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RAID 技術(shù)詳解:提升存儲性能與安全性的關(guān)鍵

發(fā)布日期:2025-05-28 10:06:29 【關(guān)閉】
摘要:RAID 技術(shù)詳解:提升存儲性能與安全性的關(guān)鍵

通俗地說,RAID就是通過將多個磁盤按照一定的形式和方案組織起來,通過這樣的形式能夠獲取比單個硬盤更高的速度、更好的穩(wěn)定性、更大的存儲能力的存儲解決方案,用戶不必關(guān)心磁盤陣列究竟由多少塊硬盤組成,使用中整個陣列就如同一塊硬盤一樣。
速度優(yōu)先的RAID 0——小李的快速面包店
小李開了一家面包店,生意火爆,但顧客總是抱怨結(jié)賬太慢。原來,收銀臺只有一個收銀員,每次只能服務(wù)一位顧客。
解決方案: 小李決定增加收銀臺,讓多個收銀員同時工作。這樣,顧客可以分散到不同柜臺結(jié)賬,效率大大提高!
但問題來了: 如果其中一個收銀員突然生病請假,整個結(jié)賬流程就會亂套,因為訂單數(shù)據(jù)是分散記錄的。
這就是RAID 0:
?    優(yōu)點: 多塊硬盤同時讀寫,速度飛快!
?    缺點: 一塊硬盤壞了,所有數(shù)據(jù)都可能丟失。
RAID-0是無冗余、無校驗的磁盤陣列,實現(xiàn)RAID-0至少需要兩塊以上硬盤。它將兩塊以上的硬盤合并成一塊,數(shù)據(jù)同時分散在每塊硬盤中,因為帶寬加倍,所以讀/寫速度加倍。RAID-0的理論速度是單塊硬盤的N倍,但是由于數(shù)據(jù)并不是保存在一個硬盤上,而是分成數(shù)據(jù)塊保存在不同硬盤上,所以安全性也下降N倍,只要任何一塊硬盤損壞就會丟失所有數(shù)據(jù)。
RAID-0出現(xiàn)故障后,要恢復(fù)其中的數(shù)據(jù),必須先修復(fù)有故障的成員盤,或者將其做出完整的磁盤鏡像,也就是說在恢復(fù)RAID-0的數(shù)據(jù)時,全部成員盤不能有任何缺失。
修復(fù)數(shù)據(jù)關(guān)鍵有兩個因素比較重要:一是RAID0中每個條帶的大小,另一個是RAID0中硬盤的排列順序。
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安全至上的RAID 1——老張的保險面包店
老張的面包店很注重數(shù)據(jù)安全,他擔(dān)心收銀記錄丟失,于是想了個辦法:讓兩個收銀員同時記錄每一筆訂單。
這樣,即使一個收銀員的賬本丟了,另一個收銀員還有完整備份,生意不會受影響!
這就是RAID 1:
?    優(yōu)點: 數(shù)據(jù)完全鏡像,一塊硬盤壞了也不怕。
?    缺點: 存儲空間只有實際硬盤容量的一半(因為所有數(shù)據(jù)都存了兩遍)。
RAID1至少需要兩塊盤,通過磁盤數(shù)據(jù)鏡像實現(xiàn)數(shù)據(jù)的冗余,在兩塊磁盤上產(chǎn)生互為備份的數(shù)據(jù),當(dāng)其中-塊成員盤出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)還可以從另外一塊成員盤中讀取數(shù)據(jù),因此RAID-1可以提供更好的冗余性。
如果RAID-1中一塊硬盤出現(xiàn)故障,不會影響服務(wù)器的運行,只要把故障硬盤更換為一塊好的硬盤就可以了。如果沒有及時更換,導(dǎo)致第二塊硬盤也出現(xiàn)故障,這時RAID-1就會失效。因為先出現(xiàn)故障的硬盤中的數(shù)據(jù)已經(jīng)不完整,所以不能以第一塊硬盤為基準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)恢復(fù),而應(yīng)該用后出現(xiàn)故障的硬盤進行數(shù)據(jù)恢復(fù),一般情況下都能夠完全恢復(fù)出所有的數(shù)據(jù)。
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速度+安全的RAID 10——大企業(yè)的豪華面包連鎖店
王老板經(jīng)營一家高端面包連鎖店,既要快速結(jié)賬,又要確保數(shù)據(jù)安全。于是,他采用了RAID 10方案:
1.    先分組: 把收銀員分成兩組,每組兩人(類似RAID 1,數(shù)據(jù)鏡像)。
2.    再提速: 兩組收銀員并行工作(類似RAID 0,提高速度)。
這樣,即使一組里有個收銀員請假,另一組還能繼續(xù)工作,既快又穩(wěn)!
這就是RAID 10:
?    優(yōu)點: 既有RAID 0的速度,又有RAID 1的安全。
?    缺點: 需要至少4塊硬盤,成本較高。
RAID-10至少需要4塊硬盤才能構(gòu)建,它的優(yōu)點是同時擁有RAID-0的超凡速度和RAID-1的高數(shù)據(jù)可靠性,但是磁盤的利用率比較低。RAID-10主要用于容量不大,但要求速度和差錯控制的數(shù)據(jù)庫中。
