廉價冗余磁盤陣列
廉價冗余磁盤陣列（Redundant Array of Inexpensive Disks, RAID) 技術使用多個磁盤一起構建更快、更大、更可靠的磁盤系統。從外部看 RAID 看起來像一個磁盤，一組可以讀取或寫入的塊。在內部 RAID 是一個復雜的龐然大物，由多個磁盤、內存（包括易失性和非易失性）以及一個或多個處理器來管理系統。硬件RAID非常像一個計算機系統，專門用於管理一組磁盤。
RAID 的優點
與單個磁盤相比，RAID 具有許多優點：
- 性能高：並行使用多個磁盤可以大大加快 I/O 時間；
- 容量大：大型數據集需要大型磁盤；
- 提高可靠性：通過某種形式的冗余，RAID 可以容許損失一個磁盤並保持運行；
- 可部署性：操作系統和客戶端程序無需修改就能使用，而不必擔心軟件兼容性問題。
RAID 的組成
當文件系統向 RAID 發出邏輯 I/O 請求時，RAID 內部必須計算要訪問的磁盤（或多磁盤）以完成請求。然后發出一個或多個物理 I/O 來執行此操作，這些物理 I/O 的確切性取決於 RAID 級別。RAID系統通常構建為單獨的硬件盒，並通過標准連接（例如，SCSI 或 SATA）接入主機，在內部 RAID 主要由以下組件構成：
| 組成部分 | 說明 |
|---|---|
| 微控制器 | 運行固件以指導 RAID 的操作 |
| 易失性存儲器 | 在讀取和寫入時緩沖數據塊 |
| 非易失性存儲器 | 安全地緩沖寫入 |
| 專用的邏輯電路 | 執行奇偶校計算 |
RAID 是一個非專業的計算機系統，它有一個處理器、內存和磁盤，運行專門用於操作 RAID 的軟件。
評估 RAID
構建 RAID 有多種不同的方法，每種方法都有不同的特點，通常從 3 個方面評估每種 RAID 設計。
| 評估方面 | 說明 |
|---|---|
| 容量（capacity） | 在給定一組 N 個磁盤的情況下，RAID 的客戶端可用的容量有多少 |
| 可靠性（reliability） | 給定設計允許有多少磁盤故障 |
| 性能（performance） | 性能在很大程度上取決於磁盤陣列提供的工作負載 |
RAID 0
RAID 0 原理
RAID 0 級別實際上不是 RAID 級別，因為沒有冗余。但是 RAID 0 級（即條帶化，striping）可作為性能和容量的優秀上限，它的思想是以輪轉的方式將磁盤陣列的塊分布在磁盤上。這種方法的目的是在對數組的連續塊進行請求時，從陣列中獲取最大的並行性，例如順序讀取 0123 這四個塊。
大塊大小
此時也可以在每個磁盤上連續放置 2 個塊，然后再移動到下一個磁盤，此時的大塊大小就是原來的 2 倍。大塊大小主要影響陣列的性能，大小較小的大塊意味着許多文件將跨多個磁盤進行條帶化，從而增加了對單個文件的讀取和寫入的並行性。但是跨多個磁盤訪問塊的定位時間會增加，因為整個請求的定位時間由所有驅動器上請求的最大定位時間決定。
另一方面，較大的大塊大小減少了這種文件內的並行性，因此依靠多個並發請求來實現高吞吐量，但是較大的大塊大小減少了定位時間。例如，如果一個文件放在一個塊中並放置在單個磁盤上，則訪問它時發生的定位時間將只是單個磁盤的定位時間。因此確定“最佳”的大塊大小是很難做到的，因為它需要大量關於提供給磁盤系統的工作負載的知識。
RAID 0 分析
| 性能 | 分析 |
|---|---|
| 容量 | 給定 N 個磁盤，條件化提供 N 個磁盤的有用容量 |
| 可靠性 | 任何磁盤故障都會導致數據丟失 |
| 性能 | 很好，通常並行使用所有磁盤來為用戶 I/O 請求提供服務 |
對於順序訪問，磁盤以最高效的模式運行，花費很少時間尋道並等待旋轉，大部分時間都在傳輸數據。對於隨機訪問，則大部分時間花在尋道和等待旋轉上，花在傳輸數據上的時間相對較少。
RAID 1
RAID 1 原理
RAID 1 級別為即鏡像，對於鏡像系統中每個塊將存在一個或多個副本，每個副本應該放在一個單獨的磁盤上，通過這樣做可以容許磁盤故障。假設 RAID 保留兩個物理副本，則相鄰的磁盤具有相同的內容，數據在這些鏡像對之間條帶化。
從鏡像陣列讀取塊時，RAID 1 可以讀取任一副本，如果對 RAID 1 發出對邏輯塊 5 的讀取，則可以自由地從磁盤 2 或磁盤 3 讀取它。但是在寫入塊時，RAID 1 必須更新兩個副本的數據，以保持可靠性，這些寫入可以並行進行。
RAID 1 分析
| 性能 | 分析 |
|---|---|
| 容量 | 對於 N 個磁盤，鏡像的有用容量為 N/2 |
| 可靠性 | 可以容許任何一個磁盤的故障 |
| 性能 | 平均而言比寫入單個磁盤略高 |
