11.15 Linux RAID（磁盤陣列）完全攻略

LVM 最大的優(yōu)勢在于可以在不卸載分區(qū)和不損壞數(shù)據(jù)的情況下進行分區(qū)容量的調(diào)整，但是萬一硬盤損壞了，那么數(shù)據(jù)一定會丟失。 本節(jié)講的 raid（磁盤陣列）的優(yōu)勢在于硬盤讀寫性能更好，而且有一定的數(shù)據(jù)冗余功能。

raid 功能已經(jīng)內(nèi)置在 linux 2.0 及以后的內(nèi)核中，為了使用這項功能，還需要特定的工具來管理 RAID，在絕對多數(shù) linux 發(fā)行版本中，更多的是使用 mdadm，讀者可以自行下載并安裝這個工具。

RAID 簡介

RAID（Redundant Arrays of Inexpensive Disks，磁盤陣列），翻譯過來就是廉價的、具有冗余功能的磁盤陣列。其原理是通過軟件或硬件將多塊較小的分區(qū)組合成一個容量較大的磁盤組。這個較大的磁盤組讀寫性能更好，更重要的是具有數(shù)據(jù)冗余功能。

那什么是數(shù)據(jù)冗余呢？從字面上理解，冗余就是多余的、重復的。在磁盤陣列中，冗余是指由多塊硬盤組成一個磁盤組，在這個磁盤組中，數(shù)據(jù)存儲在多塊硬盤的不同地方，這樣即使某塊硬盤出現(xiàn)問題，數(shù)據(jù)也不會丟失，也就是磁盤數(shù)據(jù)具有了保護功能。

讀者也可以這樣理解，RAID 用于在多個硬盤上分散存儲數(shù)據(jù)，并且能夠“恰當”地重復存儲數(shù)據(jù)，從而保證其中某塊硬盤發(fā)生故障后，不至于影響整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。RAID 將幾塊獨立的硬盤組合在一起，形成一個邏輯上的 RAID 硬盤，這塊“硬盤”在外界（用戶、LVM等）看來，和真實的硬盤一樣，沒有任何區(qū)別。

RAID 的組成可以是幾塊硬盤，所以我們在講解原理時使用硬盤舉例，但是大家要知道不同的分區(qū)也可以組成 RAID。

RAID 根據(jù)組合方式的不同，有多種設計解決方案，以下介紹幾種常見的 RAID 方案（RAID 級別）。

RAID 0

RAID 0 也叫 Stripe 或 Striping（帶區(qū)卷），是 RAID 級別中存儲性能最好的一個。RAID 0 最好由相同容量的兩塊或兩塊以上的硬盤組成。如果組成 RAID 0 的兩塊硬盤大小不一致，則會影響 RAID 0 的性能。

這種模式下會先把硬盤分隔出大小相等的區(qū)塊，當有數(shù)據(jù)需要寫入硬盤時，會把數(shù)據(jù)也切割成相同大小的區(qū)塊，然后分別寫入各塊硬盤。這樣就相當于把一個文件分成幾個部分同時向不同的硬盤中寫入，數(shù)據(jù)的讀/寫速度當然就會非常快。

從理論上講，由幾塊硬盤組成 RAID 0，比如由 3 塊硬盤組成 RAID 0，數(shù)據(jù)的寫入速度就是同樣的數(shù)據(jù)向一塊硬盤中寫入速度的 3 倍。我們畫一張 RAID 0 的示意圖，如圖 1 所示。

解釋一下這張示意圖。我們準備了 3 塊硬盤組成了 RAID 0，每塊硬盤都劃分了相等的區(qū)塊。當有數(shù)據(jù)要寫入 RAID 0 時，首先把數(shù)據(jù)按照區(qū)塊大小進行分割，然后再把數(shù)據(jù)依次寫入不同的硬盤。每塊硬盤負責的數(shù)據(jù)寫入量都是整體數(shù)據(jù)的 1/3，當然寫入時間也只有原始時間的 1/3。所以，從理論上講，由幾塊硬盤組成 RAID 0，數(shù)據(jù)的寫入速度就是數(shù)據(jù)只寫入一塊硬盤速度的幾倍。

RAID 0 的優(yōu)點如下：

通過把多塊硬盤合并成一塊大的邏輯硬盤，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)跨硬盤存儲。

通過把數(shù)據(jù)分割成等大小的區(qū)塊，分別存入不同的硬盤，加快了數(shù)據(jù)的讀寫速度。數(shù)據(jù)的讀/寫性能是幾種 RAID 中最好的。

