RAID 磁盘阵列详解
raid
硬盘组
硬盘组（Drive Group） - 也被称为"Drive Group"（简称"DG"）、“Array"或"RAID组”，具体名称根据实际应用和厂商的术语而异。
硬盘组是将多个物理硬盘以某种特定的方式组合起来，形成一个整体对外提供数据存储的解决方案。可以提供更大的存储容量、提高数据读写性能、增强数据冗余和安全性。
虚拟磁盘（Virtual Drive）- 也被称为"Virtual Drive"、“Virtual Disk”（简称"VD"）、“Volume"或"Logical Device”（简称"LD"）等，术语因厂商而异。
硬盘组为虚拟磁盘提供基础支持，是虚拟磁盘的构建基石。虚拟磁盘则通过对硬盘组的灵活划分和配置，满足不同业务场景的存储需求。虚拟磁盘依赖于硬盘组的存在，硬盘组提供了底层的物理存储资源。虚拟磁盘通过对硬盘组的不同划分方式，可以实现对数据存储的高度灵活性和可配置性。在数据中心中，硬盘组和虚拟磁盘的有效管理是确保数据安全性和性能的关键。
RAID 级别
RAID 0
条带化存储性能的巅峰
RAID 0，又被称为条带化（Stripe）或分条（Striping），代表了在所有RAID级别中获得最高存储性能的一种配置。其基本原理是将连续的数据分散存储到多个硬盘上，从而实现并行存取，提高整体存储性能。
RAID 0提高存储性能的核心思想是通过将数据分散存储在多个硬盘上，实现并行化的读写操作。具体处理流程如下：
- 数据分散： 系统向由多块硬盘组成的逻辑硬盘（RAID 0硬盘组）发出I/O数据请求，这些请求被转化为对各个硬盘的操作。
- 并行操作： 数据请求被分割为多个部分，每个部分对应于硬盘组中的一块物理硬盘。这样，每个硬盘都可以并行执行自己负责的数据请求。
- 提高速度： 由于并行操作的存在，同一时间内，硬盘组的读写速度得到显著提升。理论上，三块硬盘的并行操作可以使硬盘整体读写速度提高3倍。
处理流程
+---------------------------------------------+
| RAID 0 硬盘组 |
| |
| +---------+ +---------+ +---------+ |
| | 硬盘 1 | | 硬盘 2 | | 硬盘 3 | |
| +---------+ +---------+ +---------+ |
| |
+---------------------------------------------+
|
v
+---------------------------------------+
| 并行操作的数据请求 |
| |
| +---------+ +---------+ +---------+ |
| | 操作 1 | | 操作 2 | | 操作 3 | |
| +---------+ +---------+ +---------+ |
+---------------------------------------+
|
v
+---------------------------------------+
| 实际执行的数据请求 |
| |
| +---------+ +---------+ +---------+ |
| | 数据 1 | | 数据 2 | | 数据 3 | |
| +---------+ +---------+ +---------+ |
+---------------------------------------+
优势：
性能提升： 并行读写操作显著提高了整体存储性能。
简单高效： 实现简单，无需额外的计算和校验操作。
局限性：
无冗余： 没有数据冗余，一块硬盘损坏会导致全部数据丢失。
不适用于安全要求高的场合： 适用于对I/O速率要求高、但数据安全性要求较低的场景。
RAID 1
镜像存储的可靠之选
RAID 1，又被称为镜像（Mirror）或镜像存储（Mirroring），是一种数据冗余的RAID级别。在RAID 1中，每个工作盘都有一个镜像盘，数据在写入时同时写入两个盘，读取时则同时从工作盘和镜像盘读取。RAID 1以其高可靠性而闻名，常被应用于对容错要求较高的领域，如财政和金融。
RAID 1的核心原理是数据的完全镜像，主要处理流程如下：
写入数据： 当系统向RAID 1硬盘组中的一块硬盘（例如，Drive 0）写入数据时，系统会同时将用户写入Drive 0的数据自动复制到另一块硬盘（例如，Drive 1）上，实现数据的完全镜像。
读取数据： 在读取数据时，系统同时从两块硬盘（Drive 0和Drive 1）中读取，提高读取性能。
故障处理： 当发生硬盘故障时，系统可以通过复制的镜像数据重新构建工作盘，从而恢复数据的完整性。
处理流程图
+---------------------------------------------+
| RAID 1 硬盘组 |
| |
