RAID磁盘阵列

RAID磁盘阵列

RAID = Redundant Array of Independent (or Inexpensive) Disks，即“磁盘冗余阵列”。核心思想是把多块物理磁盘组合成一个逻辑设备，用条带化（striping）、镜像（mirroring）和/或校验（parity）来在性能、容量和可靠性之间做权衡。用途包括提速、增加可用容量、提高容错能力，但RAID 不是备份（请一定保留独立备份）。

常见的关键词解释

条带（stripe）：把连续的数据分成块（chunk/stripe unit），分布在不同盘上以并行读写。

条带宽度 / chunk size：每个条带单元的大小（常见 16KB、64KB、256KB 等），影响顺序读写与小 IO 性能。

镜像（mirror）：把数据完整复制到另一块盘（RAID1）。

校验（parity）：用于恢复数据的冗余信息（RAID5/6），通过异或等运算生成。

写惩罚（write penalty）：进行小写（partial/随机写）时需要额外读写校验，导致实际 IOPS 成本高于单盘。

热备盘（hot spare）：空闲盘，出故障时自动接替参与重建。

降级(degraded) / 重建(rebuild)：当一块盘故障阵列进入降级，替换盘加入后做数据重建（会大量读剩余盘，IO 密集且风险增加）。

URE（Unrecoverable Read Error）风险：在重建大容量盘时发生不可校正读错误可能导致重建失败，RAID5 在大盘上风险较高，RAID6 更安全。

RAID0 — 纯条带化（Striping）

原理

• 把数据切分为固定大小的“块”（chunk/stripe unit），依次分配到不同的磁盘上。
• 例如写入文件 ABCDEF，若条带大小为 2 单位，分布可能是：
  • 磁盘1: AB
  • 磁盘2: CD
  • 磁盘3: EF
• 所有磁盘 并行读写，提高带宽。

**冗余：**无。任何一块盘坏了，整体阵列崩溃。

RAID1 — 镜像（Mirroring）

原理：

• 把数据完整复制到另一块磁盘上。
• 写入 ABCDEF，同时写到磁盘1和磁盘2。
• 读时可以从任意一块盘读取（控制器可做负载均衡，提高读性能）。

冗余：

• 任何一块盘坏了，还有另一块副本。
• 容错依赖镜像副本数量（2盘镜像容忍1盘坏，3盘镜像容忍2盘坏）。

RAID5 — 条带化 + 单校验

原理：

• 数据按条带分布在不同磁盘上。
• 额外计算**奇偶校验（Parity）**存放在不同盘（轮换存放，避免单盘成为瓶颈）。
• 校验常用 XOR（异或） 运算：
  • 例如 3 块盘：
    • 磁盘1: D1
    • 磁盘2: D2
    • 磁盘3: P = D1 ⊕ D2
• 如果任意一块盘坏了，可通过剩下的数据和校验恢复：
  • 例如磁盘1坏：D1 = D2 ⊕ P

冗余：

• 能容忍 1 块盘故障。

RAID 5 写惩罚（Write Penalty）

假设我们要在 RAID 5 中修改一块盘上的某个数据块：

1. 读旧数据块（因为要计算新的校验值）。
2. 读旧校验块（校验块在别的磁盘上）。
3. 写新数据块（把修改的数据写回）。
4. 写新校验块（更新过的校验值写回）。

所以总共要 4 次 I/O 操作。

🔹 为什么不能直接写新数据和校验？

因为 RAID 5 的校验是 异或（XOR）计算，要保证一致性，新的校验值必须满足：

新校验=旧数据⊕新数据⊕旧校验

所以必须知道 旧数据 和 旧校验，才能推算出新校验。
这就导致了写入时额外的读操作。

RAID6 — 条带化 + 双校验

原理：

• 与 RAID5 类似，但每个条带组保存 两份不同的校验信息（通常是 XOR + Reed-Solomon 编码）。
• 举例：
  • 磁盘1: D1
  • 磁盘2: D2
  • 磁盘3: P = D1 ⊕ D2
  • 磁盘4: Q = f(D1,D2) （使用更复杂的算法，例如伽罗华域 GF(2^8) 的线性组合）
• 这样即使两块盘同时坏，也能利用剩余数据和两份校验恢复。

冗余：

• 能容忍 2 块盘同时故障。

RAID10（或 1+0）— 镜像 + 条带

原理：

• 先把磁盘配对做 RAID1（镜像），再把这些镜像组做 RAID0（条带）。
• 例如 4 块盘：
  • 组1（镜像对）：磁盘1和磁盘2存 D1
  • 组2（镜像对）：磁盘3和磁盘4存 D2
  • 然后条带化：写入数据 AB，A → 组1，B → 组2
• 读写性能接近 RAID0，但有镜像冗余。

冗余：

• 每对镜像可坏 1 块，只要不是同一对里的所有盘都坏，阵列仍然可用。

RAID50 / RAID60 — 条带化 + RAID5/6 组

原理：

• 把多个 RAID5（或 RAID6）阵列做条带化。
• 例如 6 块盘做 RAID50：
  • 先分成两组 RAID5（各3盘，容错1盘）
  • 再把两组做 RAID0。
• 性能和冗余能力兼顾，比单一 RAID5/6 更强。

总结对比