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一文读懂 ZFS RAIDZ：深度解析 RAIDZ 类型、模式、配置和应用场景

news 2025/7/19 3:20:30

ZFS（Zettabyte File System）是一个功能强大的文件系统和卷管理器，旨在简化数据管理，同时提供高可靠性、可扩展性和性能。ZFS 的核心是一个独特的体系结构，它结合了数据完整性验证、存储池和高效快照等高级功能。使 ZFS 如此通用的关键组件之一是它对各种 RAID 配置的内置支持。

RAID 对于增强 ZFS 存储系统的性能和容错能力方面起着至关重要的作用。无论您是针对速度、数据冗余还是两者的组合进行优化，都需要了解不同 ZFS RAID 级别和类型，这对于确定存储基础架构至关重要。

本文全面概述了 ZFS RAID 配置，探讨了各种配置以满足各种存储需求。

一、ZFS RAID 类型

二、不同 ZFS RAID 级别之间的比较

三、RAID-Z 与传统 RAID 的区别

四、ZFS RAID 配置

五、ZFS RAID 模式介绍

六、RAID-Z 性能注意事项

七、结论

一、ZFS RAID 类型

ZFS 提供了多种 RAID 配置，这些配置以不同的方式平衡性能、冗余和存储效率。了解每种类型的具体优点和限制，可以帮助管理员根据其独特的存储要求做出正确的选择。以下是主要 ZFS RAID 类型的详细分类：RAID-Z1、RAID-Z2 和 RAID-Z3。

1、RAID-Z1（单奇偶校验）

ZFS 中的 RAID-Z1 相当于传统 RAID 5，通过奇偶校验提供单磁盘容错能力。在此配置中，RAID 阵列中的一个磁盘专用于存储奇偶校验信息，允许系统在单个磁盘发生故障时重建数据。RAID-Z1 是一种经济高效的解决方案，适用于寻求存储效率和冗余之间平衡的用户。

RAID-Z1的优点和利弊：

RAID-Z1 最显著的优势是它能够以最小的开销提供冗余。RAID-Z1 仅牺牲单个磁盘的容量来实现奇偶校验，从而最大限度地利用池中的可用存储空间。对于优先考虑存储容量的用户来讲，RAID-Z1 成了有吸引力的选择。此外，ZFS 固有的校验和计算和自我修复功能增强了数据完整性，超越了传统 RAID 5 配置中提供的功能。

但是，RAID-Z1 带来了一些值得注意的权衡。主要缺点之一是它容易受到多个磁盘故障的影响。如果多个驱动器同时发生故障，阵列将无法恢复，从而导致潜在的数据丢失。这种风险会随着磁盘大小的增加而增加，因为重建时间可能需要更长的时间，从而增加在此过程中发生第二次失败的可能性。由于计算和写入奇偶校验的开销，RAID-Z1 的写入性能也可能较慢，尤其是在写入密集型工作负载下。

使用案例和场景：

RAID-Z1 非常适合需要适度数据保护但又不能牺牲太多存储容量的小型家庭实验室、媒体服务器或小型企业。它非常适合多个驱动器同时发生故障的可能性较低且受预算限制需要最大限度地提高存储效率的环境。典型使用案例包括备份媒体库、通用文件存储和中低 I/O 操作。

2、RAID-Z2（双奇偶校验）

RAID-Z2 是 RAID 6 的 ZFS 版本，提供双重奇偶校验保护。这意味着该阵列可以容忍多达两个驱动器的故障，而不会有数据丢失的风险。与 RAID-Z1 相比，RAID-Z2 提供了更高的安全级别，使其适用于数据完整性至关重要的环境。

使用 RAID-Z2 增强数据保护：

RAID-Z2 的主要优势是它能够同时处理两个驱动器故障，从而显著降低数据丢失的风险。由于现代硬盘驱动器的大小不断增加，数据重建可能需要很长时间。拥有双重奇偶校验的安全网可确保您的数据保持安全，即使在重建过程中另一个磁盘发生故障。额外的奇偶校验还增加了一层保护，防止位衰减和数据损坏。

但是，这种额外保护的代价是可用存储空间的减少，因为为奇偶校验分配了两个磁盘。这使得 RAID-Z2 在原始存储容量方面的效率略低于 RAID-Z1。与单奇偶校验 RAID-Z1 相比，对写入性能的影响也较小，因为系统需要计算和写入两组奇偶校验数据。

