完全图解RAID存储技术：RAID 0、1、5、6、10、50、60

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下面让我们直接开始！

什么是RAID存储？

独立磁盘冗余阵列（RAID）是一种存储技术，通过将两个或多个硬盘驱动器（HDD）或固态硬盘（SSD）合并成一个协调的存储单元或阵列，从而创建数据丢失的故障安全机制。

RAID存储通过将数据重复或重新创建，并将其存储在附加的驱动器上来防止磁盘驱动器数据的完全丢失，这个过程也被称为数据冗余。

提供数据丢失保护的配置被称为“容错”配置，这意味着即使磁盘驱动器发生故障，阵列仍然可以成功运行并提供可恢复的数据。

RAID的历史

RAID的概念最早由加州大学伯克利分校的计算机科学家David Patterson、Garth Gibson和Randy Katz在1987年提出。他们的研究论文“关于RAID的论证”提出了将多个磁盘驱动器组合起来，以提高性能和可靠性的想法。

最初，RAID的目标是通过将多个廉价的磁盘驱动器组合起来，以取代昂贵的大型磁盘驱动器，从而提供更高的性能和容错能力。因此，RAID的原始名称是“Redundant Array of Inexpensive Disks”（廉价磁盘冗余阵列）。

余和性能特征的不同，RAID级别分为多个类型，如RAID 0、RAID 1、RAID 5、RAID 6等。

RAID的发展离不开硬件和软件技术的进步。早期的RAID实施通常依赖于软件，即操作系统提供的RAID功能。然而，随着硬件技术的进步，硬件RAID控制器出现了，提供更高的性能和更强大的功能。

RAID的标准化工作也逐渐展开。Storage Networking Industry Association（SNIA）成立了RAID专门兴趣小组，致力于制定和推动RAID的标准化和发展。这些标准化工作为不同RAID级别的实施提供了一致性和互操作性。

RAID级别

RAID存储提供了不同的级别，每个级别具有不同的冗余和性能特性。

以下是常见的RAID级别：

• RAID 0：条带化（数据分块）但没有冗余，提供较高的读写性能。
• RAID 1：镜像，数据完全复制到另一个驱动器，提供容错能力。
• RAID 5：条带化加分布式奇偶校验，提供数据冗余和读取性能。
• RAID 6：类似于RAID 5，但提供更高级别的容错能力。
• RAID 10：RAID 1+0，将RAID 1镜像组合成RAID 0条带化，提供较高的容错能力和读写性能。
• RAID 50：RAID 5组合成RAID 0，提供较高的性能和容错能力。
• RAID 60：RAID 6组合成RAID 0，提供更高级别的性能和容错能力。

下面我们来详细介绍一下RAID的各个级别

RAID 0

原理

RAID 0使用数据条带化（striping）的方式将数据分散存储在多个磁盘驱动器上，而不进行冗余备份。数据被分成固定大小的块，并依次存储在每个磁盘上。例如，如果有两个驱动器（驱动器A和驱动器B），一块数据的第一个部分存储在驱动器A上，第二个部分存储在驱动器B上，以此类推。这种条带化的方式可以同时从多个驱动器读取或写入数据，从而提高系统的性能。

原理图

以下是RAID 0的冗余原理图，展示了数据条带化存储的方式：

在上述示例中，数据被分成块，并依次存储在两个驱动器上。每个块的一部分存储在驱动器A上，另一部分存储在驱动器B上。

适用场景

RAID 0适用于需要高性能而不关心数据冗余的场景。以下是几种适合使用RAID 0的场景：

1. 视频编辑和处理：在视频编辑中，需要快速读取和写入大量数据。RAID 0可以通过并行读写操作提高数据传输速度，加快视频编辑和处理的速度。
2. 大型数据库应用：对于需要频繁访问和查询数据库的应用程序，RAID 0可以提供更快的数据访问速度，加快数据库操作的响应时间。
3. 实时流媒体：对于需要实时传输和处理大量数据的流媒体应用，RAID 0可以提供足够的带宽和吞吐量，确保流媒体内容的平滑播放。