多塊硬盤合并成 RAID 0，幾塊小硬盤組成了更大容量的硬盤，而且沒有容量損失。RAID 0 的總?cè)萘烤褪菐讐K硬盤的容量之和。

RAID 0 有一個明顯的缺點，那就是沒有數(shù)據(jù)冗余功能，RAID 0 中的任何一塊硬盤損壞，RAID 0 中所有的數(shù)據(jù)都將丟失。也就是說，由幾塊硬盤組成 RAID 0，數(shù)據(jù)的損毀概率就是只寫入一塊硬盤的幾倍。

我們剛剛說了，組成 RAID 0 的硬盤的大小最好都是一樣的。那有人說我只有兩塊不一樣大小的硬盤，難道就不能組成 RAID 0 嗎？

答案是可以的。假設有兩塊硬盤，一塊大小是 100GB，另一塊大小是 200GB。由這兩塊硬盤組成 RAID 0，那么當最初的 200G 數(shù)據(jù)寫入時，是分別存放在兩塊硬盤當中的；但是當數(shù)據(jù)大于 200GB 之后，第一塊硬盤就寫滿了，以后的數(shù)據(jù)就只能寫入第二塊硬盤中，讀/寫性能也就隨之下降了。

一般不建議企業(yè)用戶使用 RAID 0，因為數(shù)據(jù)損毀的概率更高。如果對數(shù)據(jù)的讀/寫性能要求非常高，但對數(shù)據(jù)安全要求不高時，RAID 0 就非常合適了。

RAID 1

RAID 1 也叫 Mirror 或 Mirroring（鏡像卷），由兩塊硬盤組成。兩塊硬盤的大小最好一致，否則總?cè)萘恳匀萘啃〉哪菈K硬盤為主。RAID 1 就具備了數(shù)據(jù)冗余功能，因為這種模式是把同一份數(shù)據(jù)同時寫入兩塊硬盤。

比如有兩塊硬盤，組成了 RAID 1，當有數(shù)據(jù)寫入時，相同的數(shù)據(jù)既寫入硬盤 1，也寫入硬盤 2。這樣相當于給數(shù)據(jù)做了備份，所以任何一塊硬盤損壞，數(shù)據(jù)都可以在另一塊硬盤中找回。RAID 1 的示意圖如圖 2 所示。

RAID 1 具有了數(shù)據(jù)冗余功能，但是硬盤的容量卻減少了 50%，因為兩塊硬盤當中保存的數(shù)據(jù)是一樣的，所以兩塊硬盤際上只保存了一塊硬盤那么多的數(shù)據(jù)，這也是我們把 RAID 1 稱作鏡像卷的原因。

RAID 1 的優(yōu)點如下：

具備了數(shù)據(jù)冗余功能，任何一塊硬盤出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)都不會丟失。

數(shù)據(jù)的讀取性能雖然不如 RAID 0，但是比單一硬盤要好，因為數(shù)據(jù)有兩份備份在不同的硬盤上，當多個進程讀取同一數(shù)據(jù)時，RAID 會自動分配讀取進程。

RAID 1 的缺點也同樣明顯：

RAID 1 的容量只有兩塊硬盤容量的 50%，因為每塊硬盤中保存的數(shù)據(jù)都一樣。

數(shù)據(jù)寫入性能較差，因為相同的數(shù)據(jù)會寫入兩塊硬盤當中，相當于寫入數(shù)據(jù)的總?cè)萘孔兇罅恕ｋm然 CPU 的速度足夠快，但是負責數(shù)據(jù)寫入的芯片只有一個。

RAID 10 或 RAID 01

我們發(fā)現(xiàn)，RAID 0 雖然數(shù)據(jù)讀/寫性能非常好，但是沒有數(shù)據(jù)冗余功能；而 RAID 1 雖然具有了數(shù)據(jù)冗余功能，但是數(shù)據(jù)寫入速度實在是太慢了（尤其是軟 RAID）。

那么，我們能不能把 RAID 0 和 RAID 1 組合起來使用？當然可以，這樣我們就即擁有了 RAID 0 的性能，又擁有了 RAID 1 的數(shù)據(jù)冗余功能。

我們先用兩塊硬盤組成 RAID 1，再用兩塊硬盤組成另一個 RAID 1，最后把這兩個 RAID 1 組成 RAID 0，這種 RAID 方法稱作 RAID 10。那先組成 RAID 0，再組成 RAID 1 的方法我們作 RAID 01。我們通過示意圖 3 來看看 RAID 10。

我們把硬盤 1 和硬盤 2 組成了第一個 RAID 1，把硬盤 3 和硬盤 4 組成了第二個 RAID 1，這兩個 RAID 1 組成了 RAID 0。因為先組成 RAID 1，再組成 RAID 0，所以這個 RAID 是 RAID 10。

當有數(shù)據(jù)寫入時，首先寫入的是 RAID 0（RAID 0 后組成，所以數(shù)據(jù)先寫入），所以數(shù)據(jù) 1 和數(shù)據(jù) 3 寫入了第一個 RAID 1，而數(shù)據(jù) 2 和數(shù)據(jù) 4 寫入了第二個 RAID 1。當數(shù)據(jù) 1 和數(shù)據(jù) 3 寫入第一個 RAID 1 時，

