RAID磁盘阵列的原理

简介: 【4月更文挑战第4天】RAID是冗余磁盘阵列技术,通过组合多块磁盘提升性能和数据安全性。常见类型包括RAID 0(条带化,无冗余,高风险),RAID 1(镜像,数据冗余,磁盘利用率50%),RAID 5(奇偶校验,允许1块硬盘故障,空间利用率 `(n-1)/n`)。RAID 10是RAID 1和0的组合,提供高可用性和性能。RAID可使用软硬件实现,云服务常处理硬件问题。处理硬盘失效有热备(自动替换)和热插拔(更换失效硬盘)两种方式。

1 RAID概念
磁盘阵列(Redundant Arrays of Independent Disks,RAID),有“独立磁盘构成的具有冗余能力的阵列”之意。 磁盘阵列是由很多价格较便宜的磁盘,以硬件(RAID卡)或软件(MDADM)形式组合成一个容量巨大的磁盘组,利用多个磁盘组合在一起,提升整个磁盘系统效能。利用这项技术,将数据切割成许多区段,分别存放在各个硬盘上。 磁盘阵列还能利用同位检查(Parity Check)的观念,在数组中任意一个硬盘故障时,仍可读出数据,在数据重构时,将数据经计算后重新置入新硬盘中
注:RAID可以预防数据丢失,但是它并不能完全保证你的数据不会丢失,所以大家使用RAID的同时还是注意备份重要的数据
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、raid5和raid10。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。
1.1 RAID几种常见的类型
image.png

RAID基本思想:把好几块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;
chunk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
Raid相对于单个磁盘优点:image.png
2 RAID-0的工作原理
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%。
image.png
image.png
3 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
image.png

4 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 image.png
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)image.png
5 嵌套RAID级别
RAID-10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。比如我们有8块盘,它是先两两做镜像,形成了新的4块盘,然后对这4块盘做RAID0;当RAID10有一个硬盘受损其余硬盘会继续工作,这个时候受影响的硬盘只有2块

几个方案对比下来, RAID5是最适合的,如下图image.png
6 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image.png
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。

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