為什麼一顆硬碟永遠不夠
到現在你已經知道單一一顆硬碟的兩個硬事實。從本階段前面幾篇，一顆硬碟慢得令人心痛，因為每次存取都要付搜尋與旋轉，而它坐在儲存階層又慢又遙遠的底端。而從日常經驗，硬碟是個機械物，終究會壞——軸承磨損、磁頭撞毀，一顆快閃硬碟會耗盡它的抹除週期。所以單一一顆硬碟一次給你兩個分開的問題：它太慢，而且它是一個單點故障，一次死亡就把你所有的資料一起帶走。
RAID——獨立磁碟冗餘陣列（Redundant Array of Independent Disks）——是一個簡單而有力的點子：把好幾顆便宜的硬碟綁在一起，向作業系統呈現成一顆又快又耐操的硬碟。竅門在於有了多顆硬碟，你能做到兩件用一顆永遠做不到的事：把工作分攤到各顆硬碟上，讓讀與寫並行發生（更快），以及把某些資料存兩份、或存額外的檢查資訊，好讓一顆壞掉的硬碟能從倖存者身上重建回來（更安全）。幾乎每一種 RAID 設計都是某個用來換取速度、安全、或兩者的配方——而全部的學問就在它們之間的取捨。
分散與鏡像：兩招原始動作
從兩招基本動作開始；每一個有名字的 RAID 層級都由它們搭成。分散（striping，RAID 0）把你的資料切成固定大小的小塊，再把連續的小塊輪流鋪到各顆硬碟上——第 0 塊在 A 碟、第 1 塊在 B 碟、第 2 塊在 C 碟、第 3 塊回到 A 碟，依此類推。如今一次橫跨好幾塊的大讀或大寫會同時打中所有硬碟，所以有 N 顆硬碟，你每秒能搬動的資料量大約是 N 倍。這是純粹的速度與純粹的容量：每顆硬碟的每一個位元組都裝著你的資料，毫無浪費。但它的冗餘是零——恰恰與那個 R 所代表的相反。任何一顆硬碟死掉，就會在每個檔案裡戳出一個個破洞，整個陣列也就完了。把資料分散到 N 顆硬碟上，丟失資料的機率其實是一顆硬碟的 N 倍，因為 N 顆裡的任何一顆都能要它的命。
鏡像（mirroring，RAID 1）是相反的直覺：保留兩份完整副本，兩顆硬碟各一份，同步寫入。如今單一一顆硬碟失效對你毫無代價——作業系統就從倖存者那邊讀，你再從容地換掉壞掉的那顆。讀取甚至可以快一點，因為任一份副本都能服務一個請求。代價直白而無可迴避：你付兩顆硬碟的錢，卻只拿到一顆的容量。你花一半的錢買的是安全，不是空間。鏡像是最簡單、最值得信賴的冗餘，當資料珍貴、而你又沒有很多顆硬碟時，它至今仍是對的選擇。
於是這兩招原始動作圈出了兩個極端。分散全是速度與容量、毫無安全；鏡像全是安全、卻用掉一半容量作為代價。有意思的 RAID 層級活在兩者之間，而它們抵達那裡靠的是一個漂亮的把戲，讓你只花一顆額外硬碟的代價、而非把一切加倍，就得到冗餘：同位（parity）。
同位：便宜的冗餘
同位是那種你親手做過一次之後就覺得理所當然、做之前卻像魔術的點子。核心運算是 XOR（互斥或），它有一個我們利用的性質：把所有東西 XOR 在一起做出一個同位區塊，之後你就能靠把其餘全部 XOR 起來，救回任何一個遺失的區塊。這跟學校裡的把戲是同一套算術——若你知道 a + b + c = 17，而有人把 b 擦掉了，你能救回 b，因為你知道 a、c 和總和。同位就是那個總和，逐位元算出來的。最貼近日常的感受方式：在資料位元加上同位位元之中，1 的個數永遠是偶數，所以若某個位元不見了，你就知道它原本必須是什麼才能讓個數保持偶數。