RAID-Z2 的理想环境：

RAID-Z2 非常适合注重数据完整性且必须最大限度地减少停机时间的中型到大型存储环境。这可能包括企业数据中心、研究机构或任何需要高可用性和可靠存储的企业。它特别适用于具有 6 个或更多驱动器的设置，其中多个驱动器故障的风险增加，并且对双奇偶校验的需求变得更加迫切。

典型方案包括具有虚拟机、大型数据库或媒体制作管道的环境，其中性能和数据冗余同样重要。对于这些情况，RAID-Z2 在容错和存储效率之间取得了很好的平衡。

3、RAID-Z3（三重奇偶校验）

RAID-Z3 通过提供三重奇偶校验，在 ZFS RAID 配置中提供最高级别的冗余，使系统能够容忍最多同时出现三个驱动器故障。这种级别的保护是无与伦比的，可确保即使在最灾难性的硬件故障中也能保持数据安全。

RAID-Z3 的终极冗余

RAID-Z3 的突出特点是它能够保护数据免受三个驱动器故障的影响。这使其成为任务关键型环境的首选，在这些环境中，数据丢失是完全不可接受的，并且必须将任何停机或数据损坏的风险降至最低。例如，在具有大量磁盘的高密度存储设置中，驱动器故障的可能性更大，RAID-Z3 让您高枕无忧，因为没有单点硬件故障会危及数据的完整性。

虽然 RAID-Z3 提供了卓越的数据保护，但它以牺牲存储效率和性能为代价。阵列中的三个磁盘专用于奇偶校验，这可以显著减少较小设置中的可用存储空间。此外，计算三重奇偶校验的过程可能会减慢写入操作的速度，从而使 RAID-Z3 不太适合性能是重中之重的环境。

平衡性能与容量

RAID-Z3 最适合用于数据保护远比性能或原始存储容量更关键的场景。它通常用于具有多个驱动器的环境，在这些环境中，多个同时发生故障的可能性更高。例如大规模存档存储、灾难恢复系统以及医疗保健或金融等数据密集型行业，在这些行业中，数据丢失可能是灾难性的。

处理敏感数据、长期存储需求或具有不可预测的磁盘磨损和故障率的环境的组织可以选择 RAID-Z3 来确保最大的数据可用性和冗余。但是，用户必须权衡性能和存储容量与此级别保护的需求。

二、不同 ZFS RAID 级别之间的比较

RAID-Z1 与 RAID-Z2 与 RAID-Z3

在 RAID-Z1、RAID-Z2 和 RAID-Z3 之间进行选择时，必须了解它们在性能、数据保护和存储效率方面的差异。

性能

RAID-Z1 具有单奇偶校验配置，在三个选项中提供最佳的写入性能。这是因为只需要计算一个奇偶校验块并将其写入数组。另一方面，RAID-Z2 和 RAID-Z3 需要更多时间来计算和存储额外的奇偶校验块，这会导致写入性能随着奇偶校验复杂性的增加而下降。与 RAID-Z1 相比，具有双重奇偶校验的 RAID-Z2 的性能下降适中，而具有三奇偶校验的 RAID-Z3 在写入速度方面的开销最高。

在读取密集型环境中，所有三种配置都提供了相当的性能，因为 ZFS 可以从现有驱动器和奇偶校验块中快速重建数据。但是，在具有密集写入操作的环境中，写入的细微性能差异可能会变得明显。

数据保护

数据保护是这些 RAID 级别之间的真正区别所在。RAID-Z1 提供针对单个磁盘故障的保护，这在具有大型驱动器或许多磁盘的环境中可能不够，因为在重建过程中发生第二次故障的风险更高。RAID-Z2 通过容忍两个驱动器的丢失来显著增强数据保护，使其成为关键应用程序或更大阵列的更可靠选择。RAID-Z3 通过允许最多三个同时发生磁盘故障来提供最高级别的容错能力，从而在数据丢失可能造成严重后果的环境中让您高枕无忧。

此保护级别的权衡是奇偶校验开销增加，从 RAID-Z1 增加到 RAID-Z3。随着冗余的增加，可用存储空间量会减少，因为专用于奇偶校验的磁盘数量较多。

存储效率

存储效率是指可用存储空间与阵列总容量的比率。RAID-Z1 提供最高的存储效率，因为只有一个磁盘用于奇偶校验。相比之下，RAID-Z2 和 RAID-Z3 牺牲了更多的存储容量来提高冗余，而 RAID-Z3 将最多的空间用于奇偶校验。RAID-Z1 提供了最高效的磁盘空间使用，而 RAID-Z2 和 RAID-Z3 提供了更好的容错能力，对于优先考虑数据保护的用户来说，这可能比存储问题更重要。

