參考資料：
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簡介
RAID出現的目的是為了數據的冗余，或者性能的提升，或者兩者兼顧。早期想實現這樣的功能，可能需要購買一些基於大型機（mainframe）的設備，但是價格過於昂貴，后來就有些人發明了RAID技術將多塊廉價的磁盤組合在了一起，實現了和大型機設備同等的功能。
RAID，早期的全稱是冗余廉價磁盤陣列（Redundant Array of Inexpensive Disks），主要是相比於以往的昂貴的SLED（Single Large Expensive Disk），后改名為冗余獨立磁盤陣列（Redundant Array of Independent Disks），畢竟現在的RAID控制卡也已經不便宜了。
基於不同級別的冗余和性能要求，RAID有不同的級別（level）。不同的級別也決定了可靠性（reliability）、可用性（availability）、性能（performance）和容量（capacity）的不同。
許多RAID級別采用了一種錯誤保護機制，叫做奇偶校驗（parity）。大部分情況使用的是異或運算（XOR），不過RAID 6則使用了兩種獨立的奇偶校驗方法。
不同的RAID級別，使用不同的數字來表示，例如RAID 0、RAID 1等等。
RAID級別按照種類划分有標准（standard）級別、嵌套/混合（nested/hybrid）級別和非標准（non-standard）級別。RAID級別是由SINA（Storage Networking Industry Association）組織所定義的。
接下來我們就來一一介紹這幾種RAID。
標准級別
RAID 0
基於striping方式（data striping是一種切割邏輯上連續數據的技術，例如切割文件，使得連續的片段可以被存儲在不同的物理存儲設備上。）來組織數據，不具備鏡像（mirror，即數據冗余）和校驗的功能。如圖所示。
一個文件會被切割成多個block，假設有8個，有A1~A8表示，那么會依次存入陣列中的每個磁盤當中。
優點：
- 讀寫性能提升，理論上有n塊磁盤，就可以帶來n倍的性能提升，因為讀寫是並行的。
- 存儲容量提升，陣列總容量為n塊磁盤之和。如果磁盤的容量不是相等的，則總容量為n倍的最小磁盤容量。其他RAID級別遇到磁盤容量不同的時候，也是以最小磁盤容量為准。接下來我們假設所有RAID的磁盤容量都是相同的，一般在生產環境中，陣列中的磁盤的容量、型號等也都會是一模一樣的。
缺點：
- 沒有數據冗余能力，1塊硬盤損壞則整個RAID無法使用，數據全部丟失。並且隨着陣列中磁盤數量的增加，發生損壞的概率就越大。
- 沒有校驗能力，無法基於校驗碼進行數據恢復。
其他：
- 至少需要2塊硬盤。
RAID 1
基於鏡像（mirroring）的方式，當寫入數據的時候，會同時寫入每個磁盤設備。
優點：
- 具備數據冗余能力，只要陣列中還有一塊硬盤處於工作狀態，那么整個陣列就依然可用。
- 讀性能提升，如果RAID控制器足夠強大，則讀性能可接近於RAID 0，不過實際實現中，應該無法達到。
缺點：
- 寫性能下降。由於同一個block的數據需要被寫入陣列中的每一個磁盤中，因此寫性能下降。磁盤數越多，寫性能下降越多。最慢的磁盤會限制整個陣列的寫性能。
- 沒有校驗能力，無法基於校驗碼進行數據恢復。
其他：
- 存儲容量保持不變。總容量為單塊磁盤容量。
- 至少需要2塊磁盤。
RAID 2
數據的組織方式類似RAID 0，通過striping技術以位（bit）為單位將數據切割至多塊磁盤上。使用漢明碼（hamming-code）作為校驗碼，具備數據恢復能力，但是需要多塊磁盤作為校驗盤。所有磁盤的主軸旋轉是同步的。
目前已被棄用！！！
RAID 3
類似RAID 2。區別在於RAID 3是基於字節（byte）級別，使用非漢明碼的校驗碼，所以校驗碼只需存儲在一塊磁盤中。
目前已被棄用！！！
RAID 4