| +---------+ +---------+ |
| | 硬盘 0 | | 硬盘 1 | |
| +---------+ +---------+ |
| |
+---------------------------------------------+
|
v
+---------------------------------------+
| 数据写入与读取处理 |
| |
| +---------+ +---------+ |
| | 数据 | | 数据 | |
| | 写入 | | 读取 | |
| +---------+ +---------+ |
+---------------------------------------+
优势：
高可靠性： 数据的完全镜像确保了硬盘故障时数据的可靠性，不会导致数据丢失。
快速恢复： 当发生故障时，系统能够迅速从镜像数据中恢复工作盘。
局限性：
有效容量减小： 有效容量减半，因为每个数据都需要在两个硬盘上进行存储。
成本高： 镜像盘的存在增加了存储成本。
RAID 1E
强化的镜像技术
RAID 1E是RAID 1的增强版本，其工作原理类似于RAID 1，但提供了更多的硬盘容纳选项。数据的条带化和备份贯穿在逻辑盘中的所有硬盘，类似于RAID 1，它提供了数据冗余功能以及较高的性能。然而，RAID 1E允许使用至少三个硬盘，为用户提供了更大的灵活性。
RAID 1E的核心原理是将数据条带和备份分布在逻辑盘中的所有硬盘上。以下为RAID 1E的主要特征：
数据条带和备份： 类似于RAID 1，RAID 1E中的数据是镜像的，但是与RAID 1不同的是，这些镜像数据在逻辑盘中的所有硬盘上均匀分布。
逻辑盘容量： 逻辑盘的容量是硬盘总容量的一半，与RAID 1相似。
硬盘数量： RAID 1E至少需要三个硬盘组成。
处理流程图
+-------------------------------------------------------------------+
| RAID 1E 硬盘组 |
| |
| +---------+ +---------+ +---------+ |
| | 硬盘 1 | | 硬盘 2 | | 硬盘 3 | |
| +---------+ +---------+ +---------+ |
| | | | |
| +---|---------|----------|---+ |
| | RAID 1E 硬盘组 | |
| | | |
| +---+---+ +---+---+ +---+---+ |
| | 数据 | | 数据 | | 数据 | |
| | D0 | | D1 | | D2 | |
| +---+---+ +---+---+ +---+---+ |
+-------------------------------------------------------------------+
优势：
数据冗余性： 与RAID 1相似，RAID 1E提供了数据冗余，可以容忍单个硬盘的故障。
性能： RAID 1E在性能方面较RAID 1略有提升，因为它允许在逻辑盘中使用更多的物理硬盘。
局限性：
硬盘数量： RAID 1E至少需要三个硬盘，相对于RAID 1来说，硬盘的利用率较低。
成本： 相对于其他RAID级别，需要更多硬盘，成本可能较高。
RAID 5
性能、数据安全和成本的平衡
RAID 5是一种存储性能、数据安全和存储成本三者平衡的存储解决方案。通过循环冗余校验（Parity）的方式，实现数据的可靠性，并将校验数据分散存储在RAID的各成员盘上。这种配置使得RAID 5既适用于大数据量的操作，又适用于小数据的事务处理，成为一种综合性能与安全性的磁盘阵列。
RAID 5的核心原理在于采用循环冗余校验，将校验数据分散存储在RAID的各成员盘上。当其中一块硬盘发生故障时，可以通过其他成员盘上的数据重新构建故障硬盘上的数据。以下为RAID 5的基本处理流程：
奇偶校验信息： 设PA为A0、A1和A2的奇偶校验信息，PB为B0、B1和B2的奇偶校验信息，以此类推。
数据存储： RAID 5将数据和相对应的奇偶校验信息存储到各成员盘上，确保奇偶校验信息和相对应的数据分别存储在不同的硬盘上。
数据恢复： 当RAID 5的一个硬盘数据发生损坏时，利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息可以恢复被损坏的数据。
RAID 5可以被理解为是RAID 0和RAID 1的折衷方案：
数据安全保障： RAID 5提供一定程度的数据安全保障，但保障程度相对于RAID 1较低。
硬盘空间利用率： RAID 5在硬盘空间利用率上相对于RAID 1更高，存储成本较低。
读写速度： RAID 5具有较RAID 0略低的数据读写速度，但写性能比写入单个硬盘时要高。
处理流程图
+------------------------------------------------+
