超全干货！RAID技术详解（云计算系列专题7）

上一篇文章讲述了存储的基础知识（戳此回顾），但是存储的基础知识还没有结束，因为在存储基础知识里，最重要的RAID技术还没有深入讲解，所以本篇文章，会就RAID磁盘阵列技术，进行详细讲解，并为后续的存储虚拟机技术，作进一步铺垫。

如之前文章所述，无论是DAS、NAS，还是SAN，都是存储系统，一个存储系统可以包含多块磁盘；不同磁盘之间的组织排列，就是磁盘阵列技术，也就是RAID技术。

RAID磁盘阵列技术的核心思想，主要有两个，包括：

（1）提升存储访问速度；

（2）提升存储可靠性；

这两大核心思想的实现，主要依赖于：

（1）独特的数据组织方式和存取方式，实现存储的高速访问；

（2）独特的数据冗余方式，实现数据备份，可恢复；

如下，依次讲解RAID的数据组织方式、存取方式以及冗余方式。

RAID数据组织方式

RAID磁盘阵列中的数据组织形式，如下图所示，主要从三个维度进行数据组织，即分区（Extent）、分条（Strip）、和条带（Stripe），如下：

分区：是将磁盘进行纵向分割，比如将磁盘0分割为分区0和分区1，将磁盘1分割为分区2和分区3，依次类推；

分条：是将磁盘进行横向分割，比如将磁盘0、1、2、3，横向分割出分条0、分条1等；

条带：纵向分割的分区和横向分割的分条，交叉之后形成条带；比如分区0和分条0交叉，形成条带0,0，分区2和分条0交叉，形成条带2,0；

需要注意的是条带可以包含多个数据块（Block），数据块是磁盘存储数据的最小单位，比如条带0,0包含数据块0和数据块1；一个条带包含的数据块数量，称之为分条深度，比如分条0深度为2，该分条内的条带均包含2个数据块，而分条1深度为1，该分条内的条带均包含1个数据块；一个分条跨越的分区数量，称之为分条尺寸，比如分条0跨越4个分区，所以分条尺寸为4。

可以看到上述数据组织形式，是将数据打散开来的。虽然我们数据实际的组织形式是离散的，但是逻辑上呈现的仍然是连续的寻址空间，如上右图所示。

RAID数据存取方式

根据上述离散的数据组织形式，不难发现数据的存取，也是离散的。比如要将一段数据，存入D0~D3，就需要将数据，依次存入磁盘0的条带0,0，和磁盘1的条带2,0。反过来，数据的读取也是一样的。但是这种离散的数据存取方式，可以极大提高磁盘的存取速度，原因很简单，如果要写入数据D0~D7，可以将这些数据块并行写入四个磁盘，写入速度几乎提高四倍。反之，读取数据，也可以进行并行读取。

RAID数据冗余方式

RAID磁盘阵列中的数据冗余方式，主要分为镜像冗余和校验冗余，如下：

镜像冗余：这个很好理解，就是数据一比一镜像备份，比如磁盘1存储原始数据，磁盘2存储镜像备份数据，这时磁盘2就是磁盘1的备份；如果磁盘1故障，磁盘2可以直接恢复数据。

校验冗余：镜像冗余对于数据的保护性还是很强的，但是缺点很明显，就是存储利用率低，即两块磁盘，只有一块磁盘存储有效数据，另一块磁盘存储的是镜像备份数据，存储空间利用率只有50%，这个利用率已经非常低了。

这时候，可以基于一些校验算法（比如奇偶校验），根据原始数据，使用校验算法生成校验数据，这部分校验数据就是冗余数据；如果原始数据因为磁盘故障丢失，这时可以使用校验算法，基于校验数据（冗余数据）逆向恢复原始数据。

举个例子，异或校验算法，可以根据100个原始数据生成50个校验数据（冗余数据），如果100个原始数据中有50个数据因为故障丢失了，那么根据剩下的50个原始数据，以及50个校验数据，使用异或校验算法，可以逆向恢复丢失的那50个原始数据；这样存储空间利用率是100（原始数据）/150（原始+校验数据）= 66.6666%。

