七种RAID技术详解

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一、基础知识

1. 磁盘相同偏移处横向逻辑分割，形成Stripee，一个Stripee横跨过的扇区或块的个数或字节容量，就是条带长度。
2. 一个Stripee所占用的单块磁盘上的区域，称为一个Segment，一个Segment中所包含的data Block或者扇区的个数或者字节容量，称为Stripee Depth
3. Data Block可以是N倍个扇区大小的容量，由控制器决定可不可以调整。
4. 读/写IO，大小块IO，连续/随机IO，顺序/并发IO，持续/间断IO，实/虚IO
5. IO并发几率：单盘，IO并发几率为0，因为一块磁盘同时只可以进行一次IO，对于RAID0，在2块盘的情况下，条带深度比较大的时候(条带太小不能并发IO)，并发两个IO的几率为1/2
6. IOPS：完成一次IO所用的时间=寻道时间+旋转延迟时间+数据传输时间，IOPS=IO并发系数/(寻道时间+旋转延迟时间+数据传输时间)
7. 每秒IO吞吐量=IOPS×平均IO SIZE，IOPS越大，每秒IO的吞吐量就越高

二、RAID 0 技术分析

1. 从外面看，参与形成RAID 0的各个物理盘会组成一个逻辑上连续、物理上也连续的虚拟磁盘。一级磁盘控制器对这个虚拟磁盘发出的指令，都被RAID控制器收到并分析处理，根据Block映射关系算法公式转换成对组成RAID 0的各个物理盘的真实物理磁盘IO请求指令，收集或写入数据后，再提交给主机磁盘控制器。
2. RAID 0非条带化模式：写满一块物理磁盘后再接着写另一块，直至所有组成的磁盘全部写满，对于IO写没有任何优化，对于IO读能提高一定的并发IO读几率。
3. 读取过程：如果某次读取数据都落在同一个Segment的话，IO只在一块物理盘中读取，性能没有优化，反而增加了RAID控制器的额外计算开销，因此若要提升性能，就要让一个IO尽量扩散到多块物理盘上，减小条带深度，在磁盘数量不变的条件下，尽量减小条带的大小，让这个IO的数据被控制器分割，同时放满多个Segment。记住：不要以为控制器总是先放满第一个Segment，再放满第二个Segment
4. RAID 0要提升性能，条带做的越小越好，但是另外一个矛盾是如果条带太小的话并发IO的几率就会降低，因为如果条带太小，每次IO会占用大部分物理盘，队列中的IO就只能等待这次IO结束后才能使用物理盘，而条带太大的话不能充分提高速度。

三、RAID 1 技术分析

1. RAID 1 对虚拟逻辑盘上的每个物理Block，都在物理盘上有一个镜像备份，对于RAID 1的写IO，速度反而下降，取决于最慢的那个。对于读IO请求，不但可以并发，而且即使在顺序IO也可以像RAID 0一样从两块盘上同时读取数据，RAID 1 没有Stripe的概念。
2. 在读、并发IO的模式下，由于可以并发N个IO，每个IO占用一个物理盘，这就相当于提升了N倍的IOPS。由于每个IO只独占了一个物理盘，所以数据传输速度相对于单盘没有提升。
3. 在读、顺序IO、随机IO的模式下，因为IO不能并发，此时一个IO可以同时读取N个盘的内容，但寻道时间影响非常大。
4. 在读、顺序IO、连续IO时，寻道影响最低，但是有传输速率为主要矛盾，多块盘传输，时间减少为1/N，性能提升了N倍。
5. 在写IO时，若想做到并发IO，则可以从IO队列中提取连续的多个IO，将IO合并，并发写入磁盘，前提是几个IO必须是事务性的，也就是说LBA必须连续，不然不能作为一个大的合并IO。而且和文件系统也有关系，文件系统碎片越少，并发几率会越高。

四、RAID 2 技术分析

1. RAID 2 的基本思想是在IO到来以后，控制器将数据按照位分散开，顺序在每块磁盘中存取1b，上层IO经过文件系统，才通过磁盘控制器驱动来向磁盘发出IO，最终是N倍的扇区。
2. RAID 2 控制器接受到IO数据后，在Cache中计算需要写入的物理磁盘的信息，将数据分割为比特，一次性那个写入物理扇区，以等位的方式写入。扇区没用完的部分先空着，在第二次IO到来后，控制器需要读出原来的数据，与新数据合并后一并再写入这个扇区，使得效率大打折扣，因为是以位为单位，分割存放到不连续的多块物理盘上，任何条件下都迫使全磁盘组并行读写，提高性能。
3. RAID 2 的每次读写都需要全组磁盘联动，所以为了最大化其性能，最好保证每块磁盘主轴同步，使同一时刻每块磁盘磁头所处的扇区逻辑编号一致，并存并取，达到最佳性能。适用于视频流服务。
4. 对于磁盘控制器的IO一般都是事务性的，所以IO中的扇区对于上层文件系统来说是一个完整的事务，很少会发生只针对这个事务中某个点进行读写的情况。
5. RAID 2不能并发IO
6. 需要的汉明码的位数与数据位的数量之间的关系为2^p>=p+D+1，D为数据位数，P为汉明码数