| RAID 5 硬盘组 |
| |
| +---------+ +---------+ +---------+ +------+ |
| | 硬盘 1 | | 硬盘 2 | | 硬盘 3 | | 校验盘 | |
| +---------+ +---------+ +---------+ +------+ |
| |
+------------------------------------------------+
|
v
+---------------------------------------------------+
| 数据与奇偶校验信息存储 |
| |
| +---------+ +---------+ +---------+ +------+ |
| | 数据 1 | | 数据 2 | | 数据 3 | | 校验 | |
| +---------+ +---------+ +---------+ +------+ |
+---------------------------------------------------+
|
v
+---------------------------------------------------+
| 数据恢复与校验 |
| |
| +---------+ +---------+ +---------+ +------+ |
| | 数据 1 | | 数据 2 | | 数据 3 | | 校验 | |
| +---------+ +---------+ +---------+ +------+ |
+---------------------------------------------------+
优势：
性能平衡： 综合了性能、数据安全性和存储成本，适用于多种应用场景。
适用范围广： 既适用于大数据量的操作，也适用于小数据的事务处理。
局限性：
不适用于高度安全要求： 相对于RAID 1，数据安全性较低。
稍低的数据读写速度： 相对于RAID 0，数据读写速度略低。
RAID 6
高可靠性与容错性的升级
RAID 6是在RAID 5的基础上进行改进的一种存储方案。与RAID 5相比，RAID 6引入了第二个独立的奇偶校验信息块，极大地提高了数据的可靠性和容错性。尽管写性能较差，但RAID 6能够在两块硬盘同时失效的情况下仍然保持数据的完整性。
RAID 6在RAID 5的基础上引入了第二个独立的奇偶校验信息块。两个独立的奇偶系统采用不同的算法，从而使得数据的可靠性非常高。以下为RAID 6的核心原理：
奇偶校验信息： 设PA为数据块A0、A1、A2的第一个校验信息块，QA为第二个校验信息块；PB为数据块B0、B1、B2的第一个校验信息块，QB为第二个校验信息块，以此类推。
数据存储： 数据块和两个独立的校验块分散存储到RAID 6的各个成员盘上。
容错性： 当任意一个或两个成员硬盘出现故障时，RAID 6可以从其他处于正常状态的硬盘上重新恢复或生成丢失的数据，保持数据的可用性。
处理流程图
+-----------------------------------------------------------------+
| RAID 6 硬盘组 |
| |
| +---------+ +---------+ +---------+ +------+ +------+ |
| | 硬盘 1 | | 硬盘 2 | | 硬盘 3 | | 校验 | | 校验 | |
| +---------+ +---------+ +---------+ +------+ +------+ |
| |
+-----------------------------------------------------------------+
|
v
+----------------------------------------------------------------+
| 数据与两个独立的奇偶校验信息存储 |
| |
| +---------+ +---------+ +---------+ +------+ +------+ |
| | 数据 1 | | 数据 2 | | 数据 3 | | 校验1 | | 校验2 | |
| +---------+ +---------+ +---------+ +------+ +------+ |
+----------------------------------------------------------------+
|
v
+----------------------------------------------------------------+
| 数据恢复与校验 |
| |
| +---------+ +---------+ +---------+ +------+ +------+ |