通常，校验算法越先进，生成的校验数据（冗余数据）越少，存储空间利用率越高。但是越先进的校验算法，也意味着该算法越复杂，执行起来越消耗资源。

在RAID中，可以选择使用XOR异或校验算法，或者海明码；后者海明码更加先进，但是也更加复杂，运行海明码所带来的巨大资源消耗，往往让人难以接受，所以现在RAID中，多使用简单可行的异或校验算法。

上一章节就RAID技术原理进行了详细讲解，在遵循基本数据组织原理基础上，RAID磁盘阵列实际可以灵活安排数据组织结构，以提供不同的数据保护能力，和不同的数据存取性能，这就是不同的RAID级别。

RAID技术发展至今，已经有了RAID 0~6，这七种级别，不同级别代表RAID磁盘阵列不同的存储性能，存储成本和数据安全性；现在依次看下这七种RAID级别，如下：

RAID 0

该级别提供了RAID磁盘阵列最高的存储性能，RAID 0就是完全按照【分区&分条&条带】这三个维度，进行数据的组织存取，简称为条带化的数据存储；条带化的数据存储形式，在上面章节，已经详细讲解过了，如下，这里不再赘述。

RAID 0提供了超高的数据存取速度，因为数据是条带化存储的，意味着数据可以并行存取，比如要读取数据D0~D7，则可以并行读取磁盘0的条带0,0，磁盘1的条带2,0，磁盘2的条带4,0，以及磁盘3的条带6,0；反之，写入数据，也可以进行并行写入。

所以RAID 0磁盘阵列的性能，是和阵列中磁盘数量成正比的，最简单的公式就是RAID 0总体性能=单一磁盘性能*磁盘数量，比如阵列中包含4块磁盘，单一磁盘性能为50MBps，则RAID 0磁盘阵列性能为200MBps，因为可以同时并行存取这四块磁盘。

但是上述只是理想情况下的假设，因为RAID 0磁盘阵列存在性能的边际递减，也就是说如果单一磁盘性能为50MBps，则两块磁盘的RAID 0性能约为95MBps，三块磁盘的RAID 0性能约为130MBps，依次类推；但就算存在性能的边际递减，RAID 0磁盘阵列的存储性能，仍然是最优秀的。

综上，RAID 0的优点是存储性能高，缺点也很明显，即不提供数据保护。

RAID 1

RAID 1级别的数据组织形式，非常简单，采用最简单的镜像备份数据，如下：

根据上图所示，可以看到RAID 1级别的数据组织，就是使用两块磁盘，一块磁盘存储原始数据，另一块磁盘存储镜像备份数据；如果因为磁盘故障，导致原始数据丢失，根据另一块磁盘里的镜像备份数据，可以快速恢复数据，所以RAID 1级别提供了较高的数据可靠性。

RAID 1级别，相较于RAID 0级别，在数据存储性能上是有损失的，尤其是写入数据，因为每次写入数据，实际写入的数据既要写入原始磁盘，也要写入镜像备份的磁盘（如果镜像备份的磁盘性能较低，容易形成性能瓶颈）；但是读取数据的性能，还是可以的，因为可以从原始磁盘和镜像磁盘，并行读取数据；但无论如何，RAID 1肯定比不上RAID 0级别的存储性能。

综上，RAID 1级别的优点是数据可靠性高，缺点也很明显，就是存储成本高（因为需要两块磁盘，一块存储原始数据，一块存储镜像备份数据），存储空间利用率低（只有50%）；所以RAID 1级别磁盘阵列，适合数据可靠性要求非常高的场景，比如银行，证券交易所等。

RAID 2

考虑采用镜像备份的方式保护数据，存储成本较高，存储空间利用率较低，所以可以使用校验冗余的方式保护数据，而不再使用RAID 1中的镜像冗余；RAID 2就是基于海明码，计算校验冗余数据，如果原始数据丢失，根据校验数据，海明码算法，可以逆向计算，并恢复原始数据，如下：