总结：

RAID-Z1：最佳性能和存储效率，中等数据保护（1 个驱动器故障）。
RAID-Z2：在性能、保护和存储效率之间取得平衡（2 个驱动器故障）。
RAID-Z3：最大程度的数据保护，但性能和存储效率降低（3 个驱动器故障）。

三、RAID-Z 与传统 RAID 的区别

虽然 RAID-Z 和传统 RAID 配置（如 RAID 5 和 RAID 6）在使用奇偶校验进行数据保护方面具有相似之处，但在功能和架构方面存在一些关键差异，这使它们与众不同。

功能和架构的主要区别：

动态条带宽度：传统的 RAID 阵列（如 RAID 5 或 RAID 6）在磁盘上使用固定大小的条带。相比之下，RAID-Z 使用动态条带宽度，这意味着 ZFS 根据正在写入的块数调整条带大小。这消除了“RAID 写入漏洞”问题，该问题可能导致传统 RAID 在电源故障或崩溃期间数据损坏，使 RAID-Z 成为更具弹性的选择。
写时复制：ZFS 的写时复制机制确保数据永远不会被就地覆盖。相反，新数据将写入其他位置，并且只有在写入完成后，元数据才会更新为指向新位置。此过程提供了传统 RAID 系统所缺乏的额外数据保护层，因为它可以最大限度地降低在意外事件（如停电）期间数据损坏的风险。
自我修复：RAID-Z 最显着的优势之一是它能够通过其校验和功能检测和纠正静默数据损坏。ZFS 中的每个块都经过校验和计算，在读取过程中，ZFS 会验证这些校验和以确保数据完整性。如果检测到损坏，ZFS 会自动修复奇偶校验中的数据。传统的 RAID 系统不具备这种自我修复功能，因此随着时间的推移，它们更容易受到数据损坏的影响。
压缩和重复数据删除：ZFS 提供对压缩和重复数据删除等功能的内置支持，这有助于最大限度地提高存储效率并减少磁盘使用量。传统的 RAID 系统通常缺乏这些高级功能，需要第三方工具或单独的文件系统才能获得相同的好处。
快照和克隆：ZFS 包括快照和克隆等高级功能，这些功能允许用户创建数据的时间点副本，而无需占用太多额外空间。传统的 RAID 系统本身不支持这些功能，通常需要复杂的软件解决方案才能实现类似的功能。

四、ZFS RAID 配置

1、带有 VDEV（虚拟设备）的 RAID-Z

在 ZFS 中，虚拟设备（Virtual Device, 简称 VDEV）是存储池的基本构造单位。VDEV 是通过对物理磁盘进行分组创建的，这些 VDEV 可以合并到 ZFS 存储池中。每个 VDEV 都可以作为 RAID-Z1、RAID-Z2 或 RAID-Z3 配置运行，具体取决于所需的冗余和容错级别。VDEV 的设计和灵活性使 ZFS 用户能够优化性能、冗余和容量。

如何使用 VDEV 创建 ZFS 池

使用 VDEV 创建 ZFS 存储池的过程很简单。要创建池，需要将多个物理磁盘分组到一个 VDEV 中，并且可以将多个 VDEV 组合成一个更大的 ZFS 池。添加更多磁盘时，它们被组织到新的 VDEV 中，然后可以将其添加到池中进行扩展。

以下是如何使用 RAID-Z1 创建包含一组四个磁盘的 ZFS 池的示例：

zpool create pool_name raidz /dev/sda /dev/sdb /dev/sdc /dev/sdd

在此示例中，ZFS 使用四个指定的磁盘在 RAID-Z1 配置中创建名为 “pool_name” 的池。为了增加冗余，可以将命令更改为 raidz2 或 raidz3，选择 RAID-Z2 或 RAID-Z3 配置类型。

