廉价冗余磁盘阵列

廉价冗余磁盘阵列（Redundant Array of Inexpensive Disks, RAID) 技术使用多个磁盘一起构建更快、更大、更可靠的磁盘系统。从外部看 RAID 看起来像一个磁盘，一组可以读取或写入的块。在内部 RAID 是一个复杂的庞然大物，由多个磁盘、内存（包括易失性和非易失性）以及一个或多个处理器来管理系统。硬件RAID非常像一个计算机系统，专门用于管理一组磁盘。

RAID 的优点

与单个磁盘相比，RAID 具有许多优点：

1. 性能高：并行使用多个磁盘可以大大加快 I/O 时间；
2. 容量大：大型数据集需要大型磁盘；
3. 提高可靠性：通过某种形式的冗余，RAID 可以容许损失一个磁盘并保持运行；
4. 可部署性：操作系统和客户端程序无需修改就能使用，而不必担心软件兼容性问题。

   RAID 的组成

   当文件系统向 RAID 发出逻辑 I/O 请求时，RAID 内部必须计算要访问的磁盘（或多磁盘）以完成请求。然后发出一个或多个物理 I/O 来执行此操作，这些物理 I/O 的确切性取决于 RAID 级别。RAID系统通常构建为单独的硬件盒，并通过标准连接（例如，SCSI 或 SATA）接入主机，在内部 RAID 主要由以下组件构成：

RAID 是一个非专业的计算机系统，它有一个处理器、内存和磁盘，运行专门用于操作 RAID 的软件。

评估 RAID

构建 RAID 有多种不同的方法，每种方法都有不同的特点，通常从 3 个方面评估每种 RAID 设计。

RAID 0

RAID 0 原理

RAID 0 级别实际上不是 RAID 级别，因为没有冗余。但是 RAID 0 级（即条带化，striping）可作为性能和容量的优秀上限，它的思想是以轮转的方式将磁盘阵列的块分布在磁盘上。这种方法的目的是在对数组的连续块进行请求时，从阵列中获取最大的并行性，例如顺序读取 0123 这四个块。

大块大小

此时也可以在每个磁盘上连续放置 2 个块，然后再移动到下一个磁盘，此时的大块大小就是原来的 2 倍。大块大小主要影响阵列的性能，大小较小的大块意味着许多文件将跨多个磁盘进行条带化，从而增加了对单个文件的读取和写入的并行性。但是跨多个磁盘访问块的定位时间会增加，因为整个请求的定位时间由所有驱动器上请求的最大定位时间决定。

另一方面，较大的大块大小减少了这种文件内的并行性，因此依靠多个并发请求来实现高吞吐量，但是较大的大块大小减少了定位时间。例如，如果一个文件放在一个块中并放置在单个磁盘上，则访问它时发生的定位时间将只是单个磁盘的定位时间。因此确定“最佳”的大块大小是很难做到的，因为它需要大量关于提供给磁盘系统的工作负载的知识。

RAID 0 分析

对于顺序访问，磁盘以最高效的模式运行，花费很少时间寻道并等待旋转，大部分时间都在传输数据。对于随机访问，则大部分时间花在寻道和等待旋转上，花在传输数据上的时间相对较少。

RAID 1

RAID 1 原理

RAID 1 级别为即镜像，对于镜像系统中每个块将存在一个或多个副本，每个副本应该放在一个单独的磁盘上，通过这样做可以容许磁盘故障。假设 RAID 保留两个物理副本，则相邻的磁盘具有相同的内容，数据在这些镜像对之间条带化。

从镜像阵列读取块时，RAID 1 可以读取任一副本，如果对 RAID 1 发出对逻辑块 5 的读取，则可以自由地从磁盘 2 或磁盘 3 读取它。但是在写入块时，RAID 1 必须更新两个副本的数据，以保持可靠性，这些写入可以并行进行。

RAID 1 分析

从单个读取请求的延迟角度来看，与单个磁盘上的延迟相同。写入有点不同，RAID 1 需要完成两次物理写入。这两个写入并行发生，因此时间大致等于单次写入的时间。然而因为逻辑写入必须等待两个物理写入完成，所以它遭遇到两个请求中最差的寻道和旋转延迟。