优点

RAID 0具有以下优点：

1. 高性能：通过数据条带化和并行读写操作，RAID 0可以提供更快的数据传输速度和更高的系统性能。
2. 成本效益：相对于其他RAID级别（如RAID 1或RAID 5），RAID 0不需要额外的磁盘用于冗余备份，因此在成本上更具竞争力。

缺点

RAID 0也存在一些缺点：

1. 缺乏冗余：由于RAID 0不提供数据冗余，如果任何一个驱动器发生故障，所有数据都可能丢失。因此，RAID 0不适合存储关键数据。
2. 可靠性降低：由于没有冗余备份，RAID 0的可靠性相对较低。如果任何一个驱动器发生故障，整个阵列的可用性将受到影响。

RAID 1

原理

RAID 1使用数据镜像（mirroring）的方式将数据完全复制到两个或多个磁盘驱动器上。当写入数据时，数据同时写入所有驱动器。这样，每个驱动器都具有相同的数据副本，从而实现数据的冗余备份。如果其中一个驱动器发生故障，系统可以继续从剩余的驱动器中读取数据，确保数据的可用性和完整性。

原理图

以下是RAID 1的冗余原理图，展示了数据镜像的方式：

在上述示例中，数据被完全复制到两个驱动器上。每个块的数据都同时存储在两个驱动器上，以实现数据的冗余备份。

适用场景

RAID 1适用于对数据冗余和高可用性要求较高的场景。以下是几种适合使用RAID 1的场景：

1. 关键数据存储：对于关键数据的存储，如企业的财务数据、客户信息等，RAID 1可以提供数据冗余备份，以防止数据丢失。
2. 数据库服务器：对于需要高可用性和容错性的数据库服务器，RAID 1可以确保数据的持久性和可用性，即使一个驱动器发生故障，也可以从其他驱动器中读取数据。
3. 文件服务器：对于共享文件的服务器，RAID 1可以提供冗余备份，确保文件的可靠性和高可用性。

优点

RAID 1具有以下优点：

1. 数据冗余备份：RAID 1通过数据镜像将数据完全复制到多个驱动器上，提供冗余备份，保护数据免受驱动器故障的影响。
2. 高可用性：由于数据的冗余备份，即使一个驱动器发生故障，系统仍然可以从其他驱动器中读取数据，保证数据的可用性和连续性。
3. 读取性能提升：RAID 1可以通过并行读取数据的方式提升读取性能，从而加快数据访问速度。

缺点

RAID 1也存在一些缺点：

1. 成本增加：由于需要额外的磁盘用于数据冗余备份，RAID 1的成本相对较高。需要考虑额外的硬件成本。
2. 写入性能略低：由于数据需要同时写入多个驱动器，相对于单个驱动器的写入性能，RAID 1的写入性能可能略低。

RAID 5

原理

RAID 5使用数据条带化（striping）的方式将数据分散存储在多个磁盘驱动器上，并通过分布式奇偶校验实现数据的冗余备份。数据和奇偶校验信息被组织成数据块，其中奇偶校验信息被分布式存储在不同的驱动器上。当写入数据时，奇偶校验信息也会被更新。如果其中一个驱动器发生故障，系统可以通过重新计算奇偶校验信息来恢复丢失的数据。这种方式可以同时提供性能增强和数据冗余。

