RAID在数据库存储上的应用

 

随着单块磁盘在数据安全、性能、容量上呈现出的局限，磁盘阵列（Redundant Arrays of Inexpensive/Independent Disks，RAID）出现了，RAID把多块独立的磁盘按不同的方式组合起来，形成一个磁盘组，以获得比单块磁盘更高的数据安全、性能、容量。

一. 常见的RAID 级别
RAID有RAID0~RAID7几种级别，另外还有一些复合的RAID模式，比如：RAID10、RAID01、RAID50、RAID53。

常用的RAID模式有RAID0、RAID1、RAID5、RAID10。

1. RAID0
RAID0也就是常说的数据条带化(Data Stripping)，数据被分散存放在阵列中的各个物理磁盘上，需要2块及以上的硬盘，成本低，性能和容量随硬盘数递增，在所有的RAID级别中，RAID 0的速度是最快的，但是RAID 0没有提供冗余或错误修复能力，如果一个磁盘（物理）损坏，则所有的数据都无法使用。

对于有容灾模式的RAID阵列，某块磁盘损坏时，只要换上新的硬盘即可，阵列系统会自动同步数据到新的硬盘。(不支持热插拔的话，需要先关机再开机)

 

2. RAID1
RAID1也就是常说的数据镜像(Data Mirroring)，2块及以上的硬盘(偶数个)，被分为2组，数据在每组磁盘中各有一份，若其中一组有磁盘损坏，另一组可以保证数据访问不会中断。RAID1同RAID0一样，有很好的读取速度，但是写的速度，有所下降。

3. RAID5
RAID 5 是一种数据安全、性能、容量、成本、可行性都相对兼顾的解决方案，正因此，类似的RAID2、RAID3、RAID4、RAID6很少得以实际应用。
RAID5需要3块及以上的硬盘， 它不是对存储的数据直接进行备份，而是把数据和相对应的奇偶校验信息存储到组成阵列的各个磁盘上，简单来说就是：任意坏掉一块盘时，另外的N-1块盘可以利用奇偶校验信息，把这块坏掉的磁盘上的数据恢复出来。
RAID 5可以理解为是RAID 0和RAID 1的折衷方案，有和RAID 0相近似的数据读取速度，有比RAID1低的容灾能力(RAID5只允许一块磁盘损坏)，因为多了奇偶校验信息，写入数据的速度比RAID1慢。

 

4. RAID10
RAID10，名称上便可以看出是RAID0与RAID1的结合体，显然需要至少4块磁盘。不过，先RAID0后RAID1，还是先RAID1后RAID0，是不一样的。

RAID01，是先做RAID0，然后对2组RAID0再做RAID1，假设此时某个RAID0坏掉一块磁盘，这个RAID0随即不可用，所有的IO全部指向剩下的那个RAID0；

RAID10，是先做RAID1，然后对2组RAID1再做RAID0，假设此时某个RAID1坏掉一块磁盘，当前RAID1仍然能提供服务，并且另一个RAID1也同时可以坏掉一块磁盘。

所以，我们通常选择RAID10，而不是RAID01。

5. 不同RAID级别的读写性能
假设都用4块磁盘，RAID0，RAID1，RAID5，RAID10在多线程/多CPU情况下，都可以同时读取多块磁盘，读的性能都很不错；
写的性能(IOPS)依次递减，大致是：RAID0 > RAID10 > RAID1 > RAID5。

二. RAID的空间计算
在做RAID时，通常选择统一规格的磁盘，如果真的有不同空间大小、不同读写速度的磁盘，阵列系统会以空间小、速度低的为标准，空间大、速度高的磁盘向下兼容。比如：100G，50G的2块磁盘做RAID0，得到的空间为50G*2 = 100G。

RAID的空间计算公式：
RAID0的空间：Disk Size * N
RAID1的空间：(Disk Size * N)/2
RAID5的空间：((N-1)/N) * (Disk Size * N) = (N-1) * Disk Size
RAID10的空间：(Disk Size * N/2)/2 + (Disk Size * N/2)/2 = (Disk Size * N)/2

假设都用4块磁盘，每块磁盘都为100G
RAID0的空间：100G * 4 = 400G
RAID1的空间：(100G * 4)/2 = 200G
RAID5的空间：(4-1) * 100G = 300G
RAID10的空间： (100G * 4)/2 = 200G

 

三. RAID的IOPS计算
1. 单块硬盘的IOPS是固定的
关于单块磁盘IOPS的计算，在” 0. 磁盘读写与数据库的关系”中有详细的方法，但通常这个值是相对固定的，不需要重复计算，参考如下：

可以发现，同样转数，不同型号的单块磁盘，IOPS都维持在一个类似的数量级。

2. RAID的IOPS计算
有了单块磁盘的IOPS，那么多块磁盘的IOPS计算就很简单了，比如，对于RAID0或者单纯串联磁盘(JBOD: just a bunch of disks)的存储来说，10块175 IOPS的磁盘的总IOPS就是10*175 = 1750 IOPS。
但是对于其他RAID级别并不是这样，因为RAID有多次写IO的开销存在，简单来说就是：对RAID发起一次写IO，RAID内部会有不止一次的写IO发生，RAID内部的IO开销如下：

从图中得到公式：用户读IO+N*用户写IO = 总IOPS (N就是RAID内部的IO开销次数)

假设用户读写请求各一半(50%)，同样还是以10块175 IOPS的磁盘为例：
50% * 用户总IO请求数 + N * (50% * 用户总IO请求数) = 175 IOPS * 10

以RAID1为例，那么N = 2，上式变为：1.5 *用户总IO请求数 = 1750 IOPS
用户总IO请求数 = 1167 IOPS 
这就是10块175 IOPS的磁盘做了RAID1，所能提供的IOPS。

3. RAID的IOPS计算在现实中的应用
在实际使用中，我们通常不是计算现有RAID的IOPS，而是反过来：选择好磁盘规格，RAID模式，测试出系统的读写比例，系统需要达到的IOPS，然后看看，需要多少块硬盘来完成阵列，才能达到这样的IOPS需求？

假设：选择了175 IOPS的磁盘，做RAID1，系统读写比例为60%:40%，系统需要达到2000 IOPS
问：要配置多少块这样规格的硬盘？

把上面的公式改为通用公式：
reads * Workload_IOPS + writes_impact * (writes * Workload_IOPS) = 175 * M
60% * 2000 + 2 * (40% * 2000) = 175 * M
M = 16 (也就是说，要达到指定的2000 IOPS，RAID1需要配置16块175 IOPS的磁盘)

可能有人会觉得，系统的读写请求比例，系统需要达到多少IOPS，并不知道，如果没有前期测试的话，那么只能根据经验来估测了。

四. RAID在数据库存储上的应用
以SQL Server数据库为例，看下不同的RAID级别适用于什么场景：
RAID0，由于没有容灾机制，很少被单独使用。
有人提到过tempdb可以放在RAID0，因为tempdb不用担心丢数据，事实上tempdb故障了，SQL Server是不能正常运行的，所以这么做是不推荐的，建议把tempdb当成用户数据库来对待；

RAID1，操作系统、SQL Server实例、日志文件；
RAID5，数据文件，备份文件；
RAID10，所有类型都适用，不过考虑成本，通常不会全部使用RAID10。