RAID 磁盘阵列

一、RAID 基本概念

1. 什么是 RAID？

RAID（Redundant Array of Independent Disks）即独立磁盘冗余阵列，是将多个物理磁盘组合成一个逻辑单元的技术。

2. RAID 的主要目的

• 数据冗余：提高数据可靠性
• 性能提升：提高读写速度
• 容量扩展：合并多个磁盘容量

二、RAID 级别详解

1. RAID 0 - 条带化

工作原理：数据分成块，交替写入多个磁盘

配置要求：至少2块磁盘
容量计算：总容量 = 最小磁盘容量 × 磁盘数量

优点：

• 读写性能最佳（并行操作）
• 100%磁盘利用率

缺点：

• 无冗余，一块磁盘故障则全部数据丢失
• 可靠性低于单块磁盘

适用场景：临时数据、需要高性能的只读应用

示例：

磁盘1: [块1] [块3] [块5]
磁盘2: [块2] [块4] [块6]
数据: 块1 → 块2 → 块3 → 块4 → 块5 → 块6

2. RAID 1 - 镜像

工作原理：数据完全复制到所有磁盘

配置要求：至少2块磁盘
容量计算：总容量 = 最小磁盘容量

优点：

• 100%数据冗余
• 读性能提升（可从多个磁盘读取）
• 简单的数据恢复

缺点：

• 写性能稍差（需写入多个副本）
• 磁盘利用率50%

适用场景：操作系统盘、重要数据库

示例：

磁盘1: [数据A] [数据B] [数据C]
磁盘2: [数据A] [数据B] [数据C]  # 完全相同的副本

3. RAID 5 - 带分布式奇偶校验的条带化

工作原理：数据条带化分布，奇偶校验信息轮流存储在磁盘上

配置要求：至少3块磁盘
容量计算：总容量 = (磁盘数 - 1) × 最小磁盘容量

优点：

• 读性能优秀
• 磁盘利用率较高 (n-1)/n
• 允许一块磁盘故障

缺点：

• 写性能较差（需计算奇偶校验）
• 重建时间较长

适用场景：文件服务器、Web服务器

示例：

磁盘1: 数据A  数据D   校验2
磁盘2: 数据B  校验1   数据E
磁盘3: 校验0  数据C   数据F

4. RAID 6 - 双分布式奇偶校验

工作原理：类似RAID 5，但有两个独立的奇偶校验块

配置要求：至少4块磁盘
容量计算：总容量 = (磁盘数 - 2) × 最小磁盘容量

优点：

• 允许两块磁盘同时故障
• 比RAID 5更高的可靠性

缺点：

• 写性能更差（需计算两个校验）
• 磁盘利用率更低

适用场景：大容量存储、关键业务数据

5. RAID 10 (1+0) - 镜像条带化

工作原理：先做RAID 1镜像，再做RAID 0条带化

配置要求：至少4块磁盘（偶数）
容量计算：总容量 = (磁盘数 / 2) × 最小磁盘容量

优点：

• 高性能（RAID 0的优点）
• 高可靠性（RAID 1的优点）
• 快速重建

缺点：

• 成本高（磁盘利用率50%）
• 需要偶数磁盘

适用场景：数据库、虚拟化、高要求应用

示例：

镜像对1: 磁盘1 [数据A] ↔ 磁盘2 [数据A]
镜像对2: 磁盘3 [数据B] ↔ 磁盘4 [数据B]
条带化: 数据A → 数据B → 数据C → 数据D

三、RAID 级别对比表

四、Linux 软件 RAID 配置详解

1. 使用 mdadm 工具

检查当前磁盘状态

# 查看磁盘信息
lsblk
fdisk -l

# 检查现有RAID阵列
cat /proc/mdstat
mdadm --detail /dev/md0

示例1：创建 RAID 1 阵列

# 假设有2块磁盘 /dev/sdb 和 /dev/sdc

# 创建分区（可选，也可以直接用整个磁盘）
fdisk /dev/sdb  # 创建Linux raid autodetect类型分区 (fd)
fdisk /dev/sdc

# 创建RAID 1阵列
mdadm --create /dev/md0 --level=1 --raid-devices=2 /dev/sdb1 /dev/sdc1

# 查看阵列状态
cat /proc/mdstat
mdadm --detail /dev/md0

# 格式化和挂载
mkfs.ext4 /dev/md0
mkdir /raid1
mount /dev/md0 /raid1

# 持久化配置
mdadm --detail --scan >> /etc/mdadm/mdadm.conf
update-initramfs -u

示例2：创建 RAID 5 阵列

# 使用3块磁盘创建RAID 5
mdadm --create /dev/md1 --level=5 --raid-devices=3 /dev/sdd /dev/sde /dev/sdf

# 添加热备盘
mdadm /dev/md1 --add /dev/sdg

# 查看详细状态
mdadm --detail /dev/md1

2. RAID 监控和维护

监控RAID状态

# 实时监控
watch cat /proc/mdstat

# 详细监控脚本
#!/bin/bash
echo "=== RAID状态检查 $(date) ==="
cat /proc/mdstat
echo
mdadm --detail /dev/md0 | grep -E "State|Active|Working|Failed"
echo "磁盘健康状态:"
smartctl -a /dev/sdb | grep -i "health"
smartctl -a /dev/sdc | grep -i "health"