類似於RAID 2和3。區別在於RAID 4是基於塊（block）級別，校驗碼存儲在一塊磁盤上。RAID 4相對於2和3的最大優點在於I/O並行性（parallelism）：在2和3中，一次簡單的讀操作會從陣列中的所有磁盤讀取數據，而4則不需要。
由於只有一塊校驗盤，每次寫入數據的時候需要計算校驗碼，隨着磁盤數的增加，校驗盤的性能會成為整個陣列的瓶頸。
目前RAID 4的實現大部分已被私有技術RAID DP所取代，RAID DP使用了兩塊校驗盤。
注意：圖片可能有點錯誤，DISK 2中存儲的應該是BLOCK A3、B3、C3和D3的數據。
優點：
- 讀寫性能提升，讀性能理論為n倍的數據盤，寫性能理論小於n倍的數據盤且隨着數據盤的增加，寫性能越來越受制於校驗盤。
- 具有數據恢復能力。
- 存儲容量提升，為磁盤總容量減去校驗盤容量（n-1）。
缺點：
- 無鏡像能力，雖然存在數據恢復能力，但是數據盤損壞后，基於校驗碼恢復數據會有額外的計算開銷。
- 校驗盤瓶頸問題。
其他：
- 至少需要3塊磁盤。
RAID 5
類似於RAID 4，RAID 5基於塊（block）級別切割數據至多個磁盤，同樣具備校驗碼。但是，最大的區別在於RAID 5的校驗碼不是存放在專門的磁盤上，而是分布式地存儲在陣列中的每個磁盤中，這就解決了RAID 4的寫性能受制於校驗盤的問題了。截止目前，涉及校驗的RAID，它們的校驗碼都是只計算一次並保留一份，這也叫做“單校驗概念”（single-parity concept）。像這類單校驗的設計，當陣列越來越龐大的時候，容易受到系統故障的影響，這里的系統故障指的是磁盤損壞陣列重建（rebuild）時間以及重建期二次磁盤損壞幾率。詳見：Increasing rebuild time and failure probability
優點：
- 讀寫性能提升，理論為n倍的磁盤，解決了RAID 4中的校驗盤瓶頸問題。
- 具有數據恢復能力。
- 存儲容量提升，為磁盤總容量減去校驗碼占用容量（n-1），校驗碼占用的容量約為一個磁盤容量。
缺點：
- 無鏡像能力，雖然存在數據恢復能力，但是數據盤損壞后，基於校驗碼恢復數據會有額外的計算開銷。
- 單校驗問題，此前的所有具備校驗能力的RAID亦均有此問題。
其他：
- 至少需要3塊磁盤。
RAID 6
類似於RAID 5，RAID 6基於塊（block）級別切割數據至多個磁盤，具備分布式校驗碼。只不過是使用了雙校驗碼（double-parity）機制。雙校驗支持損壞至多2塊磁盤。這使得更大的RAID陣列更加實用，尤其對於高可用系統，因為大容量的陣列需要更長的時間重建。至少需要4塊磁盤。和RAID 5一樣，單塊磁盤故障會降低整體陣列性能，直到故障盤被替換。如果磁盤的容量和陣列的容量越大的話，那么越應該考慮使用RAID 6來替代RAID 5。RAID 10同樣也最小化了這些問題。
優點：
- 讀寫性能提升，寫性能可能稍微遜色於RAID 5，因為要計算2種校驗碼。
- 具備數據恢復能力，允許損壞至多2塊磁盤。
- 存儲容量提升，n-1。
- 新增雙校驗機制，解決單校驗的問題，此類設計更適合支持大容量陣列並提高其可用性。
缺點：
- 必須犧牲2塊磁盤的容量存放校驗碼。
- 無鏡像能力，雖然存在數據恢復能力，但是數據盤損壞后，基於校驗碼恢復數據會有額外的計算開銷。不過雙校驗應該可以加快數據恢復的時間。
其他：
- 至少需要4塊磁盤。
嵌套級別
RAID中的每個元素（組成成分），可以是獨立磁盤，也可以是一個RAID陣列。對於后者，我們稱之為RAID嵌套。
RAID 01
也叫作RAID 0+1或者RAID 0&1，先將磁盤制作成RAID 0，再將每個RAID 0組合成RAID 1。如圖所示。
任何一塊磁盤損壞都會導致其中一個stripe（基於striping技術的RAID 0，也可叫stripe）不可用，此時整個RAID 01陣列實際上就降級為RAID 0陣列了。該陣列相比RAID 10在重建期會遭遇更高的風險，因為它需要讀取剩下的stripe中的所有磁盤的所有數據而不是其中一塊盤上的所有數據，增加了URE（Unrecoverable Rear Error）的概率並且明顯擴大了重建窗口。
