高
最低 低
3个或更多
磁盘容量 的（N-1）
/N
RAID5 分布奇偶位
条带 有
奇偶校验 有 高 低 低
3个或更多
磁盘容量的 （N-1）/N
RAID10 镜像阵列条
带 有 镜像 有 中间 中间 中间 4个或2N （N≥2）
磁盘容量的 50％
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8
镜像冗余的概念
镜像冗余使用了磁盘镜像技术 磁盘镜像是一个简单的设备虚拟化技术，
每个I/O操作都会在两个磁盘上执行，两 个磁盘看起来就像一个磁盘一样 镜像冗余可以提高磁盘的读性能
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镜像冗余的实现方式
文件系统 卷管理器 设备驱动程序 系统总线 主机I/O控制器 I/O总线 子系统
目录
RAID的基本概念 RAID级别 RAID的实现方式和运行状态
RAID的定义
RAID的全称
廉价磁盘冗余阵列（Redundant Array of Inexpensive Disks）
RAID的定义
多个独立的物理硬盘按照不同的方式组合起来， 形成一个虚拟的硬盘
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D0
D1
D00
D01
D02
P0
D百度文库0
D11
D12
P1
D2
D20
D21
D22
P2
D30
D31
D32
P3
D3 物理磁盘0 物理磁盘1 物理磁盘2 校验磁盘3
….
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21
RAID3的特性
所需成员磁盘数 优点 缺点
适用领域
3个或更多，最低为3个
读写性能都比较好 当有磁盘损坏时，对整体吞吐量影响较小
P3 Q4 数据5m
磁盘3 数据1c
P2 Q3 数据4j 数据5n
磁盘4 P1 Q2
数据3h 数据4k 数据5o
磁盘5 Q1
数据2f 数据3i 数据4l
P5
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RAID6 DP
RAID6 DP中的DP指Double Parity，它在 RAID4的基础上不仅有行的校验，还增加了 一个用来存放斜向校验信息的磁盘
无冗余，不能用于对数据安全性要求高的环境
视频生成和编辑、图像编辑 其他需要大的传输带宽的操作
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RAID1的工作原理
RAID1以镜像为冗余方式，对虚拟磁盘 上的数据做多份拷贝，放在成员磁盘上
D0
D1
D0
D0
D2
D1
D1
5
D2
D2
D3
D3
D3
….
物理磁盘0
物理磁盘1
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40
RAID的运行状态
建立（Create） 正常（Normal） 降级/临界（Degrade/Critical） 重建（Rebuild/Recover） 重构（Reconstruct） 失效（Failed）
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RAID50的工作原理
RAID50是RAID5和RAID0的结合，先实 现RAID5，再条带化
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D0 D1 P00
D2 D3 P01
条带0
D7
D4 P10 D5
D6 P11 D7
条带1
D8
P20 D8 D9
P21 D10 D11
条带2
D9 D10 D11
D12 D13 P30 磁盘0 磁盘1 磁盘2
操作数1 假 假 真 真
操作数2 假 真 假 真
XOR结果 假 真 真 假
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12
热备和热换
热备是指在不干扰当前系统的正常使用 的情况下，用系统中另外一个正常的备 用磁盘顶替失效磁盘
热换是指在不影响系统正常运转的情况 下，用正常的磁盘物理替换RAID阵列中 的失效磁盘
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减少了开销
控制器设计复杂 采用并行存取方式，主轴同步时吞吐量没有提高
校验磁盘的写性能有瓶颈
视频生成和图像、视频编辑等 需要高吞吐量的应用环境
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RAID4的工作原理
在RAID4中，数据被分为更大的块并行 传输到各个成员磁盘上，同时计算XOR 校验数据存放到专用的校验磁盘上
D14 D15 P31 磁盘3 磁盘4 磁盘5
条带3
D12
D13
…..