VDEV 配置的最佳实践

保持平衡：池中的每个 VDEV 应包含相同数量的磁盘，因为不平衡的 VDEV 会导致数据分布不均匀，从而导致性能瓶颈。
考虑将来的扩展：在规划 ZFS 池时，请确保可以通过添加新的 VDEV 来扩展池。在 ZFS 中是无法通过向现有 VDEV 添加单个磁盘来扩展存储池的。
选择合适的 RAID 级别：根据您的存储需求选择 RAID-Z1、RAID-Z2 或 RAID-Z3，平衡性能、容错能力和容量。
使用镜像提高性能：对于更高的 IOPS（每秒输入/输出操作），使用镜像 VDEV 而不是 RAID-Z 可以提高读取和写入性能，尤其是在高需求环境中。

2、嵌套 RAID 配置：RAID10、RAID50 和 RAID60

ZFS 支持嵌套 RAID 配置，其中多种 RAID 类型组合在一起以提供冗余和性能优势。RAID10、RAID50 和 RAID60 等嵌套 RAID 配置将条带化（用于性能）与奇偶校验（用于冗余）相结合，提供两全其美的效果。

结合条带化和奇偶校验

嵌套 RAID 配置使用条带化（RAID 0）和奇偶校验 RAID 级别（RAID-Z）的组合来提高速度和容错能力。

RAID 10（条带化镜像）：RAID10 将 RAID 0（条带化）与 RAID 1（镜像）相结合，以实现出色的性能和冗余。在 ZFS 中，可以使用条带化在一起的镜像 VDEV 来创建 RAID10，从而确保高速读写操作。RAID10 可以承受多个驱动器的故障，只要它们不属于同一个镜像。
RAID 50（条带化 RAID-Z1）：RAID50 将条带化与 RAID-Z1 相结合，其中多个 RAID-Z1 VDEV 条带化在一起。此配置通过在 VDEV 之间分布数据来提高性能，同时在每个 VDEV 中保持单磁盘容错能力。对于需要更好的性能但愿意牺牲一些冗余来换取速度的用户来说，RAID50 是一个很好的选择。
RAID 60（条带化 RAID-Z2）：RAID60 是一种条带化 RAID-Z2 配置，其中数据跨多个 VDEV 条带化，每个 VDEV 都配置了 RAID-Z2。此配置提供高容错能力（每个 VDEV 最多两个磁盘故障），同时受益于跨 VDEV 条带化的性能改进。RAID60 适用于性能和强大冗余都至关重要的大型企业环境。

每种配置的用例

RAID 10：非常适合需要快速数据访问和冗余的高性能环境，例如数据库或虚拟化工作负载。RAID10 在读取密集型场景中特别有效。
RAID 50：非常适合需要平衡性能和冗余的工作负载，例如需要快速写入和访问大量数据的媒体制作环境，但一定程度的容错能力仍然是必不可少的。
RAID 60：最适合具有大量存储需求、高可用性和容错能力至关重要的大型企业设置，例如数据中心、云服务提供商或科研机构。RAID60 可确保将数据丢失风险降至最低，同时在多个 VDEV 之间提供出色的读/写性能。

这些 ZFS RAID 配置允许用户根据其特定需求定制其存储架构，从而灵活地优先考虑性能、冗余或两者兼而有之。通过将条带化与 RAID-Z 级别相结合，ZFS 使用户能够有效地扩展其存储，同时保持强大的数据保护。

五、ZFS RAID 模式介绍

1、条带化（RAID0）VDEV

条带化 VDEV（也称为 RAID 0）通过在多个磁盘之间并行分配数据来提供最高性能。在这种配置中，数据被分成块并写入 VDEV 中的所有可用磁盘，从而实现极快的读写速度。然而，条带化 VDEV 的主要缺点是完全缺乏冗余，这使得它们在数据保护至关重要的环境中成为一个有风险的选择。

最高性能，最小冗余

条带化 VDEV 在吞吐量方面提供最佳性能，因为工作负载分布在所有驱动器上。这使得它们非常适合需要高速访问数据的场景，例如视频编辑、大规模数据处理或缓存操作。但是，权衡是没有容错。如果阵列中的一个磁盘发生故障，该 VDEV 中的所有数据都会丢失，因为没有奇偶校验或镜像来重建丢失的数据。

在 ZFS 中，条带化 VDEV 通常用于性能至关重要且用户愿意接受潜在数据丢失风险的情况。条带化 VDEV 可以是包含其他冗余 VDEV 的较大池配置的一部分，但单独使用它们并不能提供任何形式的数据保护。

2、镜像 VDEV

镜像 VDEV 的功能类似于 RAID 1，涉及在两个或多个磁盘之间复制相同的数据。这种镜像可确保在一个磁盘发生故障时，仍然可以从其他磁盘访问数据，从而提供高级别的容错能力。镜像 VDEV 可以在多个磁盘故障中幸存下来，只要不是数据的所有镜像副本都丢失了。

