磁盤(pán)陣列(Disk Array)原理
1.為什么需要磁盤(pán)陣列?
如何增加磁盤(pán)的存取(access)速度,如何防止數據因磁盤(pán)的故障而失落及如何有效的利用磁盤(pán)空間,一直是電腦專(zhuān)業(yè)人員和用戶(hù)的困擾;而大容量磁盤(pán)的價(jià)格非常昂貴,對用戶(hù)形成很大的負擔。磁盤(pán)陣列技術(shù)的產(chǎn)生一舉解決了這些問(wèn)題。
過(guò)去十幾年來(lái),CPU的處理速度增加了五十倍有多,內存(memory)的存取速度亦大幅增加,而數據儲存裝置--主要是磁盤(pán)(hard disk)--的存取速度只增加了三、四倍,形成電腦系統的瓶頸,拉低了電腦系統的整體性能(through put),若不能有效的提升磁盤(pán)的存取速度,CPU、內存及磁盤(pán)間的不平衡將使CPU及內存的改進(jìn)形成浪費。
目前改進(jìn)磁盤(pán)存取速度的的方式主要有兩種。一是磁盤(pán)快取控制(disk cache controller),它將從磁盤(pán)讀取的數據存在快取內存(cache memory)中以減少磁盤(pán)存取的次數,數據的讀寫(xiě)都在快取內存中進(jìn)行,大幅增加存取的速度,如要讀取的數據不在快取內存中,或要寫(xiě)數據到磁盤(pán)時(shí),才做磁盤(pán)的存取動(dòng)作。這種方式在單工環(huán)境(single- tasking envioronment)如DOS之下,對大量數據的存取有很好的性能(量小且頻繁的存取則不然),但在多工(multi-tasking)環(huán)境之下(因為要不停的作數據交換(swapping) 的動(dòng)作)或數據庫(database)的存取(因為每一記錄都很小)就不能顯示其性能。這種方式?jīng)]有任何安全保障。
其二是使用磁盤(pán)陣列的技術(shù)。磁盤(pán)陣列是把多個(gè)磁盤(pán)組成一個(gè)陣列,當作單一磁盤(pán)使用,它將數據以分段(striping)的方式儲存在不同的磁盤(pán)中,存取數據時(shí),陣列中的相關(guān)磁盤(pán)一起動(dòng)作,大幅減低數據的存取時(shí)間,同時(shí)有更佳的空間利用率。磁盤(pán)陣列所利用的不同的技術(shù),稱(chēng)為RAID level,不同的level針對不同的系統及應用,以解決數據安全
的問(wèn)題。
一般高性能的磁盤(pán)陣列都是以硬件的形式來(lái)達成,進(jìn)一步的把磁盤(pán)快取控制及磁盤(pán)陣列結合在一個(gè)控制器(RAID controler或控制卡上,針對不同的用戶(hù)解決人們對磁盤(pán)輸出入系統的四大要求:
(1)增加存取速度,
(2)容錯(fault tolerance),即安全性
(3)有效的利用磁盤(pán)空間;
(4)盡量的平衡CPU,內存及磁盤(pán)的性能差異,提高電腦的整體工作性能。
2.磁盤(pán)陣列原理
磁盤(pán)陣列中針對不同的應用使用的不同技術(shù),稱(chēng)為RAID level,RAID是Redundent Array of Inexpensive Disks的縮寫(xiě),而每一level代表一種技術(shù),目前業(yè)界公認的標準是RAID 0~RAID 5。這個(gè)level并不代表技術(shù)的高低,level 5并不高于level 3,level 1也不低過(guò)level 4,至于要選擇那一種RAID level的產(chǎn)品,純視用戶(hù)的操作環(huán)境(operating environment)及應用(application)而定,與level的高低沒(méi)有必然的關(guān)系。
RAID 0及RAID 1適用于PC及PC相關(guān)的系統如小型的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器(network server)及需要高磁盤(pán)容量與快速磁盤(pán)存取的工作站等,比較便宜;RAID 3及RAID 4適用于大型電腦及影像、CAD/CAM等處理;RAID 5多用于OLTP（在線(xiàn)事務(wù)處理）,因有金融機構及大型數據處理中心的迫切需要,故使用較多而較有名氣, RAID 2較少使用,其他如RAID 6,RAID 7,乃至RAID 10等,都是廠(chǎng)商各做各的,并無(wú)一致的標準,在此不作說(shuō)明。介紹各個(gè)RAID level之前, 先看看形成磁盤(pán)陣列的兩個(gè)基本技術(shù):
磁盤(pán)延伸(Disk Spanning):
譯為磁盤(pán)延伸,能確切的表示disk spanning這種技術(shù)的含義。如圖磁盤(pán)陣列控制器, 聯(lián)接了四個(gè)磁盤(pán),這四個(gè)磁盤(pán)形成一個(gè)陣列(array),而磁盤(pán)陣列的控制器(RAID controller)是將此四個(gè)磁盤(pán)視為單一的磁盤(pán),如DOS環(huán)境下的C:盤(pán)。這是disk spanning的意義,因為把小容量的磁盤(pán)延伸為大容量的單一磁盤(pán),用戶(hù)不必規劃數據在各磁盤(pán)的分布,而且提高了磁盤(pán)空間的使用率。并使磁盤(pán)容量幾乎可作無(wú)限的延伸;而各個(gè)磁盤(pán)一起作取存的動(dòng)作,比單一磁盤(pán)更為快捷。很明顯的,有此陣列的形成而產(chǎn)生RAID的各種技術(shù)。