Three data disks + one parity disk. P = D0 XOR D1 XOR D2
bit pattern (one column) count of 1s
D0: 1 \
D1: 0 | data
D2: 1 /
P : 0 (= 1 XOR 0 XOR 1) total is even
Disk D1 dies. Rebuild it from the survivors:
D1 = D0 XOR D2 XOR P = 1 XOR 1 XOR 0 = 0 <- recovered!這就是 RAID 5 的核心：把資料分散到 N 顆硬碟上換取速度，並在每一條條帶（stripe）上撥出一顆硬碟份量的空間放那條條帶的同位——但讓哪一顆硬碟放同位逐條帶輪替，這樣就沒有單一一顆硬碟變成寫入瓶頸。有 N 顆硬碟，你得到 N 減 1 顆的容量（不管你有幾顆，只有一顆份量「賠」給同位）、完整的分散讀取速度，並能在任何一顆硬碟死掉時存活。這是個美妙的交易：用鏡像的保護、卻只花鏡像的一小部分成本。RAID 6 老實地再往前一步——每條條帶放兩個獨立的同位區塊——所以它能在任何兩顆硬碟同時失效時存活，代價是兩顆硬碟份量的容量。請記住為什麼有人會想要在第二次失效時存活；那正是最後一節的全部重點。
取捨對照表，以及代價藏在哪裡
我們把常見的層級並排釘住，讓取捨變得具體，想像四顆 1 TB 的硬碟。RAID 0（分散）：可用 4 TB，最快，零次失效都撐不住。RAID 1（鏡像，作為兩對、或一個大鏡像）：可用 2 TB，每個鏡像能撐一次失效，簡單可靠。RAID 5（分散 ＋ 一份同位）：可用 3 TB，撐得住一次失效，全能的多面手。RAID 6（分散 ＋ 兩份同位）：可用 2 TB，撐得住任何兩次失效，大型陣列的選擇。RAID 10（先鏡像、再把鏡像分散）：可用 2 TB，又快又耐操，當你付得起硬碟時的最愛。注意那個放諸四海皆準的型態：更多安全要嘛用容量、要嘛用寫入速度來換，從來不是免費的。
同位在寫入時也不是免費的，這是 RAID 5 與 6 老實的陷阱。要改一個區塊，陣列不能直接覆蓋它——否則整條條帶的同位就會錯。它必須讀出舊的資料區塊與舊的同位、算出新的同位，再把資料和同位都寫回去：一次小寫入大約是「讀—讀—寫—寫」。這個小寫入懲罰正是為什麼一個忙著做許多細碎散亂寫入的資料庫，常常偏好 RAID 10（就兩次單純的寫入，沒有同位運算），即便它讓出更多容量。作業系統用它對付慢硬碟一貫的方式來緩解這一擊——把寫入成批，讓就定位的代價攤提——但它無法讓同位的算術消失。
沒人提的重建難題
這是宣傳手冊跳過的部分，也是這篇之所以取這個名字的原因。「能撐住一顆硬碟失效」聽起來像終點線，但它其實是陣列一生中最危險那段時間的起點。當 RAID 5 裡一顆硬碟死掉，你現在是在沒有冗餘的狀態下運行——本來保護你的同位，正被花在掩蓋那顆消失的硬碟上。你插進一顆全新的硬碟，陣列開始重建（rebuild）：它必須讀過每一顆倖存硬碟上的每一個區塊，把它們 XOR 起來，將死掉硬碟的內容重組到新硬碟上。在這完成之前，再多一次失效就會失去一切。
- 一顆硬碟失效。陣列進入降級（degraded）狀態：它仍然供應資料，但是靠即時重組那顆消失硬碟的區塊來供應，所以它變慢，而且再無任何安全餘裕。