原理图

以下是RAID 5的冗余原理图，展示了数据条带化和分布式奇偶校验的方式：

在上述示例中，数据被分成块，并依次存储在不同的驱动器上。奇偶校验信息被分布式存储在驱动器中。通过奇偶校验信息，可以计算和恢复丢失的数据。

适用场景

RAID 5适用于需要性能增强和数据冗余的场景。以下是几种适合使用RAID 5的场景：

1. 文件服务器：对于文件服务器，RAID 5可以提供高性能的数据访问和数据冗余备份，确保文件的安全性和可用性。
2. 数据库服务器：对于需要高性能和数据冗余的数据库服务器，RAID 5可以提供快速的数据读取和写入，同时保护数据免受驱动器故障的影响。
3. 小型企业环境：对于小型企业，RAID 5提供了经济实惠的解决方案，同时提供了性能和数据冗余的好处。

优点

RAID 5具有以下优点：

1. 性能增强：通过数据条带化和并行读写操作，RAID 5可以提供较高的数据传输速度和系统性能。
2. 数据冗余备份：通过分布式奇偶校验，RAID 5可以提供数据的冗余备份，保护数据免受驱动器故障的影响。
3. 成本效益：相对于其他RAID级别（如RAID 1），RAID 5只需要额外一个驱动器用于奇偶校验信息，从而在成本上更具竞争力。

缺点

RAID 5也存在一些缺点：

1. 写入性能受限：由于写入数据时需要重新计算奇偶校验信息，相对于读取操作，RAID 5的写入性能较低。
2. 驱动器故障期间的数据完整性：如果一个驱动器发生故障，系统在恢复数据时需要进行计算，这可能导致数据访问速度较慢，并且在此期间可能会有数据完整性的风险。

RAID 6

原理

RAID 6使用数据条带化（striping）的方式将数据分散存储在多个磁盘驱动器上，并通过分布式奇偶校验和双重奇偶校验实现数据的冗余备份。数据和奇偶校验信息被组织成数据块，其中奇偶校验信息被分布式存储在不同的驱动器上，并通过双重奇偶校验提供更高的数据冗余性。当写入数据时，奇偶校验信息也会被更新。如果其中两个驱动器发生故障，系统可以通过重新计算奇偶校验信息来恢复丢失的数据。这种方式可以同时提供性能增强和更高级别的数据冗余。

原理图

以下是RAID 6的冗余原理图，展示了数据条带化、分布式奇偶校验和双重奇偶校验的方式：

在上述示例中，数据被分成块，并依次存储在不同的驱动器上。奇偶校验信息被分布式存储在驱动器中，并通过双重奇偶校验提供更高级别的数据冗余性。

适用场景

RAID 6适用于需要更高级别的数据冗余和性能增强的场景。以下是几种适合使用RAID 6的场景：

1. 大容量存储系统：对于需要大容量存储和数据冗余备份的系统，如大型文件服务器或存档系统，RAID 6可以提供更高级别的数据冗余性。
2. 长时间运行的应用程序：对于需要长时间运行的关键应用程序，如数据库服务器，RAID 6可以提供更高级别的数据冗余和故障容忍性。
3. 虚拟化环境：在虚拟化环境中，需要高性能和更高级别的数据冗余来支持多个虚拟机的运行。RAID 6可以满足这些要求。

优点

RAID 6具有以下优点：

1. 更高级别的数据冗余：通过分布式奇偶校验和双重奇偶校验，RAID 6可以提供更高级别的数据冗余性，即使同时发生两个驱动器故障，仍能恢复丢失的数据。
2. 性能增强：通过数据条带化和并行读写操作，RAID 6可以提供较高的数据传输速度和系统性能。

缺点

RAID 6也存在一些缺点：

1. 写入性能略低：由于数据需要同时写入多个驱动器，并进行双重奇偶校验计算，相对于读取操作，RAID 6的写入性能较低。
2. 较高的成本：由于需要额外的磁盘用于奇偶校验信息和更复杂的计算，RAID 6的成本相对较高。需要考虑额外的硬件成本。

