磁盘阵列技术白皮书Word文档格式.docx
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对于磁盘失效的保护通过RAID技术已经成功地实现,但RAID阵列降低数据存储费用的目的没有达到,实际上,RAID阵列的价格通常比标准的磁盘驱动器更高一些.
尽管如此,RAID技术确实提供了比通常的磁盘存储更高的性能指标,数据完整性和数据可用性,尤其是在当今面临的I/O总是滞后于CPU性能的瓶颈问题越来越突出的情况下,RAID解决方案能够有效地弥补这个缺口.
1.2SCSI技术
1.2.1概述
SCSI直译为小型计算机系统专用接口（SmallComputerSystemInterface）是一种连结主机和外围设备的接口,支持包括磁盘驱动器,磁带机,光驱,扫描仪在内的多种设备.它由SCSI控制器进行数据操作,SCSI控制器相当于一块小型CPU,有自己的命令集和缓存.要了解SCSI,必须先了解它的类型,以下是STA（SCSITradeAssociation,SCSI同业公会）的标准分类.
1.2.2SCSI接口类型
SCSI连接器分为内置和外置两种,内置数据线的外型和IDE数据线一样,只是针数和规格稍有差别,主要用于连接光驱和硬盘.40针IDE线有40根导线,40针ATA66有80根导线,SCSI内置则分为50针,68针和80针.至于SCSI外置数据线,就有以多种规格,它们的密度均不相同,千万别弄错了.
1.2.3SCSIID
相信许多SCSI用户都有这种经历,插上设备之后,操作系统怎样也不认,后来检查总线,才发现是终结和ID没有设置好.ID（identify）作为SCSI设备在SCSI总线的唯一识别符,绝对不允许重复,可选范围从0到15,SCSI主控制器通常占用id7,即是说我们可以用在设备上的ID号共有15个.
在SCSI总线中,控制器也算一个设备,即实际最大可连接设备数目=理论最大支持设备数目-1.
1.2.4总线终结器
总线终结器能告诉SCSI主控制器整条总线在何处终结,并发出一个反射信号给控制器,必须在两个物理终端作一个终结信号才能使用SCSI总线.常见的错误是把终结设置在ID号最高或最低的地方,而不是设置在物理终端的SCSI设备上.其实,SCSI设备总是以链形来连接的,按顺序就能分辨出哪一个是终结设备.
终结的方式有三种:
自终结设备,物理总线终结器和自终结电缆.大多数新型SCSI设备都有自终结跳线,只要把非终结设备的自终结跳线设置成OFF即可避免冲突问题;
物理总线终结器是一种硬件接头,又分为主动型和被动型两种,主动型使用电压调整器来进行操作,被动型利用总线上的能源信号来操作,被动型比主动型更为精确;
自终结电缆可以代替物理总线终结器,也是一种硬件,它的价格非常昂贵,常用于两个主机连接同一个物理设备,如:
两个服务器存取同一个物理SCSI硬盘.
通过检查SCSIID和总线终结器,我们可以找出大多数冲突现象的解决方法,这是SCSI设备用户必须重视的一点.
1.2.5SCSI规格公用的几个标准术语解释:
SCSI-1:
它是最早SCSI,特点是:
支持同步和异步SCSI外围设备,支持7台8位的外围设备,使用8位的通道宽度,传输速率为4MB/s,这现在通常是扫描仪在用的
SCSI-2:
类似SCSI-1,但是可以支持同时连接7个装置,传输速率为10-20MB/s,目前有CD-R,CD-ROM在使用.
FastSCSI:
8位的通道宽度,使用双倍的频率,传输速率为10MB/s.
WideSCSI:
16位的通道宽度,传输速率为20MB/s.
ULTRASCSI:
8位的通道宽度,传输速率为20MB/s,其允许接口电缆的最大长度为1.5米.
UltraWideSCSI:
16位的通道宽度,传输速率为40MB/s,其允许接口电缆的最大长度为1.5米.
