RAID的各种等级

RAID-0 等级Striped Disk Array without Fault Tolerance( 没有容错设计的条带磁盘阵列）图中一个圆柱就是一块磁盘（以下均是），它们并联在一起。

从图中可以看出，RAID 0 在存储数据时由RAID 控制器（硬件或软件）分割成大小相同的数据条，同时写入阵列中的磁盘。

如果发挥一下想象力，你会觉得数据象一条带子横跨过所有的阵列磁盘，每个磁盘上的条带深度则是一样的。

至于每个条带的深度则要看所采用的RAID 类型，在NT 系统的软RAID 0 等级中，每个条带深度只有64KB 一种选项，而在硬RAID 0 等级，可以提供8 、16 、32 、64 以及128KB 等多种深度参数。

Striped 是RAID 的一种典型方式，在很多RAID 术语解释中，都把Striped 指向RAID 0 。

在读取时，也是顺序从阵列磁盘中读取后再由RAID 控制器进行组合再传送给系统，这也是RAID 的一个最重要的特点。

RAID-0 结构图解这样，数据就等于并行的写入和读取，从而非常有助于提高存储系统的性能。

对于两个硬盘的RAID 0 系统，提高一倍的读写性能可能有些夸张，毕竟要考虑到也同时缯加的数据分割与组合等与RAID 相关的操作处理时间，但比单个硬盘提高50% 的性能是完全可以的。

不过，RAID 0 还不能算是真正的RAID ，因为它没有数据冗余能力。

由于没有备份或校验恢复设计，在RAID 0 阵列中任何一个硬盘损坏就可导致整个阵列数据的损坏，因为数据都是分布存储的。

下面总结一下RAID 0 的特点：RAID-1 等级 Mirroring and Duplexing （相互镜像）对比 RAID 0 等级，我们能发现硬盘的内容是两两相同的。

这就是镜像——两个硬盘的内容完全一样，这等于内容彼此备份。

比如阵列中有两个硬盘，在写入时， RAID 控制器并不是将数据分成条带而是将数据同时写入两个硬盘。

这样，其中任何一个硬盘的数据出现问题，可以马上从另一个硬盘中进行恢复。

注意，这两个硬盘并不是主从关系，也就是说是相互镜像 / 恢复的。

RAID-1 结构图解RAID 1 已经可以算是一种真正的 RAID 系统，它提供了强有力的数据容错能力，但这是由一个硬盘的代价所带来的效果，而这个硬盘并不能增加整个阵列的有效容量。

下面总结一下 RAID 1 的特点：其它RAID等级（1）RAID-2 等级Hamming Code ECC （汉明码错误检测与修正）现在我们要接触到RAID 系统中最为复杂的等级之一。

RAID 2 之所以复杂就是因为它采用了早期的错误检测与修正技术——汉明码（Hamming Code ）校验技术。

因此在介绍RAID 2 之前有必要讲讲汉明码的原理。

汉明码的原理：针对 4 位数据的汉明码编码示意图汉明码是一个在原有数据中插入若干校验码来进行错误检查和纠正的编码技术。

以典型的4 位数据编码为例，汉明码将加入 3 个校验码，从而使实际传输的数据位达到7 个（位），它们的位置如果把上图中的位置横过来就是：注：Dx 中的x 是2 的整数幂（下面的幂都是指整数幂）结果，多少幂取决于码位，D1 是0 次幂，D8 是3 次幂，想想二进制编码就知道了现以数据码1101 为例讲讲汉明码的编码原理，此时D8=1 、D4=1 、D2=0 、D1=1 ，在P1 编码时，先将D8 、D4 、D1 的二进制码相加，结果为奇数 3 ，汉明码对奇数结果编码为1 ，偶数结果为0 ，因此P1 值为1 ，D8+D2+D1=2 ，为偶数，那么P2 值为0 ，D4+D2+D1=2 ，为偶数，P3 值为0 。

这样，参照上文的位置表，汉明码处理的结果就是1010101 。

在这个4 位数据码的例子中，我们可以发现每个汉明码都是以三个数据码为基准进行编码的。

下面就是它们的对应表：从编码形式上，我们可以发现汉明码是一个校验很严谨的编码方式。

在这个例子中，通过对4 个数据位的 3 个位的3 次组合检测来达到具体码位的校验与修正目的（不过只允许一个位出错，两个出错就无法检查出来了，这从下面的纠错例子中就能体现出来）。

在校验时则把每个汉明码与各自对应的数据位值相加，如果结果为偶数（纠错代码为0 ）就是正确，如果为奇数（纠错代码为 1 ）则说明当前汉明码所对应的三个数据位中有错误，此时再通过其他两个汉明码各自的运算来确定具体是哪个位出了问题。

还是刚才的1101 的例子，正确的编码应该是1010101 ，如果第三个数据位在传输途中因干扰而变成了 1 ，就成了1010111 。

检测时，P1+D8+D4+D1 的结果是偶数 4 ，第一位纠错代码为0 ，正确。

P1+D8+D2+D1 的结果是奇数3 ，第二位纠错代码为1 ，有错误。

P3+D4+D2+D1 的结果是奇数3 ，第三但纠错代码代码为 1 ，有错误。

那么具体是哪个位有错误呢？三个纠错代码从高到低排列为二进制编码110 ，换算成十进制就是6 ，也就是说第 6 位数据错了，而数据第三位在汉明码编码后的位置正好是第 6 位。

那么汉明码的数量与数据位的数量之间有何比例呢？上面的例子中数据位是4 位，加上3 位汉明码是7 位，而2 的3 次幂是8 。

这其中就存在一个规律，即2 P ≥P+D+1 ，其中P 代表汉明码的个数，D 代表数据位的个数，比如 4 位数据，加上 1 就是5 ，而能大于 5 的2 的幂数就是3 （2 3 =8 ，2 2 =4 ）。

