简介
廉价冗余磁盘阵列（RAID，Redundant Array of Inexpensive Disks）使用多个磁盘共同构建更快、更大、更可靠的磁盘系统。
从外部看，RAID 对主机系统是透明的，表现为一个线性的块数组，就像一个大磁盘。这种透明性极大地提高了 RAID 的可部署性，无须修改操作系统和客户端应用程序即可直接替换原有磁盘。在内部，RAID 是一个复杂的专用计算机系统，包含微控制器、易失性内存（如 DRAM）、非易失性内存以及专用的奇偶校验逻辑电路。
故障模型与评估维度
为了理解和比较不同的 RAID 方法，我们假设使用故障—停止（fail-stop）故障模型。在该模型下，磁盘只有工作和故障两种状态。当磁盘发生故障时，数据永久丢失，且 RAID 控制器能立即检测到该故障。
评估每种 RAID 设计通常从以下三个维度进行：
- 容量：给定 N 个磁盘，客户端可用的有效容量。
- 可靠性：系统能够容忍的磁盘故障数量。
- 性能：分为单请求延迟和稳态吞吐量。稳态吞吐量主要在两种典型工作负载下评估：顺序（Sequential）和随机（Random）。假设单个磁盘的顺序吞吐量为 S，随机吞吐量为 R。
RAID 0 级：条带化
RAID-0 不提供冗余，通过将块在磁盘上轮转分布（条带化，Striping）来最大化并行性。
以 4 个磁盘为例，块按如下方式分布：
| 磁盘 0 | 磁盘 1 | 磁盘 2 | 磁盘 3 |
|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 2 | 3 |
| 4 | 5 | 6 | 7 |
| 8 | 9 | 10 | 11 |
| 12 | 13 | 14 | 15 |
同一行中的块称为一个条带（stripe），例如块 0、1、2、3 在同一条带中。给定逻辑块地址 A，可以通过以下公式计算其物理位置：
磁盘 = A % 磁盘数
偏移量 = A / 磁盘数 （整数除法）大块大小（Chunk Size）
大块大小是指在移动到下一个磁盘之前，在单个磁盘上连续放置的数据量。大块大小主要影响性能：
- 较小的大块：单个文件跨多个磁盘条带化，增加了单文件读写的并行性，但整个请求的定位时间由所有驱动器上的最大定位时间决定，会有所增加。
- 较大的大块：减少了文件内的并行性，但降低了定位时间（文件可能只需访问单个磁盘）。
确定最佳大块大小需要大量关于工作负载的知识，实践中大多数阵列使用 64KB 左右的大块大小。
性能分析
- 容量：N
- 可靠性：0（任何磁盘故障都会导致数据丢失）
- 吞吐量：顺序读写 N·S，随机读写 N·R
- 延迟：读 T，写 T（请求直接重定向到单个磁盘，与单磁盘延迟相同）
RAID-0 是性能和容量的上限，是与其他 RAID 级别比较的基准。
RAID 1 级：镜像
RAID-1 通过为每个逻辑块保留多个物理副本（通常为两个）来提供冗余，数据在镜像对之间条带化。
| 磁盘 0 | 磁盘 1 | 磁盘 2 | 磁盘 3 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 | 1 |
| 2 | 2 | 3 | 3 |
| 4 | 4 | 5 | 5 |
| 6 | 6 | 7 | 7 |
磁盘 0 和磁盘 1 互为镜像，磁盘 2 和磁盘 3 互为镜像。这种布局有时称为 RAID-10（RAID 1+0），即先镜像再条带化。另一种常见布局是 RAID-01（RAID 0+1），即先条带化再镜像。
读取时，RAID 可以从任一副本读取，可以利用所有磁盘。写入时，必须同时更新两个副本，两次写入可以并行进行。
一致更新问题
在更新多个磁盘时，如果写入期间发生掉电，可能导致两个副本不一致（一个是新版本，另一个是旧版本）。解决方法是使用预写日志（Write-ahead log），在实际写入前先记录操作。大多数 RAID 硬件通过少量电池备份的非易失性 RAM 来实现，避免了将日志写入磁盘的高昂代价。
性能分析
- 容量：N/2
- 可靠性：至少容忍 1 个磁盘故障，最多可容忍 N/2 个（取决于故障磁盘的分布）
- 吞吐量：
- 顺序读写：(N/2)·S。顺序读取时，为了保持数据顺序，每个磁盘只能处理每隔一个的块请求，在跳过的块上空转，因此只能达到峰值带宽的一半。
- 随机读：N·R（可将读请求分布在所有磁盘上）
- 随机写：(N/2)·R（每次逻辑写入变为两次物理写入）
- 延迟：读 T，写 T（写入时两个物理写入并行，但延迟略高于单磁盘，因受限于两次写入中最差的寻道和旋转延迟）
RAID 4 级：通过奇偶校验节省空间
RAID-4 使用一个专用的奇偶校验（Parity）磁盘存储冗余信息，以较少的容量损失来换取可靠性。
注意：由于奇偶校验本质上只提供了一个数学方程（偶数规则），因此 RAID-4（以及基于相同原理的 RAID-5）最多只能容忍 1 块硬盘发生故障。如果同时损坏 2 块盘，将出现两个未知数，数据将无法恢复。
| 磁盘 0 | 磁盘 1 | 磁盘 2 | 磁盘 3 | 磁盘 4（奇偶） |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 2 | 3 | P0 |
| 4 | 5 | 6 | 7 | P1 |
| 8 | 9 | 10 | 11 | P2 |