五、RAID 3 技术分析

1. RAID 3 改进了RAID 2 致命的缺点——以比特为单位，RAID 3 以扇区或者几个扇区为单位来分散数据，同时以高效的XOR校验算法判断数据是否有误，但是不能判断出哪一位出现错误，更不能修正错误，但是这使得校验盘只需要一块足矣。
2. RAID 3 的每一个条带，长度可以被设计为一个文件系统块的大小，深度随磁盘数量而决定。
3. 控制器接受到IO后，会以扇区为单位对数据进行等距离分割，然后同时写入Segment中，除开校验盘的开销外并没有多少的延迟，但是当数据大小小于条带长度时，由于需要更新校验块，就出现了写惩罚，也就是先要读出所有数据，再写入所有更新数据。
4. RAID 3 不能并发IO，但是可以通过设计形成RAID 30系统，做到并发。
5. RAID 3 最怕遇到随机IO，必须牵动所有盘来服务，频繁的寻道导致还不如单块磁盘读取。但是对于连续IO，RAID 3 的多盘并发读写，做到相当于单盘的N倍速率

六、RAID 4 技术分析

1. RAID 4 专门针对的是类似数据库读取这种随机IO而设计的，因为RAID 2 和RAID 3 都是针对大块IO来设计，提高了传输速率，对于随机IO的IOPS还是很小。
2. 当IO SIZE小于Stripe SIZE的时候，会有磁盘处于空闲状态，但是因为校验盘被占领了，这些盘就没有用途了，在RAID 4 中，如果利用上层文件系统控制，使得磁盘写入尽可能使用磁盘相同条带的块，就可能做到了类似并发IO，使得几率增大，从而减小了校验盘的写入次数。
3. 总结：通过上层文件系统的调整写入，人为使得并发IO的几率增大，本质还是使用RAID 3 的模式。

七 RAID 5 技术分析

1. 整条写：需要修改奇偶校验群组中的所有的条带单元，新的XOR校验值可以根据所有新的条带数据计算得到，不需要额外的读写操作，所有控制器可以直接利用这些更新的数据计算出校验数据之后，在数据被写入数据盘的同时，将计算好的校验信息写入校验盘。
2. 重构写：当要写入的磁盘数目超过阵列磁盘数目的一半时，不需要修改的Segment中读取原来的数据，再和本条带中所有需要修改的Segment上的新数据一起计算XOR校验值。再将新的Segment数据和没有更改的Segment数据以及新的XOR校验值一并写入。
3. 读改写：当要写入的磁盘数目少于阵列磁盘数目的一半时，先从需要修改的Segment中读取原来的数据，再读取旧的奇偶校验值，根据旧数据、旧校验值和需要修改的Segment上的新数据计算出这个条带上新的校验值，最后写入新的数据和新的奇偶校验值。公式为：新数据的校验数据=（老数据EOR新数据）EOR老校验数据
4. 写效率排列：整条写>重构写>读改写
5. 为了保证并发IO，RAID 5 同样将条带大小做的较大，保证每次IO数据不会占满整个条带，造成队列中其他IO的等待，但是要保证高效率的并发，否则就跟读改写模式一样。
6. RAID 5 面对频发的随机写IO，IOPS下降的趋势比其他RAID类型要平缓一些。
7. RAID 5 相对于经过特别优化的RAID 4 来说，在底层实现了并发，脱离文件系统。
8. RAID 5E 使用了一个热备盘，当其中一个盘出现问题时立马顶上去，RAID 5EE则是把热备盘也进行了分布式，达到了更好的危险保障效果。

八、RAID 6 技术分析

1. RAID 6相比RAID 5最大的不同是增加了一块校验盘，在同时坏了两块盘的时候也能保证数据不会发生丢失，可以通过保存两份数学上不相关的校验数据，不过由于是同时操作，不会比RAID 5慢多少，其他特性与RAID 5类似。