ULTRA2SCSI:
8位的通道宽度,其采用了LVD（LowVoltageDifferential,低电平微分）传输模式,传输速率为40MB/s,允许接口电缆的最长为12米,大大增加了设备的灵活性,支持同时挂接15个装置.
WIDEULTRA2SCSI:
它跟Ultra2SCSI差不多,也是采用LVD传输模式,允许最长接口电缆为12米,可同时挂接15个装置,不同于Ultra2SCSI,它有16位的通道宽度,因此传输速度为80MB/s.
Ultra160SCSI:
支持最高数据传输率为160MB/s.
Ultra320SCSI:
支持最高数据传输达到了320MB/s,是目前最新的SCSI接口类型.
SingleEnded（单终结）:
许多旧式设备都是单终结设备,它们限制于SCSI-1协议的6米长度.注意:
此距离包括设备内部电缆的距离.
Differential（分差动）:
SCSI总线和设备可借助它来延长传输的距离,附加线的最大长度为25米.缺点是与单终结设备不兼容.
STA术语
最大总线速度
MB/秒
总线宽度
单位:
bit
最大总线长度
单位（米）
最大支持设备设备数目
单终结
LVD
HVD
SCSI–1
5
8
6
-
25
FastSCSI
10
3
FastWideSCSI
20
16
UltraSCSI
1.5
4
WideUltraSCSI
40
Ultra2SCSI
12
WideUltra2SCSI
80
Ultra3SCSI
160
1.2.6SCSI的优点与缺点
SCSI接口优点:
适应面广,在一块SCSI控制卡上就可以同时挂接15个设备
高性能（具有很多任务,宽带宽及少CPU占用率等特点）
具有外置和内置两种
SCSI接口缺点:
价格较IDE产品昂贵
安装复杂
1.3Fibre技术
1.3.1概述
光纤通道是一种跟SCSI或IDE有很大不同的接口,它很像以太网的转换开头.以前它是专为网络设计得,后来随着存储器对高带宽的需求,慢慢移植到现在的存储系统上来了.光纤通道通常用于连接一个SCSIRAID（或其它一些比较常用的RAID类型）,以满足高端工作或服务器对高数据传输率的要求.
1.3.2光纤的特点
光纤现在能提供100MBps的实际带宽,而它的理论极限值为1.06GBps.不过现在有一些公司开始推出2.12Gbps的产品,它支持下一代的光纤通道（即FibreChannelII）.不过为了能得到更高的数据传输率,市面的光纤产品有时是使用多光纤通道来达到更高的带宽.
不像SCSI,光纤通道的配线非常柔韧.如果带有光纤光学电缆（FiberOpticCabling）,它支持最长的长度超过了10公里,所以可以说SCSI在接口电缆长度的限制上跟光纤是没法比得,因为SCSI最长接口电缆不得超过12米.
Features
FibreChannel
SCSI
NodetoNode
100m
20m
Max.OpticalDistance
10,000m
12m
CurrentSpeed
200MB/s
160MB/s
FutureSpeed
400MB/s
320MB/s
Max.Connections
126（loop）16million（sw）
15
PeripheralsSupported
All
Limitedtypes
CostComparedtoSCSI
Higherbutdecreasing
SerialConnectivity
Yes
No
ProtocolSupported
Universal
ANSIStandard
DualPortedOperation
1.3.3光纤的优点与缺点
光纤通道优点:
具有很好的升级性
可以用非常长的光纤电缆（带有FiberOpticCabling时,光纤长度可以超过10公里）
具有非常宽的带宽（现在一般的光纤都具有1.06GBps,而如果采用多光纤通道可以达到更宽的带宽）
具有很强的通用性
光纤通道缺点:
价格非常昂贵
组建复杂
1.4RAID技术
1.4.1概述
RAID,为RedundantArraysofIndependentDisks的简称,中文为廉价冗余磁盘阵列.作为高性能的存储系统,已经得到了越来越广泛的应用.RAID的级别从RAID概念的提出到现在,已经发展了多个级别,有明确标准级别分别是0,1,2,3,4,5等.但是最常用的是0,1,3,5四个级别.其他还有6,7,10,30,50等
RAID技术采用若干硬磁盘驱动器按照一定要求组成一个整体,整个磁盘阵列由阵列控制器管理.磁盘阵列有许多特点:
其次,多台磁盘驱动器可并行工作,提高了数据传输率;
如果阵列中有一台硬磁盘损坏,利用其它盘可以重新恢复出损坏盘上原来的数据,而不影响系统的正常工作,并可以在带电状态下更换已损坏的硬盘（即热插拔功能）,阵列控制器会自动把重组数据写入新盘,或写入热备份盘而将新盘用做新的热备份盘;
另外磁盘阵列通常配有冗余设备,如电源和风扇,以保证磁盘阵列的散热和系统的可靠性.
