RAID（独立磁盘的冗余阵列）

RAID或“独立磁盘冗余阵列”是一种技术，它利用多个磁盘的组合，而不是使用单个磁盘来提高性能、数据冗余或两者兼而有之。这个词是1987年加州大学伯克利分校的戴维·帕特森、加思·A·吉布森和兰迪·卡茨创造的。

为什么是数据冗余？

数据冗余虽然占用了额外的空间，但增加了磁盘的可靠性。这意味着，在磁盘故障的情况下，如果相同的数据也备份到另一个磁盘上，我们可以检索数据并继续操作。另一方面，如果数据在没有RAID技术的情况下仅分布在多个磁盘上，则单个磁盘的丢失可能会影响整个数据。

RAID系统的关键评估点

• 可靠性： 系统可以容忍多少磁盘故障？
• 可利用性： 系统处于正常运行时间模式占总会话时间的比例是多少，即系统在实际使用中的可用性如何？
• 性能： 响应时间有多快？吞吐量（处理工作的速率）有多高？请注意，性能包含很多参数，而不仅仅是这两个。
• 容量： 给定一组N个磁盘，每个磁盘上有B个块，用户可用的可用容量是多少？

RAID对底层系统非常透明。这意味着，对主机系统来说，它是一个大磁盘，呈现为块的线性阵列。这使得旧技术可以被RAID取代，而无需对现有代码进行太多更改。

不同的RAID级别

RAID-0（剥离）

• 块是跨磁盘“剥离”的。

• 在图中，块“0,1,2,3”形成一条条纹。
• 与一次只将一个块放入磁盘不同，我们可以先将两个（或更多）块放入磁盘，然后再继续下一个块。

评价：

• 可靠性：0 没有重复数据。因此，一个区块一旦丢失就无法恢复。
• 容量：N*B 整个空间被用来存储数据。由于没有复制，因此每个具有B块的N个磁盘被充分利用。

RAID-1（镜像）

• 每个数据块的多个副本存储在单独的磁盘中。因此，每个块都有两个（或更多）拷贝，它们位于不同的磁盘上。

• 上图显示了具有镜像级别2的RAID-1系统。
• RAID 0无法容忍任何磁盘故障。但RAID 1具有可靠性。

评价：

假设RAID系统具有镜像级别2。

• 可靠性：1至N/2 1磁盘故障是可以确定处理的，因为该磁盘的块在其他磁盘上会有重复。如果我们足够幸运，并且磁盘0和2出现故障，那么同样可以处理这一问题，因为这些磁盘的块在磁盘1和3上有重复。因此，在最佳情况下，可以处理N/2个磁盘故障。
• 容量：N*B/2 只有一半的空间用于存储数据。另一半只是已存储数据的镜像。

RAID-4（带专用奇偶校验的块级剥离）

• 它采用基于奇偶校验的方法，而不是复制数据。

• 在图中，我们可以看到一列（磁盘）专用于奇偶校验。
• 奇偶校验是使用简单的异或函数计算的。如果数据位为0,0,0,1，奇偶校验位为XOR（0,0,0,1）=1。如果数据位为0,1,1,0，则奇偶校验位为XOR（0,1,1,0）=0。一种简单的方法是，偶数个1导致奇偶校验0，奇数个1导致奇偶校验1。

• 假设在上图中，C3由于某些磁盘故障而丢失。然后，我们可以通过查看所有其他列的值和奇偶校验位来重新计算存储在C3中的数据位。这使我们能够恢复丢失的数据。

评价：

• 可靠性：1 RAID-4最多允许恢复1个磁盘故障（因为奇偶校验的工作方式）。如果多个磁盘出现故障，则无法恢复数据。
• 容量：（N-1）*B 系统中保留一个磁盘用于存储奇偶校验。因此，（N-1）个磁盘可用于数据存储，每个磁盘有B个块。

RAID-5（具有分布式奇偶校验的块级剥离）

• 这是对RAID-4系统的轻微修改，唯一的区别是奇偶校验在驱动器之间旋转。

• 在图中，我们可以注意到奇偶校验位是如何“旋转”的。
• 这是为了提高随机写入性能。

评价：

• 可靠性：1 RAID-5允许最多恢复1个磁盘故障（因为奇偶校验的工作方式）。如果多个磁盘出现故障，则无法恢复数据。这与RAID-4相同。
• 容量：（N-1）*B 总的来说，在存储奇偶校验时使用了相当于一个磁盘的空间。因此，（N-1）个磁盘可用于数据存储，每个磁盘有B个块。

其他RAID级别呢？

RAID-2由使用汉明码奇偶校验的位级剥离组成。RAID-3由具有专用奇偶校验的字节级分条组成。这两种方法不太常用。 RAID-6是最近的一项进步，它包含分布式双奇偶校验，这涉及到块级剥离，使用2个奇偶校验位，而不是仅分布在所有磁盘上的1个奇偶校验位。还有混合RAID，它使用多个RAID级别，一个接一个地嵌套，以满足特定需求。

参考资料：

• https://en.wikipedia.org/wiki/RAID
• Remzi H.Arpaci Dusseau的《三件简单的操作系统》。

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