7.1 RAID磁盘冗余阵列

近年来, CPU的处理性能保持着高速增长,Intel公司在2017年最新发布的i9-7980XE处理器芯片更是达到了18核心36线程。但与此同时,硬盘设备的性能提升却不是很大,因此逐渐成为当代计算机整体性能的瓶颈。而且,由于硬盘设备需要进行持续、频繁、大量的IO操作,相较于其他设备,其损坏几率也大幅增加,导致重要数据丢失的几率也随之增加。

1988年,加利福尼亚大学伯克利分校首次提出并定义了RAID技术的概念。RAID技术通过把多个硬盘设备组合成一个容量更大、安全性更好的磁盘阵列,并把数据切割成多个区段后分别存放在各个不同的物理硬盘设备上,然后利用分散读写技术来提升磁盘阵列整体的性能,同时把多个重要数据的副本同步到不同的物理硬盘设备上,从而起到了非常好的数据冗余备份效果。

任何事物都有它的两面性。RAID技术确实具有非常好的数据冗余备份功能,但是它也相应地提高了成本支出。就像原本我们只有一个电话本,但是为了避免遗失,我们将联系人号码信息写成了两份,自然要为此多买一个电话本,这也就相应地提升了成本支出。RAID技术的设计初衷是减少因为采购硬盘设备带来的费用支出,但是与数据本身的价值相比较,现代企业更看重的则是RAID技术所具备的冗余备份机制以及带来的硬盘吞吐量的提升。也就是说,RAID不仅降低了硬盘设备损坏后丢失数据的几率,还提升了硬盘设备的读写速度,所以它在绝大多数运营商或大中型企业中得以广泛部署和应用。

出于成本和技术方面的考虑,需要针对不同的需求在数据可靠性及读写性能上作出权衡,制定出满足各自需求的不同方案。目前已有的RAID磁盘阵列的方案至少有十几种,而刘遄老师接下来会详细讲解RAID 0、RAID 1、RAID 5与RAID 10这4种最常见的方案。

  1. RAID 0

RAID 0技术把多块物理硬盘设备(至少两块)通过硬件或软件的方式串联在一起,组成一个大的卷组,并将数据依次写入到各个物理硬盘中。这样一来,在最理想的状态下,硬盘设备的读写性能会提升数倍,但是若任意一块硬盘发生故障将导致整个系统的数据都受到破坏。通俗来说,RAID 0技术能够有效地提升硬盘数据的吞吐速度,但是不具备数据备份和错误修复能力。如图7-1所示,数据被分别写入到不同的硬盘设备中,即disk1和disk2硬盘设备会分别保存数据资料,最终实现提升读取、写入速度的效果。

图7-1 RAID 0技术示意图

  1. RAID 1

尽管RAID 0技术提升了硬盘设备的读写速度,但是它是将数据依次写入到各个物理硬盘中,也就是说,它的数据是分开存放的,其中任何一块硬盘发生故障都会损坏整个系统的数据。因此,如果生产环境对硬盘设备的读写速度没有要求,而是希望增加数据的安全性时,就需要用到RAID 1技术了。

在图7-2所示的RAID 1技术示意图中可以看到,它是把两块以上的硬盘设备进行绑定,在写入数据时,是将数据同时写入到多块硬盘设备上(可以将其视为数据的镜像或备份)。当其中某一块硬盘发生故障后,一般会立即自动以热交换的方式来恢复数据的正常使用。

图7-2 RAID 1技术示意图

RAID 1技术虽然十分注重数据的安全性,但是因为是在多块硬盘设备中写入了相同的数据,因此硬盘设备的利用率得以下降,从理论上来说,图7-2所示的硬盘空间的真实可用率只有50%,由三块硬盘设备组成的RAID 1磁盘阵列的可用率只有33%左右,以此类推。而且,由于需要把数据同时写入到两块以上的硬盘设备,这无疑也在一定程度上增大了系统计算功能的负载。

那么,有没有一种RAID方案既考虑到了硬盘设备的读写速度和数据安全性,还兼顾了成本问题呢?实际上,单从数据安全和成本问题上来讲,就不可能在保持原有硬盘设备的利用率且还不增加新设备的情况下,能大幅提升数据的安全性。刘遄老师也没有必要忽悠各位读者,下面将要讲解的RAID 5技术虽然在理论上兼顾了三者(读写速度、数据安全性、成本),但实际上更像是对这三者的“相互妥协”。

  1. RAID 5

如图7-3所示,RAID5技术是把硬盘设备的数据奇偶校验信息保存到其他硬盘设备中。RAID 5磁盘阵列组中数据的奇偶校验信息并不是单独保存到某一块硬盘设备中,而是存储到除自身以外的其他每一块硬盘设备上,这样的好处是其中任何一设备损坏后不至于出现致命缺陷;图7-3中parity部分存放的就是数据的奇偶校验信息,换句话说,就是RAID 5技术实际上没有备份硬盘中的真实数据信息,而是当硬盘设备出现问题后通过奇偶校验信息来尝试重建损坏的数据。RAID这样的技术特性“妥协”地兼顾了硬盘设备的读写速度、数据安全性与存储成本问题。

图7-3 RAID5技术示意图

  1. RAID 10

鉴于RAID 5技术是因为硬盘设备的成本问题对读写速度和数据的安全性能而有了一定的妥协,但是大部分企业更在乎的是数据本身的价值而非硬盘价格,因此生产环境中主要使用RAID 10技术。

顾名思义,RAID 10技术是RAID 1+RAID 0技术的一个“组合体”。如图7-4所示,RAID 10技术需要至少4块硬盘来组建,其中先分别两两制作成RAID 1磁盘阵列,以保证数据的安全性;然后再对两个RAID 1磁盘阵列实施RAID 0技术,进一步提高硬盘设备的读写速度。这样从理论上来讲,只要坏的不是同一组中的所有硬盘,那么最多可以损坏50%的硬盘设备而不丢失数据。由于RAID 10技术继承了RAID 0的高读写速度和RAID 1的数据安全性,在不考虑成本的情况下RAID 10的性能都超过了RAID 5,因此当前成为广泛使用的一种存储技术。

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