RAID 10

原理

RAID 10使用条带化（striping）的方式将数据分散存储在多个磁盘驱动器上，并通过镜像（mirroring）实现数据的冗余备份。数据被分成固定大小的块，并依次存储在不同的驱动器上，类似于RAID 0。然而，每个数据块都会被完全复制到另一个驱动器上，实现数据的冗余备份，类似于RAID 1。这样，RAID 10在提供性能增强的同时，也提供了数据的冗余保护。

原理图

以下是RAID 10的冗余原理图，展示了数据条带化和镜像的方式：

在上述示例中，数据被分成块，并依次存储在不同的驱动器上。每个块的数据都完全复制到另一个驱动器上，实现数据的冗余备份。

适用场景

RAID 10适用于需要高性能和数据冗余的场景。以下是几种适合使用RAID 10的场景：

1. 数据库服务器：对于需要高可用性和性能的数据库服务器，RAID 10可以提供快速的数据读取和写入，同时保护数据免受驱动器故障的影响。
2. 虚拟化环境：在虚拟化环境中，需要高性能和数据冗余来支持多个虚拟机的运行。RAID 10可以满足这些要求，提供性能增强和数据保护。
3. 关键业务应用：对于关键业务应用，如金融交易系统或在线电子商务平台，RAID 10可以提供高可用性和快速的数据访问，确保业务的连续性和稳定性。

优点

RAID 10具有以下优点：

1. 高性能：通过数据条带化和并行读写操作，RAID 10可以提供较高的数据传输速度和系统性能。
2. 数据冗余备份：通过数据镜像将数据完全复制到另一个驱动器上，RAID 10提供了数据的冗余备份，保护数据免受驱动器故障的影响。
3. 较高的可靠性：由于RAID 10采用镜像的方式进行数据冗余备份，即使一个驱动器发生故障，仍然可以从其他驱动器中读取数据，确保数据的可用性和连续性。
4. 快速的故障恢复：在RAID 10中，如果一个驱动器发生故障，系统可以直接从镜像驱动器中恢复数据，而无需进行复杂的计算，从而加快故障恢复的速度。

缺点

RAID 10也存在一些缺点：

1. 较高的成本：相对于其他RAID级别，RAID 10需要更多的驱动器用于数据镜像，从而增加了硬件成本。
2. 低效的空间利用：由于RAID 10的数据镜像特性，有效的存储容量只等于所有驱动器中一半的容量，因此空间利用率较低。

RAID 50

原理

RAID 50使用条带化（striping）的方式将数据分散存储在多个RAID 5组中，并通过RAID 0的条带化方式对这些RAID 5组进行条带化。每个RAID 5组由多个磁盘驱动器组成，并使用分布式奇偶校验来提供数据冗余备份。RAID 0则通过将数据划分为固定大小的块，并将这些块依次存储在多个驱动器上，提供了更高的性能。这样，RAID 50既提供了数据冗余备份，又提供了性能增强。

原理图

以下是RAID 50的冗余原理图，展示了数据条带化和分布式奇偶校验的方式：

在上述示例中，数据被分成块，并依次存储在不同的RAID 5组中。每个RAID 5组由多个驱动器组成，并使用分布式奇偶校验提供数据的冗余备份。

适用场景

RAID 50适用于需要高性能和更高级别的数据冗余的场景。以下是几种适合使用RAID 50的场景：

1. 大规模数据存储：对于需要大规模数据存储和数据冗余备份的系统，如视频编辑、数据分析或大型数据库，RAID 50可以提供高性能和较高级别的数据冗余性。
2. 图形渲染和动画制作：在图形渲染和动画制作领域，需要高性能的存储系统来处理大型文件和复杂的渲染任务。RAID 50可以满足这些要求，提供快速的数据读取和写入速度。
3. 虚拟化环境：在虚拟化环境中，需要高性能和更高级别的数据冗余来支持多个虚拟机的运行。RAID 50可以满足这些要求，提供性能增强和数据保护。