根据上图所示，可以看到前三块磁盘存储的是原始数据，最后两块磁盘存储的是海明码根据原始数据计算出的校验数据，所以最后两块磁盘也被称为校验盘。

校验算法可以正向计算（原始数据–>校验数据），即使用校验算法，根据原始数据，计算出校验数据；校验算法也可以反向计算（校验数据->原始数据），即使用校验算法，根据校验数据，计算出原始数据；这一特性，也就保证了，如果有原始数据丢失，那么根据校验数据，可以计算恢复出原始数据。

但是海明码算法有个特点，就是如果原始数据磁盘较少，那么校验磁盘和原始数据磁盘的数量几乎一致，比如原始数据磁盘3个，那么校验磁盘就需要2个（存储空间利用率60%），再比如原始数据磁盘4个，那么校验磁盘就需要3个（存储空间利用率57%）；但是如果原始磁盘的数量非常多，那么校验磁盘的数量会快速下降，比如原始磁盘数量64个，那么校验磁盘只需要7个（存储空间利用率90%）。

综上，RAID 2级别的优点是依据海明码提供数据保护，缺点也很明显，在数据量较低（数据磁盘较少）时，校验磁盘的数量几乎和数据磁盘的数量一致，导致存储成本高，存储空间利用率低；所以RAID 1级别，非常适合于一些大数据存储场景，本身就需要海量磁盘进行数据存储。

RAID 3

采用海明码校验算法，在存储数据量较少时，体现不出海明码的先进性，同时海明码本身算法复杂，海明码计算起来，也非常消耗资源，所以磁盘阵列里更加倾向于简单的异或校验算法，这就是RAID 3级别；RAID 3级别，使用异或校验算法，计算校验数据，为原始数据，提供校验冗余的保护：

另外，RAID 3的数据组织形式，和RAID 0一样，采用条带化的数据组织形式，所以RAID 3在保证了数据存储性能较高的前提下，提供了数据的校验保护，可以说是非常经济实惠的磁盘阵列技术。

RAID 5

RAID 5和RAID 3非常相似，都是采用条带化的数据组织形式（存储性能高），也都采用简单的异或校验算法，计算校验数据，提供原始数据的校验保护（数据可靠性高）。

唯一的区别，在于RAID 3级别将所有的校验数据，专门存放于检验盘，如果校验盘故障了，则所有的校验数据丢失，原始数据的保护性，也就没有了；所以RAID 5将校验数据，分散的存放于各个磁盘，不再单独设置校验盘，如下：

根据上图所示，可以发现RAID 5级别，不再单独设置校验盘，校验数据（P数据），分散的存放于各个磁盘，这样无论哪个磁盘故障，校验数据都不会完全丢失，剩余的校验数据，仍然可以帮助完成原始数据的回复。

RAID 6

无论是RAID 3，还是RAID 5，它们使用异或运算，计算校验数据，保护原始数据，所提供的保护性都是有限的，即只能保护一块原始数据磁盘；换言之，如果磁盘阵列中有一块数据磁盘故障，根据校验数据，可以恢复那块数据磁盘中的原始数据，但是如果同时两块（或以上）磁盘故障，那么就无法完全恢复数据了；这个实际并不难理解，所有的保护措施，都是有限保护，而不是无限保护。

RAID 6的核心思想，就是如果同时两块数据磁盘故障了，能不能恢复数据，答案是肯定的；只需要执行两次异或校验算法，生成两份校验数据，校验数据的增加，使得即使出现两块数据磁盘故障，两块故障数据磁盘里的原始数据，也都可以进行恢复，如下：

根据上图所示，可以发现RAID 6使用两次异或运算，计算出了两份校验数据（横向校验数据和斜向校验数据），校验数据的增加，也就保证了，就算是两块数据磁盘故障，也能恢复数据。

如果大胆的去预测，只要不断增加校验数据，我们甚至可以保证三块数据磁盘故障情况下恢复数据，或者四块数据磁盘故障情况下恢复数据等等；但是一味增加校验数据，就意味着磁盘存储利用率的不断下降，如果存储空间利用率都不到50%（即校验数据都超过了原始数据），那么还不如直接使用RAID 1镜像备份来保护数据。