至少需要4塊磁盤。可以采用更多的磁盤，但是這意味着磁盤故障率也會隨之增加，如果陣列只有2個stripe，並且剛好每個stripe各損壞1塊磁盤，那么整個陣列就完了。
按照此圖示的存儲容量為n/2。
因此，RAID 01是不好的，不建議使用。建議使用RAID 10來替代它！！！
RAID 10
也叫作RAID 1+0或者RAID 1&0，先將磁盤制作成RAID 1，再將每個RAID 1組合成RAID 0。如圖所示。
這種陣列相對RAID 01可以承受更多的設備損壞，特別是在單個鏡像卷中的磁盤數量較多的情況下。
按照此圖示的存儲容量為n/2。
非RAID架構
關於RAID的常用級別基本已經說明完畢，除了以上幾個RAID級別，還有一些並不是基於RAID技術但是也可以將磁盤數據集合起來的技術，這些技術通常只是簡單地將磁盤堆疊起來使用而已，並不一定具備像RAID一樣的數據冗余和性能提升的功能。
- JBOD：Just a Bunch Of Disks。
- SPAN or BIG：字面意義，非縮略詞。
- MAID：Massive Array of Idle Drives。
詳見：Non-RAID drive architectures
實現
RAID的實現主要有兩種，一種是基於硬件俗稱硬RAID，另一種是基於軟件俗稱軟RAID。
硬RAID需要硬件（RAID卡，即RAID控制器）支持，一般是在OS啟動之前，在BIOS中進行RAID的相關配置，並且在OS啟動之后，會有對應RAID卡廠商的私有軟件工具可以進行配置。因為本人沒有相關硬RAID配置經驗以及這只是實驗環境，因此沒有硬RAID相關實現的介紹。
軟RAID的實現方式也有很多種，一般是基於操作系統的某些特性，例如基於Linux內核的md（Multiple Device）或者OpenBSD的softraid。
本文主要闡述如何基於Linux操作系統實現軟RAID。
mdadm
基於Linux的md實現的命令是mdadm，它所支持的RAID級別：LINEAR（類似JBOD）、RAID 0、RAID 1、RAID 4、RAID 5、RAID 6和RAID 10。
OS：CentOS 7.5
mdadm：v4.0
我們的目標是，使用4塊1GB的磁盤，創建RAID 5陣列，其中3塊作為有效（active）盤，1塊作為備用（spare）盤。
創建4塊磁盤，分區，文件系統類型為Linux的RAID（ID：fd）。
[root@C7 ~]# fdisk -l | grep -i "raid" /dev/sdb1 2048 2097151 1047552 fd Linux raid autodetect /dev/sdc1 2048 2097151 1047552 fd Linux raid autodetect /dev/sde1 2048 2097151 1047552 fd Linux raid autodetect /dev/sdd1 2048 2097151 1047552 fd Linux raid autodetect
查看內核識別到的分區信息，確保我們剛才所創建的四個磁盤的分區已經被內核識別。
[root@C7 ~]# cat /proc/partitions major minor #blocks name 8 0 20971520 sda 8 1 1048576 sda1 8 2 19921920 sda2 8 16 1048576 sdb 8 17 1047552 sdb1 8 32 1048576 sdc 8 33 1047552 sdc1 11 0 4365312 sr0 8 64 1048576 sde 8 65 1047552 sde1 8 48 1048576 sdd 8 49 1047552 sdd1 253 0 17821696 dm-0 253 1 2097152 dm-1
如果未識別到，則使用partprobe告知內核。警告信息可以忽略。
[root@C7 ~]# partprobe Warning: Unable to open /dev/sr0 read-write (Read-only file system). /dev/sr0 has been opened read-only.