RAID 10 和 RAID 01

可以使用多种不同的方法在磁盘上放置块副本，上面的安排有时称为 RAID 10（或 RAID 1+0），因为它使用镜像对（RAID-1），然后在其上使用条带化（RAID-0）。另一种常见安排是 RAID 01（或 RAID 0+1），它包含两个大型条带化（RAID-0）阵列，然后是镜像（RAID-1）。

RAID 4

RAID 4 原理

RAID 4 使用奇偶校验（parity）向磁盘阵列添加冗余，它试图使用较少的容量，从而克服由镜像系统付出的巨大空间损失，代价是性能有所降低。对于每一条数据都添加了一个奇偶校验（parity）块，用于存储该条块的冗余信息。例如对于奇偶校验块 P0，具有从块 0、1、2、3 计算出的冗余信息。

奇偶校验主要基于异或（XOR）运算，对于给定的一组比特，如果比特中有偶数个 1，则所有这些比特的 XOR 返回 0，如果有奇数个 1 则返回 1。效果是任何一行中的 1 的数量必须是偶数（而不是奇数），因此可以算出下面这个例子的 P = 0。

同理利用奇偶校验信息从故障中恢复的方法是，读取该行中的所有其他 n-1 个值，通过奇偶校验的特性得到最后一个需要恢复的值。例如下面 X 是需要恢复的值，假设其他磁盘都没有出错，则根据上文的性质可以得出 X = 0。

RAID 4 分析

RAID 4 的并行性还有待提高，例如上面的 RAID 4，如果需要写入块 1 和 10，则这个过程需要串行处理。首先写入块 1 需要访问磁盘 2 和磁盘 5，接着写入块 10 需要访问磁盘 3 和磁盘 5，由于都需要访问磁盘 5 所以不能并行操作。

RAID 5

RAID 5 是旋转奇偶校验，相比 RAID 4 具有更好的并行性。RAID 5 的工作原理与 RAID4 几乎完全相同，只是它将奇偶校验块跨驱动器旋转。但是有时候 RAID5 的性能会比 RAID 4 要好，例如写入块 1 和写入块 10，写入块 1 需要对磁盘 1 和磁盘 4 的请求，写入块 10 需要对磁盘 0 和磁盘 2 请求。此时由于没有交叉，它们可以并行进行。

RAID 5 的大部分分析与 RAID-4 相同，两级的有效容量和容错能力是相同的。在少数情况下 RAID 5 更好，所以它几乎完全取代了市场上的 RAID 4。

其他 RAID 级别

RAID 2

RAID 2 是 RAID 0 的改良版，以汉明码（Hamming Code）的方式将数据进行编码后分割为独立的位元，并将数据分别写入硬盘中。因为在数据中加入了错误修正码，所以数据整体的容量会比原始数据大一些。

RAID 3

RAID 3 是具有并行传输功能的磁盘阵列，它只利用一台奇偶校验盘来完成数据的校验功能。与 RAID 4 不同在于只能查错不能纠错，它访问数据时一次处理一个带区，这样可以提高读取和写入速度。RAID 4 对数据的访问是按数据块进行的，也就是按磁盘进行的。

RAID 6 和 RAID 7

RAID 6 的阵列中，设置了一个专用的、可快速访问的异步校验盘，该盘具有独立的数据访问通路，具有比 RAID 3 级及 RAID 5 级更好的性能，但其性能改进得很有限，且价格昂贵。RAID 7 是对 RAID6 级的改进，在该阵列中的所有磁盘都具有较高的传输速率和优异的性能，是目前最高档次的磁盘阵列，但其价格也较高。

RAID 的选择

如果要求性能而不关心可靠性，那么 RAID 0 条带显然是最好的。但是如果你想要随机 I/O 的性能和可靠性，RAID1 镜像是最好的，代价是容量下降。如果容量和可靠性是你的主要目标，选择 RAID 5，代价是小写入的性能。最后如果在按顺序执行 I/O 操作并希望最大化容量，也可以选择 RAID-5。

参考资料

《操作系统导论》[美]Remzi H.Arpaci-Dusseau，Andrea C.Arpaci-Dusseau 著，王海鹏 译，人民邮电出版社
《计算机操作系统(第四版)》，汤小丹 梁红兵 哲凤屏 汤子瀛 编著，西安电子科技大学出版社