如果RAID-10中某一組RAID-1的一塊物理盤出現(xiàn)故障,理論上不會影響服務(wù)器的運行,只要把故障硬盤更換為一塊好的硬盤就可以保證RAID-10的完整性。如果沒有及時更換,導(dǎo)致該組RAID-1的第二塊物理盤也出現(xiàn)故障,這時該組RAID-1就會失效,RAID-10也就崩潰了。因為先出現(xiàn)故障的硬盤中的數(shù)據(jù)已經(jīng)不完整,所以不能以這一塊硬盤為基準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)恢復(fù),而應(yīng)該用后出現(xiàn)故障的硬盤加上另一組RAID-1中的一塊物理盤進行數(shù)據(jù)恢復(fù),一般情況下都能夠完全恢復(fù)出所有的數(shù)據(jù)。
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精細分工的RAID 3——面包工廠的流水線優(yōu)化
老周的面包工廠每天要生產(chǎn)成千上萬個面包,每個面包的制作流程都被拆解成多個步驟:和面、發(fā)酵、烘焙、包裝……
問題: 如果某個環(huán)節(jié)(比如烘焙師)突然請假,整個生產(chǎn)流程就會卡住!
解決方案: 老周決定設(shè)立一個“校驗師傅”,專門負責(zé)記錄每個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這樣,萬一某個師傅臨時不在,校驗師傅能幫忙推算缺失的步驟,讓生產(chǎn)繼續(xù)!
這就是RAID 3:
?    特點:
o    數(shù)據(jù)拆分成“字節(jié)級”小塊(類似面包制作的每個小步驟)。
o    有一個專用校驗盤(“校驗師傅”),負責(zé)記錄恢復(fù)信息。
?    優(yōu)點: 適合大文件連續(xù)讀寫(比如視頻編輯)。
?    缺點: 校驗盤成為瓶頸,多個小文件操作較慢。
RAID-3的數(shù)據(jù)存取方式和RAID-2一樣,把數(shù)據(jù)以位或字節(jié)為單位來分割并且存儲到各個硬盤上,在安全方面以奇偶校驗取代海明碼做錯誤校正及檢測,所以只需要一個額外的校檢磁盤。奇偶校驗值的計算是以各個硬盤的相對應(yīng)位作異或的邏輯運算,然后將結(jié)果寫入奇偶校驗硬盤。
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塊級優(yōu)化的RAID 4——連鎖店的智能庫存管理
王經(jīng)理經(jīng)營多家面包連鎖店,每家店都要實時同步庫存數(shù)據(jù)。
問題: 如果總部的庫存管理員(校驗盤)太忙,各家分店的補貨請求就會堆積,影響運營效率!
解決方案: 王經(jīng)理改進了系統(tǒng):
?    每家分店獨立管理自己的庫存(塊級存儲)。
?    總部只負責(zé)校驗關(guān)鍵數(shù)據(jù)(專用校驗盤)。
這樣,分店可以并行處理訂單,只有寫入時才需要總部參與,效率更高!
這就是RAID 4:
?    特點:
o    數(shù)據(jù)按“塊級”存儲(每家分店獨立運作)。
o    仍然有專用校驗盤(總部校驗)。
?    優(yōu)點: 讀取速度快,適合數(shù)據(jù)庫應(yīng)用。
?    缺點: 寫入時校驗盤仍是瓶頸,性能不如RAID 5。
RAID-4和RAID-3很相似,數(shù)據(jù)都是依次存儲在多個硬盤之上,奇偶校驗碼存放在獨立的奇偶校驗盤上,唯一不同的是,在數(shù)據(jù)分割上RAID-3是以位或字節(jié)為單位,而RAID-4是以條帶為單位。
RAID-4也使用一個校驗硬盤,各硬盤相同位置的條帶形成一個校驗硬盤條帶,放在校驗硬盤上。這種方式可在不同的硬盤平行執(zhí)行不同的讀取命令,大幅提高硬盤陣列的讀取性能;但寫入數(shù)據(jù)時,因受限于校驗硬盤,同一時間只能作一次,啟動所有硬盤讀取數(shù)據(jù)形成同一校驗條帶的所有數(shù)據(jù)條帶,與要寫入的數(shù)據(jù)做好校驗計算再寫入。即使如此,小型文件的寫入仍然比RAID-3要快,因其校驗計算較簡單而非位的計算,但校驗硬盤和RAID-3一樣,也形成其性能的瓶頸。
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智能備份的RAID 5——科技面包店的智慧方案
陳工程師的面包店用了更聰明的辦法:讓每個收銀員既記錄訂單,又幫忙備份數(shù)據(jù)。
?    如果某個收銀員請假,系統(tǒng)能根據(jù)其他收銀員的記錄,自動恢復(fù)數(shù)據(jù)。
?    而且,數(shù)據(jù)存儲更高效,不像RAID 1那樣浪費空間。
這就是RAID 5:
?    優(yōu)點: 兼顧速度、容量和安全性,適合企業(yè)使用。
?    缺點: 如果兩塊硬盤同時壞掉,數(shù)據(jù)可能丟失。
RAID-5跟RAID-4一樣,數(shù)據(jù)以條帶為單位分布到各個硬盤上,RAID-5和RAID的最大區(qū)別在于RAID-5不是把所有的校驗塊集中保存在一個專門的校驗盤中,而是分散到所有的數(shù)據(jù)盤中。
 



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