7.1 RAID磁盤冗余陣列

近年來， CPU的處理性能保持著高速增長，Intel公司在2017年最新發(fā)布的i9-7980XE處理器芯片更是達(dá)到了18核心36線程。但與此同時(shí)，硬盤設(shè)備的性能提升卻不是很大，因此逐漸成為當(dāng)代計(jì)算機(jī)整體性能的瓶頸。而且，由于硬盤設(shè)備需要進(jìn)行持續(xù)、頻繁、大量的IO操作，相較于其他設(shè)備，其損壞幾率也大幅增加，導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)丟失的幾率也隨之增加。

1988年，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校首次提出并定義了RAID技術(shù)的概念。RAID技術(shù)通過把多個(gè)硬盤設(shè)備組合成一個(gè)容量更大、安全性更好的磁盤陣列，并把數(shù)據(jù)切割成多個(gè)區(qū)段后分別存放在各個(gè)不同的物理硬盤設(shè)備上，然后利用分散讀寫技術(shù)來提升磁盤陣列整體的性能，同時(shí)把多個(gè)重要數(shù)據(jù)的副本同步到不同的物理硬盤設(shè)備上，從而起到了非常好的數(shù)據(jù)冗余備份效果。

任何事物都有它的兩面性。RAID技術(shù)確實(shí)具有非常好的數(shù)據(jù)冗余備份功能，但是它也相應(yīng)地提高了成本支出。就像原本我們只有一個(gè)電話本，但是為了避免遺失，我們將聯(lián)系人號碼信息寫成了兩份，自然要為此多買一個(gè)電話本，這也就相應(yīng)地提升了成本支出。RAID技術(shù)的設(shè)計(jì)初衷是減少因?yàn)椴少徲脖P設(shè)備帶來的費(fèi)用支出，但是與數(shù)據(jù)本身的價(jià)值相比較，現(xiàn)代企業(yè)更看重的則是RAID技術(shù)所具備的冗余備份機(jī)制以及帶來的硬盤吞吐量的提升。也就是說，RAID不僅降低了硬盤設(shè)備損壞后丟失數(shù)據(jù)的幾率，還提升了硬盤設(shè)備的讀寫速度，所以它在絕大多數(shù)運(yùn)營商或大中型企業(yè)中得以廣泛部署和應(yīng)用。

出于成本和技術(shù)方面的考慮，需要針對不同的需求在數(shù)據(jù)可靠性及讀寫性能上作出權(quán)衡，制定出滿足各自需求的不同方案。目前已有的RAID磁盤陣列的方案至少有十幾種，而劉遄老師接下來會詳細(xì)講解RAID 0、RAID 1、RAID 5與RAID 10這4種最常見的方案。

1. RAID 0

RAID 0技術(shù)把多塊物理硬盤設(shè)備（至少兩塊）通過硬件或軟件的方式串聯(lián)在一起，組成一個(gè)大的卷組，并將數(shù)據(jù)依次寫入到各個(gè)物理硬盤中。這樣一來，在最理想的狀態(tài)下，硬盤設(shè)備的讀寫性能會提升數(shù)倍，但是若任意一塊硬盤發(fā)生故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都受到破壞。通俗來說，RAID 0技術(shù)能夠有效地提升硬盤數(shù)據(jù)的吞吐速度，但是不具備數(shù)據(jù)備份和錯(cuò)誤修復(fù)能力。如圖7-1所示，數(shù)據(jù)被分別寫入到不同的硬盤設(shè)備中，即disk1和disk2硬盤設(shè)備會分別保存數(shù)據(jù)資料，最終實(shí)現(xiàn)提升讀取、寫入速度的效果。

圖7-1 RAID 0技術(shù)示意圖

1. RAID 1

盡管RAID 0技術(shù)提升了硬盤設(shè)備的讀寫速度，但是它是將數(shù)據(jù)依次寫入到各個(gè)物理硬盤中，也就是說，它的數(shù)據(jù)是分開存放的，其中任何一塊硬盤發(fā)生故障都會損壞整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。因此，如果生產(chǎn)環(huán)境對硬盤設(shè)備的讀寫速度沒有要求，而是希望增加數(shù)據(jù)的安全性時(shí)，就需要用到RAID 1技術(shù)了。