| | 数据 1 | | 数据 2 | | 数据 3 | | 校验1 | | 校验2 | |
| +---------+ +---------+ +---------+ +------+ +------+ |
+----------------------------------------------------------------+
优势：
高可靠性： 可以容忍两块硬盘的同时故障，提供极高的数据可靠性。
数据完整性： 在硬盘失效的情况下，RAID 6能够保持数据的完整性。
容错性强： 相对于RAID 5，容错性更强，适用于对数据完整性要求极高的环境。
局限性：
写性能较差： 相对于RAID 5，RAID 6的写性能较差，因为需要计算并写入两个独立的奇偶校验信息块。
硬盘空间利用率： 相对于RAID 5，需要更大的硬盘空间用于存储两个独立的奇偶校验信息块。
RAID 10
性能与数据安全的完美结合
RAID 10是一种将镜像（RAID 1）和条带化（RAID 0）进行两级组合的RAID级别。在RAID 10中，第一级采用RAID 1，即镜像，第二级采用RAID 0，即条带化。这种组合形式使得RAID 10在存储性能和数据安全性方面兼顾，提供了接近RAID 0的性能同时具备与RAID 1相似的数据安全保障。
RAID 10通过将镜像和条带化结合，实现了对性能和数据安全的双重考虑。以下为RAID 10的核心原理：
组合形式： RAID 10采用RAID 1和RAID 0的两级组合形式，首先实现硬盘的镜像，然后在镜像的基础上进行条带化。
子组： Drive 0和Drive 1组成一个子组0，Drive 2和Drive 3组成一个子组1。每个子组内的两个硬盘互为镜像。
数据存储： 系统向硬盘发出I/O数据请求时，数据请求按照RAID 0的方式，被分散到两个子组中并行执行。同时，通过RAID 1的方式，系统在向硬盘Drive 0写入数据的同时将数据自动复制到硬盘Drive 1上，以此类推。
处理流程图
+------------------------------------------------------------------+
| RAID 10 硬盘组 |
| |
| +---------+ +---------+ +---------+ +---------+ |
| | 硬盘 0 | | 硬盘 1 | | 硬盘 2 | | 硬盘 3 | |
| +---------+ +---------+ +---------+ +---------+ |
| | | | | | |
| +---|---------|----------|---------|---+ | |
| | 子组 0 | | 子组 1 | | |
| | | | | | |
| +---+---+ +---+---+ +---+---+ +---+---+ +---+---+ |
| | 镜像 | | 镜像 | | 镜像 | | 镜像 | | 镜像 | |
| | | | | | | | | | | |
| | D0 | | D1 | | D2 | | D3 | | D4 | |
| +---+---+ +---+---+ +---+---+ +---+---+ +---+---+ |
+------------------------------------------------------------------+
优势：
高性能： 接近RAID 0的性能水平，适用于对性能要求较高的应用。
高数据安全性： 提供了RAID 1级别的数据安全保障，即使在硬盘故障时也能继续提供服务。
容错性强： 具备RAID 1的容错性，可以容忍多块硬盘的同时故障。
局限性：
成本较高： 相对于其他RAID级别，需要更多硬盘用于镜像，成本相对较高。
RAID 50
镜像阵列条带
RAID 50被称为镜像阵列条带，是RAID 5和RAID 0的组合形式。它将两种技术相结合，兼具RAID 5的数据冗余和RAID 0的条带化性能。在RAID 50中，一个RAID 50由多个RAID 5子组组成，数据的存储访问以RAID 0的形式分布在各个RAID 5子组上。
RAID 50的核心原理如下：
数据条带和校验： 类似于RAID 5，RAID 50将数据分区成条带，并使用校验位来保证数据的安全性，同时校验条带均匀分布在各个硬盘上。
子组结构： RAID 50由多个RAID 5子组组成，每个子组内部使用RAID 5的数据分布和校验方式。
数据访问： 数据的存储访问以RAID 0的形式分布在各个RAID 5子组上，提供了更优秀的读写性能。
处理流程图
+------------------------------------------------------------------+
| RAID 50 硬盘组 |
| |
| +---------+ +---------+ +---------+ +---------+ |
