RAID（独立磁盘冗余阵列）

RAID 指的是独立磁盘冗余阵列。它是一种用于连接多个二级存储设备以提高性能、数据冗余或两者的技术。它根据使用的 RAID 级别，让您能够承受一个或多个驱动器故障。

它包含一个磁盘阵列，其中多个磁盘连接在一起以实现不同的目标。

RAID 技术

RAID 方案有 7 个级别。这些级别包括 RAID 0、RAID 1、...、RAID 6。

这些级别包含以下特性

• 它包含一组物理磁盘驱动器。
• 在此技术中，操作系统将这些独立的磁盘视为一个逻辑磁盘。
• 在此技术中，数据分布在阵列的物理驱动器上。
• 冗余磁盘容量用于存储奇偶校验信息。
• 如果发生磁盘故障，奇偶校验信息有助于恢复数据。

标准 RAID 级别

RAID 0

• RAID 0 级别提供数据分条（striping），即数据可以放置在多个磁盘上。它基于分条，这意味着如果一个磁盘发生故障，阵列中的所有数据都会丢失。
• 此级别不提供容错功能，但会提高系统性能。

示例

在此图中，块 0、1、2、3 构成一个条带。

在此级别中，我们不是一次只将一个块放入一个磁盘，而是可以将两个或更多块放入一个磁盘，然后再处理下一个。

在上图中，没有数据重复。因此，一旦丢失的块就无法恢复。

RAID 0 的优点

• 在此级别中，吞吐量得到提高，因为多个数据请求可能不在同一个磁盘上。
• 此级别充分利用了磁盘空间并提供了高性能。
• 它至少需要 2 个驱动器。

RAID 0 的缺点

• 它不包含任何错误检测机制。
• RAID 0 不是真正的 RAID，因为它不具有容错功能。
• 在此级别中，任何一个磁盘发生故障都会导致相应阵列中的数据完全丢失。

RAID 1

此级别称为数据镜像，因为它将数据从驱动器 1 复制到驱动器 2。在发生故障时，它提供 100% 的冗余。

示例

仅使用驱动器的一半空间来存储数据。驱动器的另一半只是对已存储数据的镜像。

RAID 1 的优点

• RAID 1 的主要优点是容错。在此级别中，如果一个磁盘发生故障，另一个磁盘会自动接管。
• 在此级别中，即使其中一个驱动器发生故障，阵列仍能正常运行。

RAID 1 的缺点

• 在此级别中，每个驱动器都需要一个额外的驱动器进行镜像，因此成本更高。

RAID 2

• RAID 2 使用汉明码奇偶校验进行位级分条。在此级别中，字中的每个数据位都记录在单独的磁盘上，并且数据字的 ECC 代码存储在不同的磁盘组上。
• 由于成本高昂且结构复杂，此级别未商业使用。RAID 3 可以以更低的成本实现相同的性能。

RAID 2 的优点

• 此级别使用一个指定的驱动器来存储奇偶校验。
• 它使用汉明码进行错误检测。

RAID 2 的缺点

• 它需要一个额外的驱动器来进行错误检测。

RAID 3

• RAID 3 由具有专用奇偶校验的字节级分条组成。在此级别中，为每个磁盘分区存储奇偶校验信息，并写入专用的奇偶校验驱动器。
• 在发生驱动器故障时，会访问奇偶校验驱动器，并从其余设备重建数据。一旦更换了故障驱动器，就可以在新驱动器上恢复丢失的数据。
• 在此级别中，数据可以批量传输。因此，可以实现高速数据传输。

RAID 3 的优点

• 在此级别中，使用奇偶校验驱动器重新生成数据。
• 它具有高数据传输速率。
• 在此级别中，数据是并行访问的。

RAID 3 的缺点

• 它需要一个额外的驱动器来进行奇偶校验。
• 对于小型文件的操作，性能较慢。

RAID 4

• RAID 4 由具有奇偶校验盘的块级分条组成。RAID 4 没有复制数据，而是采用基于奇偶校验的方法。
• 此级别允许恢复最多 1 个磁盘故障，这是由奇偶校验的工作方式决定的。在此级别中，如果一个以上的磁盘发生故障，则无法恢复数据。
• 级别 3 和级别 4 都需要至少三个磁盘来实现 RAID。

在此图中，我们可以看到一个磁盘专门用于奇偶校验。

在此级别中，可以使用 XOR 函数计算奇偶校验。如果数据位是 0,0,0,1，则奇偶校验位是 XOR(0,1,0,0) = 1。如果奇偶校验位是 0,0,1,1，则奇偶校验位是 XOR(0,0,1,1)= 0。这意味着，偶数个 1 的奇偶校验结果为 0，奇数个 1 的奇偶校验结果为 1。

假设在上图中，C2 由于某种磁盘故障而丢失。然后，利用所有其他列和奇偶校验位的值，我们可以重新计算存储在 C2 中的数据位。此级别允许我们恢复丢失的数据。

RAID 5

• RAID 5 是 RAID 4 系统的一个小修改。唯一的区别是，在 RAID 5 中，奇偶校验在驱动器之间轮换。
• 它由具有分布式奇偶校验的块级分条组成。
• 与 RAID 4 相同，此级别允许恢复最多 1 个磁盘故障。如果一个以上的磁盘发生故障，则无法恢复数据。

此图显示了奇偶校验位如何轮换。

引入此级别是为了提高随机写入性能。

RAID 5 的优点

• 此级别具有成本效益并提供高性能。
• 在此级别中，奇偶校验分布在阵列的磁盘上。
• 它用于提高随机写入性能。

RAID 5 的缺点

• 在此级别中，由于奇偶校验必须从所有可用驱动器计算，因此磁盘故障恢复需要更长的时间。
• 此级别无法在并发驱动器故障中幸存。

RAID 6

• 此级别是 RAID 5 的扩展。它包含具有 2 个奇偶校验位的块级分条。
• 在 RAID 6 中，您可以承受 2 次并发磁盘故障。假设您使用的是 RAID 5 和 RAID 1。当您的磁盘发生故障时，您需要更换故障磁盘，因为如果同时发生另一个磁盘故障，您将无法恢复任何数据，因此在这种情况下，RAID 6 发挥了作用，您可以在耗尽所有选项之前承受两次并发磁盘故障。

RAID 6 的优点

• 此级别执行 RAID 0 来分条数据，并执行 RAID 1 来镜像。在此级别中，分条在镜像之前进行。
• 在此级别中，所需的驱动器应为 2 的倍数。

RAID 6 的缺点

• 它没有 100% 利用磁盘容量，因为一半用于镜像。
• 它的可扩展性非常有限。