大话存储 3 - 七种磁盘RAID技术

RAID技术 Redundant Array of Independent Disks

由独立的磁盘组成的具有冗余特性的阵列。

有两个特性：

阵列：需要很多磁盘来组成
冗余：允许某块磁盘损坏之后，数据仍然可用

目前，单块磁盘容量只有几T，对于现代应用程序来说远远不够。为了提供容量更大的磁盘，发明了RAID技术。

1 七种RAID简介

RAID 0

4个磁盘组成一个阵列
4个扇区组成的块作为基本单元
不同磁盘的相同偏移处的块组合成Stripe
数据写入：数据被分成多块写入4个磁盘，而不是顺序写入一个磁盘，这就大大提高了速度
缺点：其中一块磁盘废掉，数据全部丢失。

RAID 1

一个数据盘，一个影子盘
每次写，写成功两块盘才算成功
没有提供读副本的功能，只有数据出现损坏，才会读第二副本
缺点：短板效应，速度取决于最慢的盘，容量取决于最小的盘。

RAID 2

两块数据盘，一块校验盘
校验算法使用汉明码，可以校验，并具有纠错一位的能力。
每个IO下发的数据被以位为单位平均打散在所有数据盘上。
缺点：校验盘数量太多，开销太大，成本昂贵。

RAID 3

使用逻辑运算“异或XOR”来进行计算校验位
将数据盘的每一位之间做XOR运算，然后将结果写入校验盘的对应位置。
每次IO的大小：4KB，并要求所有数据盘主轴同步，不然就会等待最慢的那个数据盘完成。
优点：校验效率较高，成本减少
缺点：不支持IO并发，无法纠正错误。对随机小块读写时，一个很小的IO会占用所有盘。

RAID 4

为了解决RAID 3中小块随机读写问题，增大了“条带深度”
如果一个IO过来，这个IO块小于条带深度，那么这次IO就被完全禁锢在一块磁盘上，只会用到一块磁盘。
缺点：校验盘是瓶颈。

RAID 5

目的是支持并发IO。
校验盘分割打散在数据盘上。
连续性能不如RAID 3。
随机读性能高。
写性能较差。写过程：新数据过来->读取待更新扇区的原数据->读取校验数据->计算新数据校验数据->将新数据和新校验数据写到磁盘。

RAID 6

目的是为了解决超过一块盘损坏就丢数据的问题。
增加了校验码，通过组成方程组求解多个未知数。
缺点：因为要多读出一个校验数据，写性能更差了。

2 关于几个与IO相关的重要概念

IO可以分为读写IO、大小块IO、连续/随机IO、顺序/并发IO、稳定/突发IO、持续/间断IO和实虚IO。

下面我们来分别了解一下这几种IO。

1 读/写IO

一次IO，就是发指令从磁盘读写某段序号连续的扇区内从。

指令一般是通知磁盘从某个扇区开始，并给出从这个初始扇区往后读取的连续扇区个数，同时给出动作是读还是写。

一个IO索要提取的扇区段一定是连续的。

2 大/小块IO

指控制器的指令中给出的连续读取扇区数目的多少。如果数目很大，比如128、64等，就是大块IO。如果很小，比如1、4、8等，就算小块IO。

3 连续/随机IO

连续和随机是指本次IO给出的初始扇区地址和上一次IO的结束扇区地址是不是完全连续或者像个不多的。

如果是，则本次IO应该算是一个连续IO。

如果相差太大，则算一次随机IO。

4 顺序/并发IO

磁盘控制器如果可以同时对一个RAID系统中的多块磁盘同时发送IO指令，并且这些最底层的IO数据包含了文件系统下发的一个IO的数据，则此时为顺序IO。

5 持续/间断IO

持续不断地发送或者接受IO请求数据流，这种情况为持续IO。

6 稳定/突发IO

某存储设备或者某程序在一段时间内接受或者发送的IOPS以及throughput保持响度稳定和恒定，则称为稳定IO。

如果单位时间的IOPS或者throughput突然猛增，则为突发IO。

7 实/虚IO

读写实际文件或者磁盘扇区数据的，称为实IO

对文件元数据操作的、或针对磁盘发送的非实体数据IO请求的控制性IO，称为虚IO。

参考资料

《大话存储2-存储系统架构与底层原理极限剖析》

巴特西