模拟磁盘故障和恢复

# 标记磁盘为故障
mdadm /dev/md0 --fail /dev/sdb1

# 移除故障磁盘
mdadm /dev/md0 --remove /dev/sdb1

# 添加新磁盘
mdadm /dev/md0 --add /dev/sdd1

# 查看重建进度
watch cat /proc/mdstat

3. RAID 性能测试

# 测试读性能
hdparm -tT /dev/md0

# 使用dd测试顺序读写
dd if=/dev/zero of=/raid1/testfile bs=1M count=1024 oflag=direct

# 使用fio进行综合测试
fio --name=randwrite --ioengine=libaio --rw=randwrite --bs=4k --numjobs=4 --size=1G --runtime=60 --time_based --end_fsync=1 --filename=/raid1/fiotest

五、硬件 RAID 与软件 RAID 对比

1. 硬件 RAID

优点：

• 不占用CPU资源
• 有专用缓存（BBU）
• 操作系统无关性
• 通常有管理界面

缺点：

• 成本高
• 供应商锁定
• 故障时恢复复杂

2. 软件 RAID

优点：

• 成本低
• 配置灵活
• 不受硬件限制
• 标准化的恢复流程

缺点：

• 占用CPU资源
• 依赖操作系统
• 无电池备份缓存

六、实际应用场景示例

场景1：Web服务器存储方案

# RAID 10 配置（4块磁盘）
# 操作系统: 2块磁盘 RAID 1
# 数据存储: 4块磁盘 RAID 10

# 创建系统RAID 1
mdadm --create /dev/md0 --level=1 --raid-devices=2 /dev/sda /dev/sdb

# 创建数据RAID 10  
mdadm --create /dev/md1 --level=10 --raid-devices=4 /dev/sdc /dev/sdd /dev/sde /dev/sdf

场景2：文件服务器容量优化

# RAID 6 配置（6块4TB磁盘）
# 总容量: (6-2)×4TB = 16TB
# 允许最多2块磁盘故障

mdadm --create /dev/md2 --level=6 --raid-devices=6 /dev/sd{g,h,i,j,k,l}

场景3：数据库高性能存储

# RAID 10 + SSD 配置
# 8块SSD做RAID 10，提供最佳IOPS

mdadm --create /dev/md3 --level=10 --raid-devices=8 /dev/nvme0n1 /dev/nvme1n1 /dev/nvme2n1 /dev/nvme3n1 /dev/nvme4n1 /dev/nvme5n1 /dev/nvme6n1 /dev/nvme7n1

七、RAID 故障处理指南

1. 常见故障现象

# 检查系统日志
dmesg | grep -i raid
dmesg | grep -i md

# RAID状态异常
cat /proc/mdstat  # 显示 degraded 或 recovery

2. 数据恢复步骤

# 1. 停止阵列（如果需要）
mdadm --stop /dev/md0

# 2. 重新扫描磁盘
mdadm --assemble --scan

# 3. 强制启动降级阵列
mdadm --assemble --force /dev/md0 /dev/sdb1 missing

# 4. 添加替换磁盘
mdadm /dev/md0 --add /dev/sdc1

3. 预防性维护

# 定期检查阵列一致性
echo check > /sys/block/md0/md/sync_action

# 监控SMART数据
smartctl -a /dev/sdb | grep -i "reallocated\|pending\|uncorrectable"

# 设置监控告警
# 在/etc/mdadm/mdadm.conf中添加监控配置

八、RAID 选择决策指南

根据需求选择RAID级别：

• 性能优先：RAID 0 或 RAID 10
• 可靠性优先：RAID 1、RAID 5、RAID 6
• 性价比平衡：RAID 5
• 关键业务：RAID 10
• 大容量存储：RAID 6

现代RAID发展趋势：

• RAID 50/60：嵌套RAID级别，平衡性能与容量
• RAID Z：ZFS文件系统的RAID实现
• 纠删码：云存储中常用的类似RAID的技术

总结

RAID技术通过不同的数据分布策略，在性能、可靠性和成本之间提供多种平衡方案。正确选择和配置RAID可以显著提升存储系统的可用性和性能，但需要根据具体业务需求进行合理规划。