磁盘阵列Word文件下载.docx
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磁盘阵列所利用
的不同的技术,称为RAID
level,不同的level针对不同的系统及应用,以解决数据安全
的问题。
一般高性能的磁盘阵列都是以硬件的形式来达成,进一步的把磁盘快取控制及磁盘
阵列结合在一个控制器（RAID
controler或控制卡上,针对不同的用户解决人们对磁
盘输出入系统的四大要求:
（1）增加存取速度,
（2）容错（fault
tolerance）,即安全性
（3）有效的利用磁盘空间;
（4）尽量的平衡CPU,内存及磁盘的性能差异,提高电脑的整体工作性能。
2.磁盘阵列原理
磁盘阵列中针对不同的应用使用的不同技术,称为RAID
level,RAID是Redundent
Array
of
Inexpensive
Disks的缩写,而每一level代表一种技术,目前业界公认的标
准是RAID
0~RAID
5。
这个level并不代表技术的高低,level
5并不高于level
3,level
1也不低过level
4,至于要选择那一种RAID
level的产品,纯视用户的操作环境
（operating
environment）及应用（application）而定,与level的高低没有必然的关系。
RAID
0及RAID
1适用于PC及PC相关的系统如小型的网络服务器（network
server）及
需要高磁盘容量与快速磁盘存取的工作站等,比较便宜;
3及RAID
4适用于大型电
脑及影像、CAD/CAM等处理;
5多用于OLTP,因有金融机构及大型数据处理中心的
迫切需要,故使用较多而较有名气,
2较少使用,其他如RAID
6,RAID
7,乃至RAID
10等,都是厂商各做各的,并无一致的标准,在此不作说明。
介绍各个RAID
level之前,
先看看形成磁盘阵列的两个基本技术:
磁盘延伸（Disk
Spanning）:
译为磁盘延伸,能确切的表示disk
spanning这种技术的含义。
如图磁盘阵列控制器,
联接了四个磁盘,这四个磁盘形成一个阵列（array）,而磁盘阵列的控制器（RAID
controller）是将此四个磁盘视为单一的磁盘,如DOS环境下的C:
盘。
这是disk
spanning的意义,因为把小容量的磁盘延伸为大容量的单一磁盘,用户不必规划数据在
各磁盘的分布,而且提高了磁盘空间的使用率。
并使磁盘容量几乎可作无限的延伸;
而各
个磁盘一起作取存的动作,比单一磁盘更为快捷。
很明显的,有此阵列的形成而产生
RAID的各种技术。
磁盘或数据分段（Disk
Striping
or
Data
Striping）:
因为磁盘阵列是将同一阵列的多个磁盘视为单一的虚拟磁盘（virtual
disk）,所以其数
据是以分段（block
segment）的方式顺序存放在磁盘阵列中,数据按需要分段,从第一
个磁盘开始放,放到最後一个磁盘再回到第一个磁盘放起,直到数据分布完毕。
至于分段
的大小视系统而定,有的系统或以1KB最有效率,或以4KB,或以6KB,甚至是4MB或8MB
的,但除非数据小于一个扇区（sector,即521bytes）,否则其分段应是512byte的倍数。
因为磁盘的读写是以一个扇区为单位,若数据小于512bytes,系统读取该扇区后,还要
做组合或分组（视读或写而定）的动作,浪费时间。
从上图我们可以看出,数据以分段于在
不同的磁盘,整个阵列的各个磁盘可同时作读写,故数据分段使数据的存取有最好的效
率,理论上本来读一个包含四个分段的数据所需要的时间约=（磁盘的access
time+数据
的tranfer
time）X4次,现在只要一次就可以完成。
若以N表示磁盘的数目,R表示读取,W表示写入,S表示可使用空间,则数据分段的性能
为:
R:
N（可同时读取所有磁盘）
W:
N（可同时写入所有磁盘）
S:
N（可利用所有的磁盘,并有最佳的使用率）
Disk
striping也称为RAID
0,很多人以为RAID
0没有甚么,其实这是非常错误的观念,
因为RAID
0使磁盘的输出入有最高的效率。
而磁盘阵列有更好效率的原因除数据分段
外,它可以同时执行多个输出入的要求,因为阵列中的每一个磁盘都能独立动作,分段放
在不同的磁盘,不同的磁盘可同时作读写,而且能在快取内存及磁盘作并行存取
（parallel
access）的动作,但只有硬件的磁盘阵列才有此性能表现。
[IMG][/IMG]
从上面两点我们可以看出,disk
spanning定义了RAID的基本形式,提供了一个便宜、