因為寫入的是 RAID 1，所以在硬盤 1 和硬盤 2 中各寫入了一份。數(shù)據(jù) 2 和數(shù)據(jù) 4 也一樣。

這樣的組成方式，既有了 RAID 0 的性能優(yōu)點，也有了 RAID 1 的數(shù)據(jù)冗余優(yōu)點。但是大家要注意，雖然我們有了 4 塊硬盤，但是由于 RAID 1 的缺點，所以真正的容量只有 4 塊硬盤的 50%，另外的一半是用來備份的。

RAID 5

RAID 5 最少需要由 3 塊硬盤組成，當然硬盤的容量也應當一致。當組成 RAID 5 時，同樣需要把硬盤分隔成大小相同的區(qū)塊。當有數(shù)據(jù)寫入時，數(shù)據(jù)也被劃分成等大小的區(qū)塊，然后循環(huán)向 RAID 5 中寫入。

每次循環(huán)寫入數(shù)據(jù)的過程中，在其中一塊硬盤中加入一個奇偶校驗值（Parity），這個奇偶校驗值的內(nèi)容是這次循環(huán)寫入時其他硬盤數(shù)據(jù)的備份。當有一塊硬盤損壞時，采用這個奇偶校驗值進行數(shù)據(jù)恢復。通過示意圖來看看 RAID 5 的存儲過程，如圖 4 所示。

在這張示意圖中，我們使用三塊硬盤組成了 RAID 5。當有數(shù)據(jù)循環(huán)寫入時，每次循環(huán)都會寫入一個奇偶校驗值（Parity），并且每次奇偶校驗值都會寫入不同的硬盤。這個奇偶校驗值就是其他兩塊硬盤中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算之后產(chǎn)生的。因為每次奇偶校驗值都會寫入不同的硬盤，所以任何一塊硬盤損壞之后，都可以依賴其他兩塊硬盤中保存的數(shù)據(jù)恢復這塊損壞的硬盤中的數(shù)據(jù)。

需要注意的是，每次數(shù)據(jù)循環(huán)寫入時，都會有一塊硬盤用來保存奇偶校驗值，所以在 RAID 5 中可以使用的總?cè)萘渴怯脖P總數(shù)減去一塊的容量之和。

比如，在這張示意圖中，由三塊硬盤組成了 RAID 5，但是真正可用的容量是兩塊硬盤的容量之和，也就是說，越多的硬盤組成 RAID 5，損失的容量占比越小，因為不管由多少塊硬盤組成 RAID 5，奇偶校驗值加起來只占用一塊硬盤。而且還要注意，RAID 5 不管是由幾塊硬盤組成的，只有損壞一塊硬盤的情況才能恢復數(shù)據(jù)，因為奇偶校驗值加起來只占用了一塊硬盤，如果損壞的硬盤超過一塊，那么數(shù)據(jù)就不能再恢復了。

RAID 5 的優(yōu)點如下：

因為奇偶校驗值的存在，RAID 5 具有了數(shù)據(jù)冗余功能。

硬盤容量損失比 RAID 1 小，而且組成 RAID 5 的硬盤數(shù)量越多，容量損失占比越小。

RAID 5 的數(shù)據(jù)讀/寫性能要比 RAID 1 更好，但是在數(shù)據(jù)寫入性能上比 RAID 0 差。

RAID 5 的缺點如下：

不管由多少塊硬盤組成 RAID 5，只支持一塊硬盤損壞之后的數(shù)據(jù)恢復。

RAID 5 的實際容量是組成 RAID 5 的硬盤總數(shù)減去一塊的容量之和。也就是有一塊硬盤用來保存奇偶校驗值，但不能保存數(shù)據(jù)。

從總體上來說，RAID 5 更像 RAID 0 和 RAID 1 的折中，性能比 RAID 1 好，但是不如 RAID 0；數(shù)據(jù)冗余比 RAID 0 好，而且不像RAID 1 那樣浪費了 50% 的硬盤容量。

軟 RAID 和硬 RAID

我們要想在服務器上實現(xiàn) RAID，可以采用磁盤陣列卡（RAID 卡）來組成 RAID，也就是硬 RAID。RAID 卡上有專門的芯片負責 RAID任務，因此性能要好得多，而且不占用系統(tǒng)性能，缺點是 RAID 卡比較昂貴。

如果我們既不想花錢又想使用 RAID，那就只能使用軟 RAID 了。軟 RAID 是指通過軟件實現(xiàn) RAID 功能，沒有多余的費用，但是更加耗費服務器系統(tǒng)性能，而數(shù)據(jù)的寫入速度比硬 RAID 慢。

Linux 云備份

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