創建磁盤陣列。
[root@C7 ~]# mdadm -C /dev/md0 -l 5 -n 3 -x 1 /dev/sd{b,c,d,e}1 mdadm: Defaulting to version 1.2 metadata mdadm: array /dev/md0 started.
查看陣列狀態信息
方法一
[root@C7 ~]# cat /proc/mdstat Personalities : [raid6] [raid5] [raid4] md0 : active raid5 sdd1[4] sde1[3](S) sdc1[1] sdb1[0] 2091008 blocks super 1.2 level 5, 512k chunk, algorithm 2 [3/3] [UUU]
陣列創建的過程需要時間，例如寫入RAID元數據之類的，想動態查看的話，可以通過watch命令
[root@C7 ~]# watch -n 1 cat /proc/mdstat
方法二
[root@C7 ~]# mdadm -D /dev/md0 /dev/md0: Version : 1.2 Creation Time : Wed Apr 3 14:15:55 2019 Raid Level : raid5 # RAID級別 Array Size : 2091008 (2042.00 MiB 2141.19 MB) # 4塊磁盤，各1GB，1塊備用盤，還有1塊盤的容量為校驗碼，因此陣列可用容量為2GB。 Used Dev Size : 1045504 (1021.00 MiB 1070.60 MB) Raid Devices : 3 Total Devices : 4 Persistence : Superblock is persistent Update Time : Wed Apr 3 14:16:00 2019 State : clean # 陣列的狀態，clean表示干凈狀態，即陣列處於健康工作狀態 Active Devices : 3 Working Devices : 4 Failed Devices : 0 Spare Devices : 1 Layout : left-symmetric Chunk Size : 512K Consistency Policy : resync Name : C7:0 (local to host C7) UUID : ebf794e8:8f01958a:f004744b:7be7a8cf # 系統重啟后，陣列的設備名稱可能不再是/dev/md0，因此可使用UUID來代替設備名稱寫入/etc/fstab。 Events : 18 Number Major Minor RaidDevice State 0 8 17 0 active sync /dev/sdb1 1 8 33 1 active sync /dev/sdc1 4 8 49 2 active sync /dev/sdd1 3 8 65 - spare /dev/sde1
格式化RAID設備並掛載使用
[root@C7 ~]# mkfs -t xfs /dev/md0 meta-data=/dev/md0 isize=512 agcount=8, agsize=65408 blks = sectsz=512 attr=2, projid32bit=1 = crc=1 finobt=0, sparse=0 data = bsize=4096 blocks=522752, imaxpct=25 = sunit=128 swidth=256 blks naming =version 2 bsize=4096 ascii-ci=0 ftype=1 log =internal log bsize=4096 blocks=2560, version=2 = sectsz=512 sunit=8 blks, lazy-count=1 realtime =none extsz=4096 blocks=0, rtextents=0 [root@C7 ~]# mkdir /raid_data [root@C7 ~]# mount /dev/md0 /raid_data
創建一個測試的文本文件，輸入一些信息。在下文標記陣列中磁盤為faulty狀態時，我們可以通過測試此文件是否內容可讀取來判斷RAID是否可用。
[root@C7 ~]# cat /raid_data/raid.txt this is a test file for RAID 5 !!!
