物理机支持哪些磁盘模式？

在部署物理服务器时，磁盘存储配置是核心环节之一，直接关系到数据安全、性能表现和运维复杂度，物理机支持的磁盘模式主要有三种：JBOD、RAID 和 直通模式（Pass-Through），理解它们的原理、优缺点和适用场景，对于构建可靠、高效的IT基础设施至关重要。

JBOD (Just a Bunch Of Disks)

• 原理： 这是最简单的一种模式，物理机上的多个物理磁盘（HDD或SSD）被操作系统识别为一个个独立的、单独的磁盘设备，操作系统（或特定的软件/文件系统）可以将这些独立的磁盘逻辑上串联或合并起来，形成一个更大的、连续的存储空间（例如通过 LVM – Logical Volume Manager 或 Windows 的 Storage Spaces）。
• 优点：
  • 简单易用： 配置和管理都非常直接。
  • 容量利用率高： 所有磁盘的物理容量都可以被充分利用，没有像 RAID 那样的校验开销。
  • 成本最低： 不需要专门的 RAID 控制器（硬件或软件）。
• 缺点：
  • 无冗余： 任何一块磁盘故障，都会导致存储在该磁盘上的数据丢失。 如果使用 LVM/Storage Spaces 等将多个 JBOD 磁盘合并成一个逻辑卷,那么一块物理盘故障可能导致整个逻辑卷的数据丢失。
  • 性能无提升： 没有像 RAID 那样的条带化（Striping）来提升读写性能,读写操作通常只涉及单个磁盘。
  • 可靠性最低： 完全依赖单盘可靠性,整体系统可用性差。
• 适用场景：
  • 对数据安全性要求极低的临时性存储或缓存。
  • 需要最大化利用磁盘容量的非关键应用（如某些下载服务器、归档存储的中间层）。
  • 作为构建更高级软件定义存储（如 Ceph, ZFS）的底层基础磁盘（此时冗余和性能由上层软件提供）。

RAID (Redundant Array of Independent Disks – 独立磁盘冗余阵列)

• 原理： RAID 是一种通过将多个物理磁盘组合成一个或多个逻辑单元（逻辑卷）的技术，主要目的是提供数据冗余（提高可靠性）和/或性能提升，常见的 RAID 级别包括：
  • RAID 0 (条带化 – Striping): 将数据分块并交替写入多个磁盘。优点： 读写性能显著提升（理论上是单盘的 N 倍，N 为磁盘数）。缺点：无任何冗余，任何一块磁盘故障导致整个阵列数据丢失，风险最高。
  • RAID 1 (镜像 – Mirroring): 将相同的数据同时写入两块（或更多）磁盘。优点： 提供高冗余（一块磁盘故障不影响数据可用性，可热插拔更换重建），读取性能可能略有提升。缺点： 磁盘利用率低（50%），写入性能通常等于单盘（需写两份）。
  • RAID 5 (带分布式奇偶校验的条带化): 数据分块条带化写入多块磁盘，同时将奇偶校验信息分布式地存储在所有磁盘上。优点： 兼顾性能（读取快，写入稍慢于 RAID 0）、容量利用率（(N-1)/N，N 为磁盘数）和冗余（允许一块磁盘故障）。缺点： 写入存在“写惩罚”（每次写入需更新数据和校验信息），一块磁盘故障后重建过程漫长且压力大,期间若第二块盘故障则数据全丢。
  • RAID 6 (带双分布式奇偶校验的条带化): 类似 RAID 5，但有两份独立的奇偶校验信息。优点： 允许同时两块磁盘故障，比 RAID 5 更安全。缺点： 写入惩罚更大，容量利用率更低（(N-2)/N）。
  • RAID 10 (RAID 1+0): 先做 RAID 1 镜像对，再将多个镜像对做 RAID 0 条带化。优点： 结合了 RAID 1 的高冗余和 RAID 0 的高性能，重建速度快（只需重建故障盘所在镜像对）。缺点： 磁盘利用率低（50%）,成本高。
  • 其他： RAID 50, RAID 60 等嵌套级别,提供更大规模下的性能与冗余平衡。
• 实现方式：
  • 硬件 RAID： 通过服务器主板集成的 RAID 控制器或独立的 RAID 卡实现，控制器负责所有 RAID 计算和管理，对操作系统透明，性能好，CPU 占用低，支持缓存（带电池或闪存保护）加速写入。
  • 软件 RAID： 由操作系统（如 Linux mdadm, Windows Storage Spaces）或 Hypervisor 实现，依赖服务器 CPU 进行计算，灵活性高（可跨控制器），成本低，性能通常低于硬件 RAID（尤其写入）,且可能受系统负载影响。
• 优点：
  • 数据冗余： 核心价值，提高数据安全性，防止单点故障导致数据丢失和服务中断（除 RAID 0）。
  • 性能提升： 条带化（RAID 0/5/6/10）可显著提升 I/O 吞吐量,满足高负载应用需求。
  • 逻辑简化： 将多个物理盘呈现为一个或多个逻辑卷,便于管理和使用。
• 缺点：
  • 成本： 硬件 RAID 卡有额外成本；软件 RAID 占用 CPU 资源，所有 RAID（除 RAID 0）都有容量损失（用于冗余）。
  • 配置复杂度： 配置和管理比 JBOD 复杂,需要理解不同级别特性。
  • 潜在风险： RAID 并非备份！控制器故障、误操作、多盘故障（尤其 RAID 5）、重建失败等仍可能导致数据丢失，RAID 5/6 重建压力大。
• 适用场景：
  • 核心业务系统数据库： 通常首选 RAID 10（高性能+高冗余）。
  • 虚拟化主机： RAID 10 或 RAID 5/6（取决于预算和性能要求）。
  • 文件服务器/应用服务器： RAID 5/6/10 常见。
  • 需要高性能的场合： RAID 0（非关键数据）或 RAID 10。
  • 需要高可用性的场合： 所有带冗余的 RAID 级别（1,5,6,10）。