这样，我们就能算出任何数据位时所需要的汉明码位数：7 位数据时需要4 位汉明码（2 4 ＞4+7+1 ），64 位数据时就需要7 位汉明码（2 7 ＞64+7+1 ），大家可以依此推算。

此时，它们的编码规也与 4 位时不一样了。

另外，汉明码加插的位置也是有规律的。

以四位数据为例，第一个是汉明码是第一位，第二个是第二位，第三个是第四位，1 、2 、4 都是2 的整数幂结果，而这个幂次数是从0 开始的整数。

这样我们可以推断出来，汉明码的插入位置为 1 （2 0 ）、2 （2 1 ）、4 （2 2 ）、8 （2 3 ）、16 （2 4 ）、32 （2 5 ）……说完汉明码，下面就开始介绍RAID 2 等级。

RAID 2 等级介绍：RAID-2 结构图解由于汉明码是位为基础进行校验的，那么在RAID2 中，一个硬盘在一个时间只存取一位的信息。

没错，就是这么恐怖。

如图中所示，左边的为数据阵列，阵列中的每个硬盘一次只存储一个位的数据。

同理，右边的阵列（我们称之为校验阵列）则是存储相应的汉明码，也是一位一个硬盘。

所以RAID 2 中的硬盘数量取决于所设定的数据存储宽度。

如果是 4 位的数据宽度（这由用户决定），那么就需要 4 个数据硬盘和 3 个汉明码校验硬盘，如果是64 位的位宽呢？从上文介绍的计算方法中，就可以算出来，数据阵列需要64 块硬盘，校验阵列需要7 块硬盘。

在写入时，RAID 2 在写入数据位同时还要计算出它们的汉明码并写入校验阵列，读取时也要对数据即时地进行校验，最后再发向系统。

通过上文的介绍，我们知道汉明码只能纠正一个位的错误，所以RAID 2 也只能允许一个硬盘出问题，如果两个或以上的硬盘出问题，RAID 2 的数据就将受到破坏。

但由于数据是以位为单位并行传输，所以传输率也相当快。

RAID 2 是早期为了能进行即时的数据校验而研制的一种技术（这在当时的RAID 0 、1 等级中是无法做到的），从它的设计上看也是主要为了即时校验以保证数据安全，针对了当时对数据即时安全性非常敏感的领域，如服务器、金融服务等。

但由于花费太大（其实，从上面的分析中可以看出如果数据位宽越大，用于校验阵列的相对投资就会越小，就如上面的4:3 与64:7 ），成本昂贵，目前已基本不再使用，转而以更高级的即时检验RAID 所代替，如RAID 3 、 5 等。

现在让我们总结一下RAID 2 的特点:(2) RAID-3 等级Parallel transfer with parity （并行传输及校验）RAID 2 等级的缺点相信大家已经很明白了，虽然能进行即时的ECC ，但成本极为昂贵。

为此，一种更为先进的即时ECC 的RAID 等级诞生，这就是RAID 3 。

RAID 3 是在RAID 2 基础上发展而来的，主要的变化是用相对简单的异或逻辑运算（XOR ，eXclusive OR ）校验代替了相对复杂的汉明码校验，从而也大幅降低了成本。

XOR 的校验原理如下表：这里的A 与B 值就代表了两个位，从中可以发现，A 与B 一样时，XOR 结果为0 ，A 与B 不一样时，XOR 结果就是1 ，而且知道XOR 结果和 A 与B 中的任何一个数值，就可以反推出另一个数值。

比如 A 为 1 ，XOR 结果为 1 ，那么B 肯定为0 ，如果XOR 结果为0 ，那么B 肯定为1 。

这就是XOR 编码与校验的基本原理。

RAID 3 的结构图如下：RAID-3 结构图解从图中可以发现，校验盘只有一个，而数据与RAID 0 一样是分成条带（Stripe ）存入数据阵列中，这个条带的深度的单位为字节而不再是bit 了。

在数据存入时，数据阵列中处于同一等级的条带的XOR 校验编码被即时写在校验盘相应的位置，所以彼此不会干扰混乱。

读取时，则在调出条带的同时检查校验盘中相应的XOR 编码，进行即时的ECC 。

由于在读写时与RAID 0 很相似，所以RAID 3 具有很高的数据传输效率。

RAID 3 在RAID 2 基础上成功地进行结构与运算的简化，曾受到广泛的欢迎，并大量应用。

直到更为先进高效的RAID 5 出现后，RAID 3 才开始慢慢退出市场。

下面让我们总结一下RAID 3 的特点：注：主轴同步是指阵列中所有硬盘的主轴马达同步(3)RAID-4 等级Independent Data disks with shared Parity disk （独立的数据硬盘与共享的校验硬盘）RAID 3 英文定义是Parallel transfer with parity ，即并行传输及校验。

与之相比，RAID 4 则是一种相对独立的形式，这也是它与RAID 3 的最大不同。

RAID-4 结构图解与RAID 3 相比，我们发现关键之处是把条带改成了“ 块” 。

即RAID 4 是按数据块为单位存储的，那么数据块应该怎么理解呢？简单的话，一个数据块是一个完整的数据集合，比如一个文件就是一个典型的数据块。

当然，对于硬盘的读取，一个数据块并不是一个文件，而是由操作系统所决定的，这就是我们熟悉的簇（Cluster ）。

RAID 4 这样按块存储可以保证块的完整，不受因分条带存储在其他硬盘上而可能产生的不利影响（比如当其他多个硬盘损坏时，数据就完了）。