优点

RAID 50具有以下优点：

1. 高性能：通过数据条带化和并行读写操作，RAID 50可以提供较高的数据传输速度和系统性能。
2. 更高级别的数据冗余：由于采用了多个RAID 5组的方式，RAID 50提供了更高级别的数据冗余备份，即使同时发生多个驱动器故障，仍能恢复丢失的数据。

缺点

RAID 50也存在一些缺点：

1. 较高的成本：由于需要更多的驱动器用于数据条带化和数据冗余备份，RAID 50的硬件成本相对较高。
2. 配置和管理复杂性：由于涉及多个RAID 5组和驱动器，RAID 50的配置和管理相对复杂，需要更多的注意和维护。

RAID 60

原理

RAID 60采用条带化（striping）的方式将数据分散存储在多个RAID 6组中，并通过RAID 0的条带化方式对这些RAID 6组进行条带化。每个RAID 6组由多个磁盘驱动器组成，并使用分布式奇偶校验来提供数据的冗余备份。RAID 0则通过将数据划分为固定大小的块，并将这些块依次存储在多个驱动器上，提供了更高的性能。这样，RAID 60既提供了更高级别的数据冗余备份，又提供了性能增强。

原理图

以下是RAID 60的冗余原理图，展示了数据条带化和分布式奇偶校验的方式：

在上述示例中，数据被分成块，并依次存储在不同的RAID 6组中。每个RAID 6组由多个驱动器组成，并使用分布式奇偶校验提供数据的冗余备份。

适用场景

RAID 60适用于需要更高级别的数据冗余和更高性能的场景。以下是几种适合使用RAID 60的场景：

1. 大型数据库系统：对于大型数据库系统，需要高可用性、高性能和更高级别的数据冗余来确保数据的完整性和可靠性。RAID 60可以提供这些要求。
2. 大规模数据分析：在大规模数据分析领域，需要高性能的存储系统来处理大量数据的读取和写入。RAID 60可以满足这些要求，提供较高的数据传输速度和系统性能。
3. 视频流媒体处理：对于视频流媒体处理应用，需要快速的数据读取和写入，以确保流畅的视频播放和高质量的媒体处理。RAID 60可以满足这些要求。

优点

RAID 60具有以下优点：

1. 更高级别的数据冗余：由于采用了多个RAID 6组的方式，RAID 60提供了更高级别的数据冗余备份，即使同时发生多个驱动器故障，仍能恢复丢失的数据。
2. 高性能：通过数据条带化和并行读写操作，RAID 60可以提供较高的数据传输速度和系统性能。

缺点

RAID 60也存在一些缺点：

1. 较高的成本：由于需要更多的驱动器用于数据条带化和数据冗余备份，RAID 60的硬件成本相对较高。
2. 配置和管理复杂性：由于涉及多个RAID 6组和驱动器，RAID 60的配置和管理相对复杂，需要更多的注意和维护。