直通模式 (Pass-Through / HBA Mode)

• 原理： 在这种模式下，RAID 控制器（通常是硬件 RAID 卡）被配置为仅充当一个简单的“通道”或主机总线适配器（HBA），它不执行任何 RAID 计算或管理功能，而是将连接的每一块物理磁盘直接、独立地呈现给操作系统。
• 优点：
  • 操作系统完全控制： 操作系统（或 Hypervisor）可以直接访问和操控每一块物理磁盘，没有任何中间层抽象，这对于需要底层磁盘访问的高级存储软件（如 VMware vSAN, Microsoft Storage Spaces Direct (S2D), Linux ZFS, Ceph 等）至关重要，这些软件自身实现了更强大的软件定义存储功能（包括冗余、条带化、压缩、去重等）。
  • 避免硬件锁定： 绕过了特定 RAID 控制器的固件和缓存逻辑,降低了硬件依赖性和潜在的兼容性问题。
  • 性能潜力： 消除了硬件 RAID 控制器的潜在瓶颈（尤其对于需要极低延迟的应用），允许软件直接优化 I/O 路径。
• 缺点：
  • 无原生 RAID 功能： 控制器本身不提供任何 RAID 保护,数据冗余和性能提升完全依赖上层软件实现。
  • 依赖软件： 必须配合支持软件定义存储的操作系统或 Hypervisor 使用,配置和管理复杂度转移到了软件层。
  • 可能需特定硬件： 需要 RAID 卡支持切换为 HBA/IT Mode（很多服务器 RAID 卡支持此模式）。
• 适用场景：
  • 构建超融合基础架构 (HCI)： 如 VMware vSAN, Nutanix, S2D 等,这些平台需要直接访问物理磁盘来构建分布式存储。
  • 使用高级文件系统/卷管理器： 如 ZFS（提供强大的数据完整性、快照、压缩、去重和灵活的 RAID-Z 冗余）,需要直接管理物理磁盘。
  • 部署软件定义存储 (SDS) 解决方案： 如 Ceph, GlusterFS 等。
  • 需要操作系统直接管理磁盘的场景： 在 Linux 下使用 mdadm 做纯软件 RAID（此时控制器只需提供直通）。

如何选择合适的磁盘模式？

选择哪种磁盘模式取决于您的核心需求：

1. 数据安全是首要任务？ 避免 JBOD 和 RAID 0，选择带冗余的 RAID（1,5,6,10）或采用直通模式配合提供冗余的上层软件（如 ZFS RAID-Z, vSAN, S2D）。
2. 性能是瓶颈？ 考虑 RAID 0（风险高）、RAID 10（性能与冗余兼顾）或直通模式配合高性能软件栈（如 NVMe over Fabrics + SDS）。
3. 成本敏感且数据不重要？ JBOD 或简单的 RAID 0 可能是选项。
4. 计划使用超融合或高级 SDS？ 直通模式通常是强制要求或强烈推荐。
5. 需要最大灵活性？ 软件 RAID 或直通模式+软件方案提供更多自定义空间。

重要提示

• RAID 不是备份！ 无论选择哪种 RAID 级别，都不能替代定期的、离线的、版本化的备份策略，RAID 主要解决硬件故障导致的服务中断问题，无法防止逻辑错误、干扰、误删除、火灾、洪水等灾难。
• 考虑磁盘类型： SSD 的性能和可靠性特性会影响 RAID 级别的选择（RAID 5/6 的写惩罚在 SSD 上影响相对较小）。
• 监控与维护： 无论选择哪种模式，都需要对磁盘健康状况进行持续监控，及时更换故障磁盘，并定期检查阵列/存储池状态。
• 硬件 RAID 缓存保护： 使用带电池备份单元（BBU）或闪存保护（Flash-Backed Write Cache – FBWC）的硬件 RAID 卡,确保在断电时缓存中的数据不会丢失。

物理机支持的 JBOD、RAID 和直通模式各有千秋，JBOD 简单经济但风险高；RAID 在硬件或软件层面提供成熟的数据保护和性能提升方案，是传统物理服务器的标配；直通模式则是拥抱现代软件定义存储和超融合架构的关键入口，深入理解其原理和适用性，结合您的具体业务需求、数据重要性、性能目标和预算，才能做出最优的磁盘存储架构决策,为您的应用提供坚实可靠的数据基石。

引用说明：

• 本文中关于 RAID 级别的定义、原理和特性，参考了存储网络工业协会（SNIA）的公开文档和知识库中对 RAID 技术的标准描述。
• 关于直通模式（HBA Mode）在超融合和软件定义存储中的应用，参考了主流厂商（如 VMware, Microsoft, Red Hat）vSAN, Storage Spaces Direct, Ceph 等解决方案的官方部署指南和最佳实践文档中对于底层磁盘控制器配置的要求。
• 关于磁盘技术（HDD/SSD）特性对 RAID 选择的影响，综合了业界技术分析报告和存储设备供应商（如 Seagate, Western Digital, Samsung）的白皮书中的相关观点。