综上，RAID 6通过增加校验数据，提供更高的数据保护，但是因为校验数据多了（冗余数据多了），所以存储空间利用率也在下降。

RAID 10

因为RAID 1级别并没有使用条带化的数据组织形式，如下所示，所以虽然RAID 1提供了非常高的数据保护（镜像保护），但是存储性能整体不高。

我们自然而然的在想，能不能在RAID 1级别中，也引入条带化的数据组织形式，考虑到RAID 0级别是条带化数据组织的典型，于是将RAID 1和RAID 0结合，就产生了RAID 10级别，即使用RAID 1的镜像备份保护数据（提升数据可靠性），也使用RAID 0的条带化组织数据（提升存储性能）。

综上，所有的RAID级别，大致可以分为三类，（1）RAID 0级别，以条带化形式组织数据，提供超高的存储性能，（2）RAID 1级别，以镜像冗余保护数据，提供超高的存储可靠性，（3）RAID 2 & RAID 3 & RAID 5 & RAID 6，这四个级别，均以校验冗余，提供数据的保护性；其中RAID 2使用海明码校验算法，RAID 3& RAID 5& RAID 6均使用异或校验算法。

到这里为止，我们对于RAID磁盘阵列技术，应该已经很熟悉了。但是需要注意的是，RAID磁盘阵列，一般无法直接使用，计算设备使用的存储资源，主要是LUN形式的存储资源，即逻辑存储资源。

我们可以将RAID磁盘阵列划分为一个逻辑单元（LU，Logical Unit），或者多个逻辑单元（LU，Logical Unit），如下所示。为了便于使用和描述逻辑单元，使用逻辑单元号（LUN，Logical Unit Number），来标识一个逻辑单元。一个LUN对应的可能是磁盘，也可能是其它存储设备。

所以，LUN的主要作用是将外部存储设备（可以是RAID磁盘阵列，或者其它存储设备），映射为基本的块存储设备，以使得服务器可以对其进行分区，格式化等一系列磁盘操作，而不必关心这个LUN的物理组成（RAID磁盘阵列组成的，或者其它存储设备组成的）。

最后，通过RAID磁盘阵列当然可以提供对于数据的保护，RAID磁盘阵列基础上的数据保护，是比较底层的数据保护；除此之外，我们还可以有其它数据保护机制，即上层的数据保护机制，包括多路径技术和快照技术。

如果服务器到存储设备的路径只有一条，那么这仅有的一条路径如果故障，则服务器将无法访问存储设备，后果比较严重；所以通常情况下，会在服务器到存储设备之间，规划多条路径。

但是如果在服务器和存储设备之间规划多条路径，容易让服务器认为有多个存储设备（多个LUN，即多个逻辑存储单元），如下所示；如下左侧，只有一个LUN，但是因为多路径的存在，服务器看到了两个LUN，这会引起混淆；所以使用多路径软件，多路径软件，会让服务器只看到一个LUN，并且如果有路径故障，及时切换到备用路径上，如下右侧所示。

上一章节，详细讲述了多路径的数据保护机制，本章节继续讲述另外一种数据保护机制，即快照技术；对于在线存储业务，通常需要保证，当存储设备故障，或文件操作不当而损坏时，能够将数据恢复到某个可用的时间点状态；比如9点钟，我在编辑一个文件，但是因为操作不当（比如没有保存文件，就强制下线了），这时候我就需要将文件数据恢复到9点钟时的文件状态，因为9点钟那个时间点，我确定文件数据是基本可用的。

这时候，就可以使用快照技术，快照技术使用快照卷指向之前时间点的文件数据，依据快照卷，可以将数据恢复到之前时间点的状态；如下所示，8点钟时间点，针对文件数据，进行了快照卷备份，9点钟时间点，原始文件数据发生了改变，但是基于数据快照（Snapshot），仍然可以将文件数据，恢复到8点钟时间点状态。

最后，本篇文章进一步补充了存储基础知识，即RAID磁盘阵列技术，结合之前一篇文章，我们对于存储基本拥有了一个全面而深入的学习，知道了一系列存储基础知识；那么下一篇文章，就可以讲解最激动人心的存储虚拟化技术了。