磁盘阵列(Disk Array)原理

来源： 作者： 出处：综艺读书 2006-08-04 进入讨论组

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　　1.为什么需要磁盘阵列?
　　
　　如何增加磁盘的存取(access)速度,如何防止数据因磁盘的故障而失落及如何有效的利用磁盘空间,一直是电脑专业人员和用户的困扰;而大容量磁盘的价格非常昂贵,对用户形成很大的负担。磁盘阵列技术的产生一举解决了这些问题。
　　
　　过去十年来,CPU的处理速度增加了五十倍有多,内存(memory)的存取速度亦大幅增加,而数据储存装置--主要是磁盘(hard disk)--的存取速度只增加了三、四倍,形成电脑系统的瓶颈,拉低了电脑系统的整体性能(throughput),若不能有效的提升磁盘的存取速度,CPU、内存及磁盘间的不平衡将使CPU及内存的改进形成浪费。
　　
　　目前改进磁盘存取速度的的方式主要有两种。一是磁盘快取控制(disk cache controller),它将从磁盘读取的数据存在快取内存(cache memory)中以减少磁盘存取的次数,数据的读写都在快取内存中进行,大幅增加存取的速度,如要读取的数据不在快取内存中,或要写数据到磁盘时,才做磁盘的存取动作。这种方式在单工环境(single-tasking envioronment)如DOS之下,对大量数据的存取有很好的性能(量小且频繁的存取则不然),但在多工(multi-tasking)环境之下(因为要不停的作数据交换(swapping)的动作)或数据库(database)的存取(因为每一记录都很小)就不能显示其性能。这种方式没有任何安全保障。
　　
　　其二是使用磁盘阵列的技术。磁盘阵列是把多个磁盘组成一个阵列,当作单一磁盘使用,它将数据以分段(striping)的方式储存在不同的磁盘中,存取数据时,阵列中的相关磁盘一起动作,大幅减低数据的存取时间,同时有更佳的空间利用率。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,因为比较便宜,但因一般人对磁盘阵列不了解,没有看到磁盘阵列对他们价值,市场尚未打开;RAID 2及RAID 3适用于大型电脑及影像、CAD/CAM等处理;RAID 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,但也因此形成很多人对磁盘阵列的误解,以为磁盘阵列非要RAID 5不可;RAID 4较少使用,因为两者有其共同之处,而RAID 4有其先天的限制。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。如下图所示,OAraid 磁盘阵列控制器,联接了四个磁盘:
　　
　　磁盘1 磁盘2 磁盘3 磁盘4
　　
　　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。OAraid的SCSI磁盘阵列更可连接几十个磁盘，形成数十GB到数百GB的阵列,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。我们也可从上图看出inexpensive(便宜)的意义,因为四个250MBbytes的磁盘比一个1GBytes的磁盘要便宜,尤其以前大磁盘的价格非常昴贵,但在磁盘越来越便宜的今天,inexpensive已非磁盘阵列的重点,虽然对于需要大磁盘容量的系统,仍是考虑的要点。
　　
　　磁盘或数据分段(Disk Striping or Data Striping):
　　
　　磁盘1
　　A2-A3
　　B2-B3
　　C2-C3
　　D2-D3
　　
　　磁盘2
　　A4-A5
　　B4-B5
　　C4-C5
　　D4-C5
　　
　　磁盘3
　　A6-A7
　　B6-B7
　　C6-C7
　　D6-D7
　　
　　磁盘0
　　A0-A1
　　B0-B1
　　C0-C1
　　D0-D1
　　
　　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 or segment)的方式顺序存放在磁盘阵列中,如下图:
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　RAID 1
　　
　　RAID 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:
　　
　　RAID 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,黾覫/O的性能。
　　
　　RAID 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 1和一般磁盘镜像的不同。
　　
　　磁盘0
　　A0
　　A2
　　A4
　　B1
　　
　　磁盘1
　　A1
　　A3
　　B0
　　B2
　　
　　磁盘0
　　A0
　　A2
　　A4
　　B1
　　
　　磁盘1
　　A1
　　A3
　　B0
　　B2
　　
　　下图为RAID 1,每一笔数据都储存两份:
　　从上图可以看出:
　　R:N(可同时读取所有磁盘)
　　W:N/2(同时写入磁盘数)
　　S: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。我们可视应用的不同,在同一磁盘阵列中使用不同的RAID level,如华艺科技公司的OAraid系列都可同一磁盘阵列中定义八个逻辑磁盘(logic disk),分别使用不同的RAID level,分为C:,D:及E:三个逻辑磁盘(或LUN0,LUN1,LUN2).
　　
　　RAID 1完全做到了容错包括不停机(non-stop),当某一磁盘发生故障,可将此磁盘拆下来而不影向其他磁盘的操作;待新的磁盘换上去之后,系统即时做镜像,将数据重新复上去,RAID 1在容错及存取的性能上是所有RAID level之冠。
　　
　　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。
　　
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