灵活、高性能的系统结构,而disk
striping解决了数据的存取效率和磁盘的利用率问
题,RAID
1至RAID
5是在此基础上提供磁盘安全的方案。
1
1是使用磁盘镜像（disk
mirroring）的技术。
磁盘镜像应用在RAID
1之前就在很多系统中使用,它的方式是在工作磁盘（working
disk）之外再加一额外的备份磁盘
（backup
disk）,两个磁盘所储存的数据完全一样,数据写入工作磁盘的同时亦写入备份
磁盘。
磁盘镜像不见得就是RAID
1,如Novell
Netware亦有提供磁盘镜像的功能,但并
不表示Netware有了RAID
1的功能。
一般磁盘镜像和RAID
1有二点最大的不同:
1无工作磁盘和备份磁盘之分,多个磁盘可同时动作而有重叠（overlaping）读取的功能,甚至不同的镜像磁盘可同时作写入的动作,这是一种最佳化的方式,称为负载平衡
（load-balance）。
例如有多个用户在同一时间要读取数据,系统能同时驱动互相镜像的磁盘,同时读取数据,以减轻系统的负载,增加I/O的性能.
1的磁盘是以磁盘延伸的方式形成阵列,而数据是以数据分段的方式作储存,因而在读取时,它几乎和RAID
0有同样的性能。
从RAID的结构就可以很清楚的看出RAID
和一般磁盘镜像的不同。
下图为RAID
1,每一笔数据都储存两份:
从图可以看出:
N/2（同时写入磁盘数）
N/2（利用率）
读取数据时可用到所有的磁盘,充分发挥数据分段的优点;
写入数据时,因为有备份,所
以要写入两个磁盘,其效率是N/2,磁盘空间的使用率也只有全部磁盘的一半。
很多人以为RAID
1要加一个额外的磁盘,形成浪费而不看好RAID
1,事实上磁盘越来越
便宜,并不见得造成负担,况且RAID
1有最好的容错（fault
tolerence）能力,其效率也
是除RAID
0之外最好的
在磁盘阵列的技术上,从RAID
1到RAID
5,不停机的意思表示在工作时如发生磁盘故障,
系统能持续工作而不停顿,仍然可作磁盘的存取,正常的读写数据;
而容错则表示即使磁
盘故障,数据仍能保持完整,可让系统存取到正确的数据,而SCSI的磁盘阵列更可在工作中抽换磁盘,并可自动重建故障磁盘的数据。
磁盘阵列之所以能做到容错及不停机,
是因为它有冗余的磁盘空间可资利用,这也就是Redundant的意义。
2
2是把数据分散为位（bit）或块（block）,加入海明码Hamming
Code,在磁盘阵列中作间隔写入（interleaving）到每个磁盘中,而且地址（address）都一样,也就是在各个磁
盘中,其数据都在相同的磁道（cylinder
track）及扇区中。
2的设计是使用共轴同步（spindle
synchronize）的技术,存取数据时,整个磁盘阵列一起动作,在各作磁盘的相同位置作平行存取,所以有最好的存取时间（accesstime）,其总线（bus）是特别的
设计,以大带宽（band
wide）并行传输所存取的数据,所以有最好的传输时间（transfer
time）。
在大型档案的存取应用,RAID
2有最好的性能,但如果档案太小,会将其性能拉
下来,因为磁盘的存取是以扇区为单位,而RAID
2的存取是所有磁盘平行动作,而且是作
单位元的存取,故小于一个扇区的数据量会使其性能大打折扣。
2是设计给需要连续且大量数据的电脑使用的,如大型电脑（mainframe
to
supercomputer）、作影像处理或CAD/CAM的工作站（workstation）等,并不适用于一般的多用户环境、网络服务器
（network
server）,小型机或PC。
2的安全采用内存阵列（memory
array）的技术,使用多个额外的磁盘作单位错误校正（single-bit
correction）及双位错误检测（double-bit
detection）;
至于需要多少个额外的磁盘,则视其所采用的方法及结构而定,例如八个数据磁盘的阵列可能需要三个额外的磁盘,有三十二个数据磁盘的高档阵列可能需要七个额外的磁盘。
3
3的数据储存及存取方式都和RAID
2一样,但在安全方面以奇偶校验（parity
check）取代海明码做错误校正及检测,所以只需要一个额外的校检磁盘（parity
disk）。
奇偶校验值的计算是以各个磁盘的相对应位作XOR的逻辑运算,然后将结果写入奇偶校
验磁盘,任何数据的修改都要做奇偶校验计算,如图:
如某一磁盘故障,换上新的磁盘后,整个磁盘阵列（包括奇偶校验磁盘）需重新计算一次,
将故障磁盘的数据恢复并写入新磁盘中;
如奇偶校验磁盘故障,则重新计算奇偶校验值,
以达容错的要求.