镜像实现数据弹性

镜像 VDEV 的主要优势在于它们能够提供强大的数据保护，而无需复杂的奇偶校验计算。当镜像对中的磁盘发生故障时，系统通过从剩余的镜像副本中读取数据来继续无缝运行，从而确保将停机时间或数据丢失降至最低。此外，镜像 VDEV 提供更快的读取速度，因为 ZFS 可以同时从任何镜像磁盘读取数据，从而提高读取密集型环境中的性能。

镜像 VDEV 通常用于数据完整性至关重要的环境，例如数据库存储、虚拟机或关键业务应用程序。它们提供了一种简单的方法来实现冗余，同时保持良好的性能，特别是对于随机读取工作负载。

性能权衡

虽然镜像 VDEV 提供出色的读取性能，但它们确实需要做出一定的权衡，尤其是在写入性能和存储效率方面。每个写入操作都必须在所有镜像磁盘之间复制，与条带化配置相比，这可能会导致写入速度变慢。此外，镜像 VDEV 的存储效率不高 — 只有总磁盘容量的一半（或更少，取决于镜像的数量）可用，因为其余部分是为镜像数据保留的。

六、RAID-Z 性能注意事项

对于 RAID-Z，性能在很大程度上受到奇偶校验数据管理的影响。当数据跨驱动器写入时，会计算并分发奇偶校验块，以防止驱动器故障。此过程虽然对于冗余至关重要，但可能会影响整体写入速度，尤其是在 RAID-Z 配置的复杂性从 RAID-Z1 增加到 RAID-Z3 时。

奇偶校验如何影响写入速度

在 RAID-Z 中，需要计算的奇偶校验块越多，对写入性能的影响就越大。以下是奇偶校验如何影响每个 RAID-Z 级别：

RAID-Z1 （单奇偶校验）：此配置引入了适度的开销，因为只需要为每个数据条带写入一个奇偶校验块。写入速度通常是可以接受的，但与条带化（RAID 0）配置相比，计算和写入奇偶校验的过程仍然会减慢速度。
RAID-Z2（双奇偶校验）：使用 RAID-Z2 时，将为每个条带写入两个奇偶校验块，从而导致写入速度进一步降低。这种双奇偶校验提供了更高的冗余，但增加了更大的性能影响，尤其是在写入密集型操作期间。
RAID-Z3（三重奇偶校验）：RAID-Z3 通过为每个条带写入三个奇偶校验块来增加更多开销，从而导致三种配置中写入性能最慢。但是，在数据保护是最高优先级的环境中（例如任务关键型应用程序），这种权衡可能是值得的。

虽然读取性能在 RAID-Z 配置中保持相对稳定，但随着计算和写入的奇偶校验增加，写入性能会受到影响。

优化性能与冗余

在 RAID-Z 配置中，在性能和冗余之间取得适当的平衡至关重要，因为不同的环境具有不同的优先级。

选择正确的 RAID-Z 级别：对于性能比最大冗余更重要的环境，RAID-Z1 在可接受的写入速度和容错能力之间提供了良好的平衡。RAID-Z2 提供了更强大的安全网，同时仍保持合理的性能，使其成为对数据保护有中等需求的企业的热门选择。RAID-Z3 最适合用于无法接受停机或数据丢失的环境，尽管其性能成本较高。
使用镜像提高性能：在性能至关重要的环境中，请考虑使用镜像 VDEV 而不是 RAID-Z 配置。镜像设置可提供出色的读取性能，但会降低存储效率。对于写入密集型应用程序，镜像 VDEV 和一些 RAID-Z 配置的组合可能是一个很好的折衷方案。
启用压缩：ZFS 的内置压缩可以减少写入磁盘的数据量，有效提高写入速度，同时节省存储空间。压缩减少了需要写入的块数，包括奇偶校验块，这可以显著提高某些工作负载的性能。
优化 VDEV 配置：将工作负载分散到多个 VDEV 中有助于分配 I/O 操作，减少瓶颈并提高整体性能。池中的 VDEV 越多，可以处理的并行操作就越多，从而全面获得更好的性能。

通过了解奇偶校验对写入性能的影响，并在配置RAID-Z设置时牢记这些注意事项，可以为您的特定存储环境实现性能和冗余的最佳组合。