- 你換掉死掉的硬碟。重建開始，必須讀過每一顆倖存硬碟的每一個區塊，去重算那顆遺失的——這是對整個陣列一次完整、持續不斷的掃描。
- 在大容量硬碟上，那次掃描要花很久。以硬碟速度複製 8 TB 份量的資料要跑上許多小時、有時超過一天——而這段期間整個陣列都毫無保護。
- 在那些小時裡，每一顆倖存硬碟都在重負之下被從頭讀到尾——這恰恰是最可能讓第二顆虛弱硬碟現形、或讓某個閒置時悄悄腐爛的不可讀磁區現形的壓力。
有兩件事讓這真正可怕，而且兩者都隨著硬碟變大而變糟。第一，陣列裡的硬碟通常是同一批、同一型號，一起買來、操得一樣兇——所以當一顆老死，它的兄弟們在統計上也蓄勢待發地準備跟上，而重建那沉重的讀取正好是那一推。第二，硬碟有一個微小但真實的「不可恢復讀取錯誤」機率：某個磁區就是讀不回來。在一次性的讀取裡你永遠不會注意到，但重建必須完美地讀過每一顆倖存硬碟的每一個磁區，而在一個好幾 TB 的陣列上，在那次完整掃描期間哪怕只撞上一個壞磁區的機率，已經不再是可以忽略的了。撞上一個，RAID 5 就無法完成重建——偏偏就在你最需要它的那一刻。
這正是為什麼對大容量的現代硬碟，RAID 6（兩份同位，撐得住兩次失效）和鏡像／RAID 10（重建只讀一顆倖存硬碟，而非整個陣列）超越了單純的 RAID 5。而這把我們直接繞回開頭那則警告：就連 RAID 6 講的也都是在重建期間撐住硬碟的死亡——它對刪除、毀損、火災毫無作為。對儲存，老實工程師的立場是分層的，一如大量儲存設計的通則：依你需要的可用時間、以及你能承受的重建風險來選一個 RAID 層級，並且在別處保留真正的備份，因為冗餘與備份回答的是兩個不同的問題，而誰也不能替代誰。
在固態硬碟上 RAID 還重要嗎？
值得老實地替這個階段收尾，因為 RAID 生於旋轉硬碟的年代，而固態硬碟改變了它的某些算術。冗餘的故事沒變：固態硬碟一樣會死、快閃單元一樣會磨損，所以分散、鏡像、同位保護你的方式和從前一模一樣，而重建難題也一樣真實（甚至可說更尖銳，因為一批壞掉的固態硬碟可能幾乎同時撞上它們的磨損上限）。改變的是速度的故事。單一一顆固態硬碟本就快到，為了原始吞吐量而分散的意義遠不如從前；而且因為固態硬碟沒有搜尋時間，那些讓分散式硬碟發光的、精心安排連續配置的把戲，根本不再以同樣的方式划算。
甚至有一個值得點名的小張力。同位的小寫入懲罰意味著 RAID 5 與 6 會產生額外的寫入，而在快閃記憶體上額外的寫入意味著額外的磨損——正是固態硬碟自家控制器已經在對抗的那個「寫入放大」。所以當預算允許時，現代的直覺在固態硬碟上偏向鏡像或 RAID 10：更簡單、對快閃壽命更溫柔、重建也快得多。這呼應了磁碟排程那篇的教訓——固態硬碟悄悄抽掉了好幾個旋轉硬碟年代聰明把戲的腳。冗餘的點子完整地撐過了這場轉變；偏向速度的那些則大多沒有，因為它們當初對抗的代價已經不在了。
最後，注意 RAID 本質上是什麼：一個抽象。它拿好幾顆有缺陷的實體硬碟，交給作業系統一顆虛擬硬碟——更快、或更安全、或兩者兼具——讓檔案系統可以使用它，而不必知道底下藏著幾顆真正的硬碟，正如邏輯區塊定址在一片雜亂的實體現實之上、交給軟體一個扁平的區塊陣列。那份分層正是這整個階段的深層主題。每一層都把它下面的彆扭藏起來，向上提供一個更乾淨的表面——而每一層抽象的代價，就是它底下那個老實的陷阱，而那恰恰是作業系統工程師被付錢去隨時看著的東西。