较之RAID
1及RAID
2,RAID
3有85%的磁盘空间利用率,其性能比RAID
2稍差,因为要
做奇偶校验计算;
共轴同步的平行存取在读档案时有很好的性能,但在写入时较慢,需要重新计算及修改奇偶校验磁盘的内容。
3和RAID
2有同样的应用方式,适用大档
案及大量数据输出入的应用,并不适用于PC及网络服务器。
4
4也使用一个校验磁盘,但和RAID
3不一样,如图:
4是以扇区作数据分段,各磁盘相同位置的分段形成一个校验磁盘分段（parity
block）,放在校验磁盘。
这种方式可在不同的磁盘平行执行不同的读取命今,大幅提高磁
盘阵列的读取性能;
但写入数据时,因受限于校验磁盘,同一时间只能作一次,启动所有磁盘读取数据形成同一校验分段的所有数据分段,与要写入的数据做好校验计算再写入。
即使如此,小型档案的写入仍然比RAID
3要快,因其校验计算较简单而非作位（bit
level）的计算;
但校验磁盘形成RAID
4的瓶颈,降低了性能,因有RAID
5而使得RAID
较少使用。
5
RAID5避免了RAID
4的瓶颈,方法是不用校验磁盘而将校验数据以循环的方式放在每一
个磁盘中,如下图:
磁盘阵列的第一个磁盘分段是校验值,第二个磁盘至后一个磁盘再折回第一个磁盘的分
段是数据,然后第二个磁盘的分段是校验值,从第三个磁盘再折回第二个磁盘的分段是
数据,以此类推,直到放完为止。
图中的第一个parity
block是由A0,A1...,B1,B2计算
出来,第二个parity
block是由B3,B4,...,C4,D0计算出来,也就是校验值是由各磁盘
同一位置的分段的数据所计算出来。
这种方式能大幅增加小档案的存取性能,不但可同
时读取,甚至有可能同时执行多个写入的动作,如可写入数据到磁盘1而其parity
block在磁盘2,同时写入数据到磁盘4而其parity
block在磁盘1,这对联机交易处理
（OLTP,On-Line
Transaction
Processing）如银行系统、金融、股市等或大型数据库的
处理提供了最佳的解决方案（solution）,因为这些应用的每一笔数据量小,磁盘输出入
频繁而且必须容错。
事实上RAID
5的性能并无如此理想,因为任何数据的修改,都要把同一parityblock的
所有数据读出来修改后,做完校验计算再写回去,也就是RMW
cycle（Read-Modify-Write
cycle,这个cycle没有包括校验计算）;
正因为牵一而动全身,所以:
1（可同时写入磁盘数）
N-1（利用率）
5的控制比较复杂,尤其是利用硬件对磁盘阵列的控制,因为这种方式的应用比其
他的RAID
level要掌握更多的事情,有更多的输出入需求,既要速度快,又要处理数据,
计算校验值,做错误校正等,所以价格较高;
其应用最好是OLTP,至于用于图像处理等,
不见得有最佳的性能。
2.磁盘阵列的额外容错功能：
Spare
Standby
driver
事实上容错功能已成为磁盘阵列最受青睐的特性,为了加强容错的功能以及使系统在磁
盘故障的情况下能迅速的重建数据,以维持系统的性能,一般的磁盘阵列系统都可使用热备份（hot
spare
hot
standby
driver）的功能,所谓热备份是在建立（configure）