1.4.2RAID类型
1.4.2.1逻辑驱动器（logicaldrives）:
逻辑驱动器:
是一个简单的由独立的物理硬盘组成的队列
1.4.2.2逻辑容量（logicalvolume）:
逻辑容量是由一个或多个逻辑驱动器组成,其成员逻辑驱动器可以是相同RAID集也可以是不同的RAID集
1.4.2.3RAID的级别
RAIDLevel
Description
Minimum
DataAvailability
PerformanceSequential
PerformanceRandom
NRAID
Non-RAID
1
Drive
RAID0
DiskStriping
N
==NRAID
R:
Highest
W:
High
RAID1（0+1）
MirroringPlus
Striping（ifN>
1）
N+1
>
NRAID
==RAID5
Medium
Low
RAID3
StripingwithParityondedicateddisk
RAID5
Stripingwithinterspersedparity
硬盘连续使用
NRAID意思是不使用RAID功能.它使用硬盘的总容量组成逻辑碟（不使用条块读写）.换句话说,它生成的逻辑盘容量就是物理盘容量的总和.此外,NRAID不提供资料的备余.
JBOD
最小需要的硬盘数
容量
备余
JBOD的含意是控制器将机器上每颗硬盘都当作单独的硬盘处理,因此每颗硬盘都被当作单颗独立的逻辑盘使用.此外,JBOD并不提供资料冗余的功能.
亦称为带区集.可以把多块硬盘（至少2块）连接在一起而组成一个容量更大的存储设备.处理数据时把数据分块并且同时读写入组成RAID的磁盘,从而大大提高I/O速率.RAID0设计简单且实现成本较低,但RAID0没有冗余或错误修复能力,并且只要组成RAID的磁盘中有一块出现故障,整个RAID系统的数据将丢失,无法进行任何补救.RAID0可以提供更多的可用空间和更好的性能,但是整个系统是非常不可靠的,所以,在所有的级别中,RAID0的速度是最快的.但是RAID0没有冗余功能的,
如果一个磁盘（物理）损坏,则所有的数据都无法使用.
RAID1
也称为磁盘镜像,至少需要2块硬盘.每一个磁盘都具有一个对应的镜像盘.对任何一个磁盘的数据写入都会被复制到镜像盘中,并且系统可以从一组镜像盘中的任何一个磁盘读取数据.RAID1下,任何一块硬盘的故障都不会影响到系统的正常运行,而且只要在任何一对镜像盘中有一块磁盘可以使用,系统便可以正常运行;
当一块硬盘失效时,系统会忽略该硬盘,转而使用相应的镜像盘读写数据,RAID1甚至可以在一半数量的硬盘出现问题时不间断地工作.在RAID1下,我们所能使用的空间只是所有磁盘容量总和的一半,增加了系统的成本,是所有RAID上磁盘利用率最低的一个级别.