| | 硬盘 1 | | 硬盘 2 | | 硬盘 3 | | 硬盘 4 | |
| +---------+ +---------+ +---------+ +---------+ |
| | | | | | |
| +---|---------|----------|----------|---+ | |
| | RAID 5 子组 0 | RAID 5 子组 1 | | |
| | | | | |
| +---+---+ +---+---+ +---+---+ +---+---+ +---+---+ |
| | 数据 | | 数据 | | 数据 | | 数据 | | 数据 | |
| | D0 | | D1 | | D2 | | D3 | | D4 | |
| +---+---+ +---+---+ +---+---+ +---+---+ +---+---+ |
+------------------------------------------------------------------+
优势：
数据冗余性： 具备RAID 5的数据冗余性，可容忍单个硬盘的故障。
性能： 在提供冗余性的同时，具有比单纯的RAID 5更优秀的读写性能，类似于RAID 0。
容错性： 能够容忍多个子组同时单盘故障，提供更高的容错性。
局限性：
成本： 相对于单纯的RAID 5，需要更多硬盘，成本可能较高。
RAID 60
镜像阵列条带的进阶形式
RAID 60与RAID 50相似，采用了镜像阵列条带的分布方式，即RAID 6与RAID 0的组合形式。类似于RAID 50，RAID 60由多个RAID 6子组组成，数据的存储访问以RAID 0的形式分布在各个RAID 6子组上。RAID 60在提供更高性能的同时，保持了RAID 6的双重校验模块来确保数据的安全性。
RAID 60的核心原理如下：
数据条带和校验： 采用镜像阵列条带的分布方式，数据被分区成条带，并使用两个数据校验模块来保证数据的安全性，同时校验条带均匀分布在各个硬盘上。
子组结构： RAID 60由多个RAID 6子组组成，每个子组内部使用RAID 6的数据分布和校验方式。
数据访问： 数据的存储访问以RAID 0的形式分布在各个RAID 6子组上，提供了更高的读写性能。
处理流程图
+------------------------------------------------------------------+
| RAID 60 硬盘组 |
| |
| +---------+ +---------+ +---------+ +---------+ |
| | 硬盘 1 | | 硬盘 2 | | 硬盘 3 | | 硬盘 4 | |
| +---------+ +---------+ +---------+ +---------+ |
| | | | | | |
| +---|---------|----------|----------|---+ | |
| | RAID 6 子组 0 | RAID 6 子组 1 | | |
| | | | | |
| +---+---+ +---+---+ +---+---+ +---+---+ +---+---+ |
| | 数据 | | 数据 | | 数据 | | 数据 | | 数据 | |
| | D0 | | D1 | | D2 | | D3 | | D4 | |
| +---+---+ +---+---+ +---+---+ +---+---+ +---+---+ |
+------------------------------------------------------------------+
优势：
数据冗余性： 具备RAID 6的数据冗余性，可容忍两个硬盘的故障。
性能： 在提供冗余性的同时，具有比单纯的RAID 6更优秀的读写性能，类似于RAID 0。
容错性： 能够容忍多个子组同时两个硬盘的故障，提供更高的容错性。
局限性：
成本： 相对于单纯的RAID 6，需要更多硬盘，成本可能较高。
linux
RAID10磁盘阵列尽管会造成50%磁盘的浪费，但是实现了硬盘读写速度的提升，同时也实现了数据安全性的效果，在生产中应用最为广泛。
部署磁盘阵列的核心命令为mdadm。
# mdadm
# -a 检测设备名称
# -n 指定设备数量
# -l 指定raid级别
# -C 创建
# -v 显示过程
# -f 模拟设备损坏
# -r 移除设备
# -Q 查看摘要信息
# -D 查看详细信息
# -S 停止raid磁盘阵列
# 无法使用已挂载的硬盘
# 创建raid
mdadm -Cv /dev/md0 -a yes -n 5 -l 10 /dev/sdb /dev/sdc /dev/sdd /dev/sde /dev/sdf
# 格式化
mkfs.ext4 /dev/md0
# 挂载