手動標記陣列中的一塊有效磁盤為faulty狀態，並觀察備用盤是否自動頂替。
[root@C7 ~]# mdadm /dev/md0 -f /dev/sdd1 mdadm: set /dev/sdd1 faulty in /dev/md0
再次查看狀態會發現一些變化。
[root@C7 ~]# mdadm -D /dev/md0 /dev/md0: Version : 1.2 Creation Time : Wed Apr 3 14:15:55 2019 Raid Level : raid5 Array Size : 2091008 (2042.00 MiB 2141.19 MB) Used Dev Size : 1045504 (1021.00 MiB 1070.60 MB) Raid Devices : 3 Total Devices : 4 Persistence : Superblock is persistent Update Time : Wed Apr 3 14:45:28 2019 State : clean, degraded, recovering # 由於磁盤損壞了1塊，且存在備用盤。備用盤自動頂替，陣列進入重建期，在重建完成前，陣列處於降級模式工作。重建完畢后，狀態又會變回clean了。 Active Devices : 2 Working Devices : 3 Failed Devices : 1 Spare Devices : 1 Layout : left-symmetric Chunk Size : 512K Consistency Policy : resync Rebuild Status : 65% complete # 數據重建進度。 Name : C7:0 (local to host C7) UUID : ebf794e8:8f01958a:f004744b:7be7a8cf Events : 30 Number Major Minor RaidDevice State 0 8 17 0 active sync /dev/sdb1 1 8 33 1 active sync /dev/sdc1 3 8 65 2 spare rebuilding /dev/sde1 4 8 49 - faulty /dev/sdd1
待陣列重建完畢，再標記一塊磁盤為faulty狀態。
[root@C7 ~]# mdadm /dev/md0 -f /dev/sdc1 mdadm: set /dev/sdc1 faulty in /dev/md0
此時我們的陣列，就只能工作於降級模式而無法恢復clean了。
[root@C7 ~]# mdadm -D /dev/md0 /dev/md0: Version : 1.2 Creation Time : Wed Apr 3 14:15:55 2019 Raid Level : raid5 Array Size : 2091008 (2042.00 MiB 2141.19 MB) Used Dev Size : 1045504 (1021.00 MiB 1070.60 MB) Raid Devices : 3 Total Devices : 4 Persistence : Superblock is persistent Update Time : Wed Apr 3 14:47:55 2019 State : clean, degraded Active Devices : 2 Working Devices : 2 Failed Devices : 2 Spare Devices : 0 Layout : left-symmetric Chunk Size : 512K Consistency Policy : resync Name : C7:0 (local to host C7) UUID : ebf794e8:8f01958a:f004744b:7be7a8cf Events : 45 Number Major Minor RaidDevice State 0 8 17 0 active sync /dev/sdb1 - 0 0 1 removed 3 8 65 2 active sync /dev/sde1 1 8 33 - faulty /dev/sdc1 4 8 49 - faulty /dev/sdd1
無論陣列處於重建期或者降級模式，測試文件都是可讀的。
如果該陣列不使用了，那么我們應該先卸載陣列，再關閉它。
[root@C7 ~]# umount /dev/md0 [root@C7 ~]# mdadm -S /dev/md0 mdadm: stopped /dev/md0 [root@C7 ~]# mdadm -D /dev/md0 mdadm: cannot open /dev/md0: No such file or directory
關閉后，陣列設備文件消失。
總結
- 實際生產環境中，數據的完整性和性能是重要的，因此不應該使用軟RAID，而應該采用硬RAID。
- 不同的RAID卡廠商的配置方式不同，萬變不離其宗，了解RAID原理各級別特性比RAID實現更重要。
- 本文關於Linux上的軟RAID實現只是簡單闡述，切勿直接拿來在生產環境使用。