最少需要的硬盘数目
2
N/2
RAID3使用一个专门的独立磁盘存放所有的校验数据,而在剩余的磁盘中以与RAID0相似的方式分割并读写数据,即可视为"
RAID3=RAID0+校验盘"
.虽然RAID3具有容错能力,但整个系统会因校验而受到影响,当一块磁盘失效时,该磁盘上的所有数据块必须使用校验信息重新建立;
当我们更换了损坏的磁盘之后,系统必须一个数据块一个数据块地重建坏盘中的数据:
整个过程包括读取带区,计算丢失的数据块和向新盘写入新的数据块等;
所以,重建活动最好是在RAID系统空闲的时候进行,否则整个系统的性能就会受到严重的影响;
鉴于这种原因,RAID3更加适用于那些写入操作较少,读取操作较多的应用环境,例如数据库和WEB服务器等.利用单独的校验盘来保护数据虽然没有镜像的安全性高,但是硬盘利用率得到了很大的提高,为n-1.不过,如果校验盘（物理）损坏的话,则全部数据都无法使用,故为了解决这一缺陷,产生了RAID5技术.
N-1
在运行机制上,RAID5和RAID3完全相同,也是由几个数据块共享一个校验块.RAID5和RAID3的最大区别在于RAID5不是把所有的校验块集中保存在一个专门的校验盘中,而是分散到所有的数据盘中.RAID5使用了一种特殊的算法,可以计算出任何一个校验块的存放位置.这样就可以确保任何对校验块进行的读写操作都会在所有的RAID磁盘中进行均衡,从而消除了产生瓶颈的可能,并避免了像RAID3那样因校验盘损坏而导致系统失去容错能力的严重故障.硬盘的利用率为n-1.
MinimumDisksrequired
Capacity
Redundancy
RAID（0+1）
结合了RAID0和RAID1–条块化读写的同时使用镜像操作.RAID（0+1）允许多个硬盘损坏,因为它完全使用硬盘来实现资料备余.如果有超过两个硬盘做RAID1,系统会自动实现RAID（0+1）.
RAID（0+1）
RAID30
实施情况同Level0数据条阵列,其中,每一段都是一个RAID3阵列.它的冗余与容错能力同RAID3.这对需要具有高数据传输率的RAID3配置的IT系统有益,但是它价格较贵.
RAID3RAID3
RAID50
是建立在RAID0与RAID5基础上形成的,先用3块或更多的硬盘做成RAID5,然后将形成的低级阵列做RAID0
RAID5RAID5
其他RAID类型
RAID2是为大型机和超级计算机开发的.它可在工作不中断的情况下纠正数据,但是,RAID2倾向于较高的数据校验和纠错率.
RAID4包括较大的数据条,这样,就可以从任何驱动器读取记录.由于这种类型缺乏对多种同时写操作的支持,因而,几乎不使用.
RAID6几乎没有进行商用.它使用一种分配在不同的驱动器上的第二种奇偶方案,它能承受多个驱动器同时出现故障,但是,性能——尤其是写操作却很差,而且,系统需要一个极为复杂的控制器.
RAID7有一个实时嵌入操作系统用作控制器,一个高速总线用于缓存.它提供快速的I/O,但是价格昂贵.
1.4.3RAID技术的应用
1.4.3.1DAS–directaccessstoragedevice直接访问存储设备
DAS是磁盘存储设备的术语,以前被用在大,中型机上.使用在PC机上还包括硬盘设备DAS的最新形式是RAID."
直接访问"
指访问所有数据的时间是相同的.
1.4.3.2NAS--NetworkAttachedStorage网络附加存储设备
一种特殊目的的服务器,它具有嵌入式的软件系统,可以通过网络对个种的系统平台提供文件共享服务
1.4.4.3SAN--StorageAreaNetworks存储区域网
一种高速的专用网络,用于建立服务器,磁盘阵列和磁带库之间的一种直接联接.它如同扩展的存储器总线,将专用的集线器,交换器以及网关或桥路互相连接在一起.SAN常使用光纤通道.一个SAN可以是本地的或者是远程的,也可以是共享的或者是专用的.SAN打破了存储器与服务器之间的束缚,允许你独立地选择最佳的存储器或者是最佳的服务器,从而提高可扩性和灵活性.
--打印日期:
2003/6/27
制表日期:
2000/11/14
N
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