在圖7-2所示的RAID 1技術(shù)示意圖中可以看到，它是把兩塊以上的硬盤設(shè)備進(jìn)行綁定，在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，是將數(shù)據(jù)同時(shí)寫入到多塊硬盤設(shè)備上（可以將其視為數(shù)據(jù)的鏡像或備份）。當(dāng)其中某一塊硬盤發(fā)生故障后，一般會立即自動以熱交換的方式來恢復(fù)數(shù)據(jù)的正常使用。

圖7-2 RAID 1技術(shù)示意圖

RAID 1技術(shù)雖然十分注重?cái)?shù)據(jù)的安全性，但是因?yàn)槭窃诙鄩K硬盤設(shè)備中寫入了相同的數(shù)據(jù)，因此硬盤設(shè)備的利用率得以下降，從理論上來說，圖7-2所示的硬盤空間的真實(shí)可用率只有50%，由三塊硬盤設(shè)備組成的RAID 1磁盤陣列的可用率只有33%左右，以此類推。而且，由于需要把數(shù)據(jù)同時(shí)寫入到兩塊以上的硬盤設(shè)備，這無疑也在一定程度上增大了系統(tǒng)計(jì)算功能的負(fù)載。

那么，有沒有一種RAID方案既考慮到了硬盤設(shè)備的讀寫速度和數(shù)據(jù)安全性，還兼顧了成本問題呢？實(shí)際上，單從數(shù)據(jù)安全和成本問題上來講，就不可能在保持原有硬盤設(shè)備的利用率且還不增加新設(shè)備的情況下，能大幅提升數(shù)據(jù)的安全性。劉遄老師也沒有必要忽悠各位讀者，下面將要講解的RAID 5技術(shù)雖然在理論上兼顧了三者（讀寫速度、數(shù)據(jù)安全性、成本），但實(shí)際上更像是對這三者的“相互妥協(xié)”。

1. RAID 5

如圖7-3所示，RAID5技術(shù)是把硬盤設(shè)備的數(shù)據(jù)奇偶校驗(yàn)信息保存到其他硬盤設(shè)備中。RAID 5磁盤陣列組中數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)信息并不是單獨(dú)保存到某一塊硬盤設(shè)備中，而是存儲到除自身以外的其他每一塊硬盤設(shè)備上，這樣的好處是其中任何一設(shè)備損壞后不至于出現(xiàn)致命缺陷；圖7-3中parity部分存放的就是數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)信息，換句話說，就是RAID 5技術(shù)實(shí)際上沒有備份硬盤中的真實(shí)數(shù)據(jù)信息，而是當(dāng)硬盤設(shè)備出現(xiàn)問題后通過奇偶校驗(yàn)信息來嘗試重建損壞的數(shù)據(jù)。RAID這樣的技術(shù)特性“妥協(xié)”地兼顧了硬盤設(shè)備的讀寫速度、數(shù)據(jù)安全性與存儲成本問題。

圖7-3 RAID5技術(shù)示意圖

1. RAID 10

鑒于RAID 5技術(shù)是因?yàn)橛脖P設(shè)備的成本問題對讀寫速度和數(shù)據(jù)的安全性能而有了一定的妥協(xié)，但是大部分企業(yè)更在乎的是數(shù)據(jù)本身的價(jià)值而非硬盤價(jià)格，因此生產(chǎn)環(huán)境中主要使用RAID 10技術(shù)。

顧名思義，RAID 10技術(shù)是RAID 1+RAID 0技術(shù)的一個(gè)“組合體”。如圖7-4所示，RAID 10技術(shù)需要至少4塊硬盤來組建，其中先分別兩兩制作成RAID 1磁盤陣列，以保證數(shù)據(jù)的安全性；然后再對兩個(gè)RAID 1磁盤陣列實(shí)施RAID 0技術(shù)，進(jìn)一步提高硬盤設(shè)備的讀寫速度。這樣從理論上來講，只要壞的不是同一組中的所有硬盤，那么最多可以損壞50%的硬盤設(shè)備而不丟失數(shù)據(jù)。由于RAID 10技術(shù)繼承了RAID 0的高讀寫速度和RAID 1的數(shù)據(jù)安全性，在不考慮成本的情況下RAID 10的性能都超過了RAID 5，因此當(dāng)前成為廣泛使用的一種存儲技術(shù)。