| 12 | 13 | 14 | 15 | P3 |
奇偶校验原理（XOR）
RAID-4 本质上是对所有数据盘的同一个位置（每一位）进行对齐计算，生成一个同样大小的校验块。通过异或（XOR）运算，系统强制要求同一行所有盘（包括校验盘）在相同位置的 1 的总数始终为偶数：
| C0 | C1 | C2 | C3 | P (校验位) |
|---|---|---|---|---|
| 00 | 10 | 11 | 10 | 11 |
| 10 | 01 | 00 | 01 | 10 |
- P0(11): 第1列两个1补1，第2列一个1补1，结果为11
- P1(10): 第1列一个1补1，第2列两个1补0，结果为10
数据恢复：当硬件报错提示某块盘物理损坏时，RAID 控制器只需读取剩余盘和校验盘的对应位。根据“总数必须是偶数”的规则，就能完美反推出丢失位置的 0 或 1。对于 4KB 的数据块，则是对块中每个比特位批量执行此操作。
写入方式
全条带写入（full-stripe write）：当一次性写满一整行（所有数据盘）时，RAID-4 可直接算出新的校验块并一起写入。这是最高效的写入方式，顺序写入吞吐量可达 (N-1)·S。
小写入问题（small-write problem）：当只修改条带中的一小块数据时，为了维持“偶数规则”，必须同步修改校验块。这需要使用 减法奇偶校验（subtractive parity） 方法：
- 读取旧数据块（C_old）和旧奇偶校验块（P_old）
- 计算新奇偶校验：
- 将新数据块和新奇偶校验块写入磁盘
每次小写入需要 4 次物理 I/O（2 次读 + 2 次写）。更致命的是，任何数据盘的修改都必须排队去更新那块唯一的校验盘。这导致校验盘成为全局的“单点瓶颈”，使得随机写入操作被迫序列化。
性能分析
- 容量：N - 1
- 可靠性：1
- 吞吐量：
- 顺序读写：(N-1)·S
- 随机读：(N-1)·R
- 随机写：(1/2)·R（奇偶校验磁盘每个逻辑 I/O 需执行 2 次 I/O，成为瓶颈）
- 延迟：读 T，写 2T（先并行读旧数据和旧奇偶，再并行写新数据和新奇偶）
RAID 5 级：旋转奇偶校验
RAID-5 与 RAID-4 的工作原理基本相同，唯一的区别是将奇偶校验块跨所有驱动器旋转分布，从而消除了专用奇偶校验磁盘的瓶颈。
| 磁盘 0 | 磁盘 1 | 磁盘 2 | 磁盘 3 | 磁盘 4 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 2 | 3 | P0 |
| 5 | 6 | 7 | P1 | 4 |
| 10 | 11 | P2 | 8 | 9 |
| 15 | P3 | 12 | 13 | 14 |
| P4 | 16 | 17 | 18 | 19 |
每个条带的奇偶校验块轮流放置在不同的磁盘上，使得多个并发写入请求可以访问不同磁盘上的奇偶校验块，从而实现并行。
为什么能实现并行？
在 RAID-4 中，所有写入操作都必须访问同一块固定的校验盘（如磁盘 4），导致物理磁头冲突，只能排队串行。而在 RAID-5 中，校验块被打散。例如，同时写入块 1 和块 10 时：
- 写入块 1 需要占用 磁盘 1（数据）和 磁盘 4（校验块 P0）。
- 写入块 10 需要占用 磁盘 0（数据）和 磁盘 2（校验块 P2）。 两组操作需要的物理磁盘完全没有交集，因此可以同时读写，真正实现了并发。
性能分析
- 容量：N - 1（与 RAID-4 相同）
- 可靠性：1（与 RAID-4 相同）
- 吞吐量：
- 顺序读写：(N-1)·S（与 RAID-4 相同）
- 随机读：N·R（所有磁盘均可参与读取，比 RAID-4 略好）
- 随机写：(N/4)·R（消除了单盘瓶颈，但每次写入仍需 4 次 I/O）
- 延迟：读 T，写 2T（与 RAID-4 相同）
由于 RAID-5 在几乎所有情况下都优于或等于 RAID-4，它已基本取代了市场上的 RAID-4。唯一例外是系统确定只会执行顺序大写入的场景，此时 RAID-4 因构建稍简单而偶有使用。
总结
各级 RAID 的核心特征对比（假设单盘请求延迟为 T）：
| 指标 | RAID-0 | RAID-1 | RAID-4 | RAID-5 |
|---|---|---|---|---|
| 容量 | N | N/2 | N - 1 | N - 1 |
| 可靠性 | 0 | 1（肯定），N/2（运气好） | 1 | 1 |
| 顺序读 | N·S | (N/2)·S | (N-1)·S | (N-1)·S |
| 顺序写 | N·S | (N/2)·S | (N-1)·S | (N-1)·S |
| 随机读 | N·R | N·R | (N-1)·R | N·R |
| 随机写 | N·R | (N/2)·R | (1/2)·R | (N/4)·R |
| 读延迟 | T | T | T | T |
| 写延迟 | T | T | 2T | 2T |
选择 RAID 级别取决于最终需求：
- 追求极致性能且不关心可靠性：选择 RAID-0。
- 需要随机 I/O 性能和高可靠性，且能接受容量减半：选择 RAID-1。
- 追求容量和可靠性最大化，且以顺序 I/O 为主：选择 RAID-5。
- 工作负载以顺序大写入为主且希望简化实现：可考虑 RAID-4。