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RAID50的特性
所需成员磁盘数 优点 缺点
适用领域
6个或更多，最低为6个
比RAID5有更好的读性能 比相同容量的RAID5重建时间更短
可以容许N个磁盘同时失效
设计复杂，比较难实现 同一个RAID5组内的两个磁盘失效会导致整个阵
5
RAID的优势
RAID在容量和管理上的优势
易于灵活的进行容量扩展 “虚拟化”使可管理性极大的增强
RAID在性能上的优势
“磁盘分块”技术带来性能的提高
RAID在可靠性和可用性上的优势
通过冗余技术和热备、热换提升了可靠性
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6
RAID组织数据的基本方式
D0
D1
D2
D3
D4
D5 D6
D0
D1
D2
D3
条带0
D7
D4
D5
D6
D7
条带1
D8
D8
D9
D10
D11
条带2
D9
D10
D11
物理磁盘0 物理磁盘1 物理磁盘2 物理磁盘3
…..
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RAID0的特性
所需成员磁盘数 优点 缺点
适用领域
2个或更多，最低为2个 极高的磁盘读写效率
不存在校验，不会占用太多CPU资源 设计、使用和配置比较简单
采用校验冗余
把数据分散为位或块，加入汉明码，间隔写 入到磁盘阵列的每个磁盘中
在成员磁盘上的地址都一样
采用了并行存取方式 花费大，成本昂贵
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RAID3的工作原理
在RAID3中，数据块被分为更小的块并 行传输到各个成员磁盘上，同时计算 XOR校验数据存放到专用的校验磁盘上
控制器设计复杂 磁盘重建的过程比较复杂
文件服务器、Email服务器、Web服务器等环境 数据库应用
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RAID6
RAID6是指带有两种分布存储的检验信 息的磁盘阵列，它是对RAID5的扩展， 主要是用于要求数据绝对不能出错的场 合，使用了二种奇偶校验方法，需要N+2 个磁盘
常用的RAID6技术:
RAID6 P＋Q RAID6 DP
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RAID6 P+Q
RAID6 P+Q会根据公式计算出P和Q的值， 当有两个数据同时丢失时，仍可以计算 出原数据
条带1 条带2 条带3 条带4 条带5
磁盘1 数据1a 数据2d 数据3g
P4 Q5
磁盘2 数据1b 数据2e
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思考题
常用RAID级别中：
哪种RAID级别性能最好？ 哪种RAID级别冗余程度最高？ 相同可用容量下，哪种RAID级别开销最高？
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解答
常用RAID级别中：
RAID0的性能最好； RAID1的冗余程度最高； 相同可用容量下，RAID1和RAID 10的开销最高。
RAID7自身带有智能化实时操作系统和 用于存储管理的软件工具，可以完全独 立与主机运行，不占用主机CPU资源
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组合不同级别的RAID
组合不同级别RAID的目的
从RAID0到RAID6，不同级别的RAID在性能、 冗余、价格等方面做了不同程度的折中
组合不同级别的RAID，目的是扬长避短，产生 具有优势特性的混合RAID级别
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RAID1的特性
所需成员磁盘数 优点
缺点 适用领域
2N个，（N≥1），最低为2个 具有100％数据冗余，提供最高的数据安全保障
理论上可以实现2倍的读取效率 设计和使用比较简单
开销大，空间利用率只有50％ 在写性能方面提升不大
财务、金融等高可用、高安全的数据存储环境
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RAID2
重点介绍
RAID 10 RAID 50
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RAID10的工作原理
RAID10结合RAID1和RAID0，先镜像， 再条带化
D0
D1
D2
D3
D4
D5 D6
D0
D0
D1
D1
条带0
D7
D2
D2
D3
D3
条带1
D8
D4
D4
D5
D5
条带2
D9 D10
D6
D6
D7
D7
条带3
D11
物理磁盘0 物理磁盘1
物理磁盘2 物理磁盘3
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RAID10的特性
所需成员磁盘数 优点
缺点 适用领域
2N个，（N≥2），最低为4个 读性能很高 写性能比较好
数据安全性好，允许同时有N个磁盘失效
空间利用率只有50％ 开销大
多用于要求高可用性和高安全性的数据库应用
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