從單個讀取請求的延遲角度來看，與單個磁盤上的延遲相同。寫入有點不同，RAID 1 需要完成兩次物理寫入。這兩個寫入並行發生，因此時間大致等於單次寫入的時間。然而因為邏輯寫入必須等待兩個物理寫入完成，所以它遭遇到兩個請求中最差的尋道和旋轉延遲。
RAID 10 和 RAID 01
可以使用多種不同的方法在磁盤上放置塊副本，上面的安排有時稱為 RAID 10（或 RAID 1+0），因為它使用鏡像對（RAID-1），然后在其上使用條帶化（RAID-0）。另一種常見安排是 RAID 01（或 RAID 0+1），它包含兩個大型條帶化（RAID-0）陣列，然后是鏡像（RAID-1）。
RAID 4
RAID 4 原理
RAID 4 使用奇偶校驗（parity）向磁盤陣列添加冗余，它試圖使用較少的容量，從而克服由鏡像系統付出的巨大空間損失，代價是性能有所降低。對於每一條數據都添加了一個奇偶校驗（parity）塊，用於存儲該條塊的冗余信息。例如對於奇偶校驗塊 P0，具有從塊 0、1、2、3 計算出的冗余信息。
奇偶校驗主要基於異或（XOR）運算，對於給定的一組比特，如果比特中有偶數個 1，則所有這些比特的 XOR 返回 0，如果有奇數個 1 則返回 1。效果是任何一行中的 1 的數量必須是偶數（而不是奇數），因此可以算出下面這個例子的 P = 0。
同理利用奇偶校驗信息從故障中恢復的方法是，讀取該行中的所有其他 n-1 個值，通過奇偶校驗的特性得到最后一個需要恢復的值。例如下面 X 是需要恢復的值，假設其他磁盤都沒有出錯，則根據上文的性質可以得出 X = 0。
RAID 4 分析
| 性能 | 分析 |
|---|---|
| 容量 | 使用 1 個磁盤作為所保護的每組磁盤的奇偶校驗信息，有用容量是 N-1 |
| 可靠性 | 容許1個磁盤故障，如果丟失多個磁盤則無法重建丟失的數據 |
| 性能 | 單次讀取同於單個磁盤請求的延遲，單次寫入的延遲需要兩次讀取，然后兩次寫入 |
RAID 4 的並行性還有待提高，例如上面的 RAID 4，如果需要寫入塊 1 和 10，則這個過程需要串行處理。首先寫入塊 1 需要訪問磁盤 2 和磁盤 5，接着寫入塊 10 需要訪問磁盤 3 和磁盤 5，由於都需要訪問磁盤 5 所以不能並行操作。
RAID 5
RAID 5 是旋轉奇偶校驗，相比 RAID 4 具有更好的並行性。RAID 5 的工作原理與 RAID4 幾乎完全相同，只是它將奇偶校驗塊跨驅動器旋轉。但是有時候 RAID5 的性能會比 RAID 4 要好，例如寫入塊 1 和寫入塊 10，寫入塊 1 需要對磁盤 1 和磁盤 4 的請求，寫入塊 10 需要對磁盤 0 和磁盤 2 請求。此時由於沒有交叉，它們可以並行進行。
RAID 5 的大部分分析與 RAID-4 相同，兩級的有效容量和容錯能力是相同的。在少數情況下 RAID 5 更好，所以它幾乎完全取代了市場上的 RAID 4。
其他 RAID 級別
RAID 2
RAID 2 是 RAID 0 的改良版，以漢明碼（Hamming Code）的方式將數據進行編碼后分割為獨立的位元，並將數據分別寫入硬盤中。因為在數據中加入了錯誤修正碼，所以數據整體的容量會比原始數據大一些。
RAID 3
RAID 3 是具有並行傳輸功能的磁盤陣列，它只利用一台奇偶校驗盤來完成數據的校驗功能。與 RAID 4 不同在於只能查錯不能糾錯，它訪問數據時一次處理一個帶區，這樣可以提高讀取和寫入速度。RAID 4 對數據的訪問是按數據塊進行的，也就是按磁盤進行的。
RAID 6 和 RAID 7
RAID 6 的陣列中，設置了一個專用的、可快速訪問的異步校驗盤，該盤具有獨立的數據訪問通路，具有比 RAID 3 級及 RAID 5 級更好的性能，但其性能改進得很有限，且價格昂貴。RAID 7 是對 RAID6 級的改進，在該陣列中的所有磁盤都具有較高的傳輸速率和優異的性能，是目前最高檔次的磁盤陣列，但其價格也較高。
RAID 的選擇
如果要求性能而不關心可靠性，那么 RAID 0 條帶顯然是最好的。但是如果你想要隨機 I/O 的性能和可靠性，RAID1 鏡像是最好的，代價是容量下降。如果容量和可靠性是你的主要目標，選擇 RAID 5，代價是小寫入的性能。最后如果在按順序執行 I/O 操作並希望最大化容量，也可以選擇 RAID-5。
參考資料
《操作系統導論》[美]Remzi H.Arpaci-Dusseau，Andrea C.Arpaci-Dusseau 著，王海鵬 譯，人民郵電出版社
《計算機操作系統(第四版)》，湯小丹 梁紅兵 哲鳳屏 湯子瀛 編著，西安電子科技大學出版社