RAID级别对比

RAID 0

• 最小磁盘数：2
• 容错能力：无冗余，不具备容错能力
• 磁盘空间开销：0%
• 读取速度：高
• 写入速度：高
• 硬件成本：低

RAID 1

• 最小磁盘数：2
• 容错能力：可容忍单个磁盘故障
• 磁盘空间开销：50%
• 读取速度：高
• 写入速度：低
• 硬件成本：中

RAID 5

• 最小磁盘数：3
• 容错能力：可容忍单个磁盘故障
• 磁盘空间开销：1 / N（其中N为磁盘数）
• 读取速度：中
• 写入速度：低
• 硬件成本：中

RAID 6

• 最小磁盘数：4
• 容错能力：可容忍两个磁盘故障
• 磁盘空间开销：2 / N（其中N为磁盘数）
• 读取速度：中
• 写入速度：低
• 硬件成本：高

RAID 10

• 最小磁盘数：4
• 容错能力：可容忍多个磁盘故障
• 磁盘空间开销：50%
• 读取速度：高
• 写入速度：中
• 硬件成本：高

RAID 50

• 最小磁盘数：6
• 容错能力：可容忍单个磁盘故障
• 磁盘空间开销：1 / N（其中N为磁盘数）
• 读取速度：高
• 写入速度：中
• 硬件成本：高

RAID 60

• 最小磁盘数：8
• 容错能力：可容忍多个磁盘故障
• 磁盘空间开销：50%
• 读取速度：高
• 写入速度：中
• 硬件成本：高

为了方便记忆，瑞哥将其整理成表格：

如何选择RAID？

在选择合适的RAID级别时，需要综合考虑以下因素：

1. 容错能力需求

如果您的数据对于故障容忍性非常敏感，那么具有更高级别容错能力的RAID级别是首选。例如，对于关键数据和业务应用，RAID 6或RAID 10是较好的选择。

2. 性能需求

根据应用程序和工作负载对性能的要求，选择适当的RAID级别非常重要。如果您需要高读写性能和较低的响应时间，可以考虑RAID 0或RAID 10。对于需要较高读取性能的应用，RAID 5或RAID 6也可以考虑。

3. 存储空间利用率

如果您对存储空间的利用率有较高的要求，可以考虑RAID 5、RAID 6或RAID 10。这些级别可以在一定程度上提供较高的存储空间利用率。RAID 1则会导致存储空间的浪费，因为数据完全复制到多个驱动器上。

4. 成本预算

成本是选择RAID级别时需要考虑的重要因素之一。不同的RAID级别具有不同的硬件配置和成本。RAID 0通常是成本最低的选择，而RAID 10和RAID 6可能需要更多的硬件资源和较高的成本。

综合考虑以上因素，以下是一些推荐的RAID级别和应用场景：

• 对于需要高性能和容错能力的环境，推荐使用RAID 10。
• 如果对于成本和性能要求较高，同时对容错能力也有一定要求，可以选择RAID 5。
• 如果对于数据完整性的要求较高，并且能提供更高的容错能力，推荐使用RAID 6。
• 如果对于存储空间利用率和成本效益的要求较高，同时对性能和容错能力有一定要求，可以选择RAID 5或RAID 6。
• 如果对于读写性能要求较高，但容错能力不是首要考虑因素，可以选择RAID 0或RAID 10。

RAID的演进

随着时间的推移，RAID存储技术不断演进和改进。以下是RAID存储领域的一些重要演进：

硬件RAID控制器

硬件RAID控制器是RAID技术发展的重要里程碑之一。硬件RAID控制器是一种独立的设备，具有自己的处理器和缓存，用于执行RAID级别的计算和管理。它通过降低主机系统的负担，提供更高的性能和更好的数据保护。

RAID级别的增加

随着RAID技术的发展，不断引入了新的RAID级别，以满足不同的需求。RAID 5和RAID 6提供了更高级别的容错能力，可以容忍多个磁盘故障。RAID 10结合了RAID 1和RAID 0的优势，提供了更高的性能和容错能力。RAID 50和RAID 60结合了不同级别的RAID，提供更高级别的性能和容错能力。

SSD和RAID

随着固态硬盘（SSD）技术的发展，SSD在RAID存储中的应用也逐渐增多。SSD具有更高的读写性能和更好的可靠性，可以提供更高的RAID性能。SSD的低延迟和高吞吐量使得RAID存储能够更好地满足高性能计算和数据密集型应用的需求。

RAID存储的未来

RAID存储技术在过去几十年中取得了巨大的进步，为数据存储提供了更高的可靠性和性能。然而，随着大数据、云计算和人工智能等技术的快速发展，对存储系统的需求也在不断增长和变化。

未来的RAID存储将面临更大的挑战和机遇。新的技术和创新将推动RAID存储在容错能力、性能、扩展性和成本效益方面的进一步发展。例如，分布式RAID、混合存储技术和软件定义存储等新兴技术将在未来的RAID存储中发挥重要作用。

本文完！

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