磁盘阵列系统的时候,将其中一磁盘指定为后备磁盘,此一磁盘在平常并不操作,但若阵列中某一磁盘发生故障时,磁盘阵列即以后备磁盘取代故障磁盘,并自动将故障磁盘的
数据重建（rebuild）在后备磁盘之上,因为反应快速,加上快取内存减少了磁盘的存取,
所以数据重建很快即可完成,对系统的性能影响很小。
对于要求不停机的大型数据处理
中心或控制中心而言,热备份更是一项重要的功能,因为可避免晚间或无人值守时发生磁盘故障所引起的种种不便。
另一个额外的容错功能是坏扇区转移（bad
sector
reassignment）。
坏扇区是磁盘故障
的主要原因,通常磁盘在读写时发生坏扇区的情况即表示此磁盘故障,不能再作读写,甚至有很多系统会因为不能完成读写的动作而死机,但若因为某一扇区的损坏而使工作不能完成或要更换磁盘,则使得系统性能大打折扣,而系统的维护成本也未免太高了。
坏扇区转移是当磁盘阵列系统发现磁盘有坏扇区时,以另一空白且无故障的扇区取代该扇区,
以延长磁盘的使用寿命,减少坏磁盘的发生率以及系统的维护成本。
所以坏扇区转移功能使磁盘阵列具有更好的容错性,同时使整个系统有最好的成本效益比。
其他如可外接电池备援磁盘阵列的快取内存,以避免突然断电时数据尚未写回磁盘而损失;
或在RAID
1时作写入一致性的检查等,虽是小技术,但亦不可忽视。
3.硬件磁盘阵列还是软件磁盘阵列
市面上有所谓硬件磁盘阵列与软件磁盘阵列之分,因为软件磁盘阵列是使用一块SCSI卡与磁盘连接,一般用户误以为是硬件磁盘阵列。
以上所述主要是针对硬件磁盘阵列,
其与软件磁盘阵列有几个最大的区别:
l
一个完整的磁盘阵列硬件与系统相接。
内置CPU,与主机并行运作,所有的I/O都在磁盘阵列中完成,减轻主机的工作负载,
增加系统整体性能。
有卓越的总线主控（bus
mastering）及DMA（Direct
Memory
Access）能力,加速数据
的存取及传输性能。
与快取内存结合在一起,不但增加数据的存取及传输性能,更因减少对磁盘的存取
而增加磁盘的寿命。
能充份利用硬件的特性,反应快速。
软件磁盘阵列是一个程序,在主机执行,透过一块SCSI卡与磁盘相接形成阵列,它最大
的优点是便宜,因为没有硬件成本（包括研发、生产、维护等）,而SCSI卡很便宜（亦有的软件磁盘阵列使用指定的很贵的SCSI卡）;
它最大的缺点是使主机多了很多进程
（process）,增加了主机的负担,尤其是输出入需求量大的系统。
目前市面上的磁盘阵列
系统大部份是硬件磁盘阵列,软件磁盘阵列较少。
4.磁盘阵列卡还是磁盘阵列控制器
磁盘阵列控制卡一般用于小系统，供单机使用。
与主机共用电源，在关闭主机电源时存在丢失Cache中的数据的的危险。
磁盘阵列控制卡只有常用总线方式的接口，其驱动程序与主机、主机所用的操作系统都有关系，有软、硬件兼容性问题并潜在地增加了系统
的不安定因素。
在更换磁盘阵列卡时要冒磁盘损坏，资料失落，随时停机的风险。
独立式磁盘阵列控制一般用于较大型系统,可分为两种：
单通道磁盘阵列和多通道式磁盘阵列，单通道磁盘阵列只能接一台主机，有很大的扩充限制。
多通道磁盘阵列可接多个系统同时使用,以群集（cluster）的方式共用磁盘阵列,这使内接式阵列控制及单接式磁盘阵列无用武之地.
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