磁盤(pán)或數據分段(Disk Striping or Data Striping):
因為磁盤(pán)陣列是將同一陣列的多個(gè)磁盤(pán)視為單一的虛擬磁盤(pán)(virtual disk),所以其數據是以分段(block or segment)的方式順序存放在磁盤(pán)陣列中,數據按需要分段,從*個(gè)磁盤(pán)開(kāi)始放,放到最後一個(gè)磁盤(pán)再回到*個(gè)磁盤(pán)放起,直到數據分布完畢。至于分段的大小視系統而定,有的系統或以1KB最有效率,或以4KB,或以6KB,甚至是4MB或8MB的,但除非數據小于一個(gè)扇區(sector,即521bytes),否則其分段應是512byte的倍數。因為磁盤(pán)的讀寫(xiě)是以一個(gè)扇區為單位,若數據小于512bytes,系統讀取該扇區后,還要做組合或分組(視讀或寫(xiě)而定)的動(dòng)作,浪費時(shí)間。從上圖我們可以看出,數據以分段于在不同的磁盤(pán),整個(gè)陣列的各個(gè)磁盤(pán)可同時(shí)作讀寫(xiě),故數據分段使數據的存取有*的效率,理論上本來(lái)讀一個(gè)包含四個(gè)分段的數據所需要的時(shí)間約=(磁盤(pán)的access time+數據的tranfer time)X4次,現在只要一次就可以完成。
若以N表示磁盤(pán)的數目,R表示讀取,W表示寫(xiě)入,S表示可使用空間,則數據分段的性能為:
R:N(可同時(shí)讀取所有磁盤(pán))
W:N(可同時(shí)寫(xiě)入所有磁盤(pán))
S:N(可利用所有的磁盤(pán),并有*的使用率)
Disk striping也稱(chēng)為RAID 0,很多人以為RAID 0沒(méi)有甚么,其實(shí)這是非常錯誤的觀(guān)念, 因為RAID 0使磁盤(pán)的輸出入有*的效率。而磁盤(pán)陣列有更好效率的原因除數據分段外,它可以同時(shí)執行多個(gè)輸出入的要求,因為陣列中的每一個(gè)磁盤(pán)都能獨立動(dòng)作,分段放在不同的磁盤(pán),不同的磁盤(pán)可同時(shí)作讀寫(xiě),而且能在快取內存及磁盤(pán)作并行存取(parallel access)的動(dòng)作,但只有硬件的磁盤(pán)陣列才有此性能表現。
從上面兩點(diǎn)我們可以看出,disk spanning定義了RAID的基本形式,提供了一個(gè)便宜、靈活、高性能的系統結構,而disk striping解決了數據的存取效率和磁盤(pán)的利用率問(wèn)題,RAID 1至RAID 5是在此基礎上提供磁盤(pán)安全的方案。
RAID 1
RAID 1是使用磁盤(pán)鏡像(disk mirroring)的技術(shù)。磁盤(pán)鏡像應用在RAID 1之前就在很多系統中使用,它的方式是在工作磁盤(pán)(working disk)之外再加一額外的備份磁盤(pán)(backup disk),兩個(gè)磁盤(pán)所儲存的數據完全一樣,數據寫(xiě)入工作磁盤(pán)的同時(shí)亦寫(xiě)入備份磁盤(pán)。磁盤(pán)鏡像不見(jiàn)得就是RAID 1,如Novell Netware亦有提供磁盤(pán)鏡像的功能,但并不表示Netware有了RAID 1的功能。一般磁盤(pán)鏡像和RAID 1有二點(diǎn)*的不同:
RAID 1無(wú)工作磁盤(pán)和備份磁盤(pán)之分,多個(gè)磁盤(pán)可同時(shí)動(dòng)作而有重疊(overlaping)讀取的功能,甚至不同的鏡像磁盤(pán)可同時(shí)作寫(xiě)入的動(dòng)作,這是一種*化的方式,稱(chēng)為負載平衡(load-balance)。例如有多個(gè)用戶(hù)在同一時(shí)間要讀取數據,系統能同時(shí)驅動(dòng)互相鏡像的磁盤(pán),同時(shí)讀取數據,以減輕系統的負載,增加I/O的性能。
RAID 1的磁盤(pán)是以磁盤(pán)延伸的方式形成陣列,而數據是以數據分段的方式作儲存,因而在讀取時(shí),它幾乎和RAID 0有同樣的性能。從RAID的結構就可以很清楚的看出RAID 1和一般磁盤(pán)鏡像的不同。
下圖為RAID 1,每一筆數據都儲存兩份:
從圖可以看出:
R:N(可同時(shí)讀取所有磁盤(pán))
W:N/2(同時(shí)寫(xiě)入磁盤(pán)數)
S:N/2(利用率)
讀取數據時(shí)可用到所有的磁盤(pán),充分發(fā)揮數據分段的優(yōu)點(diǎn);寫(xiě)入數據時(shí),因為有備份,所以要寫(xiě)入兩個(gè)磁盤(pán),其效率是N/2,磁盤(pán)空間的使用率也只有全部磁盤(pán)的一半。
很多人以為RAID 1要加一個(gè)額外的磁盤(pán),形成浪費而不看好RAID 1,事實(shí)上磁盤(pán)越來(lái)越便宜,并不見(jiàn)得造成負擔,況且RAID 1有*的容錯(fault tolerence)能力,其效率也是除RAID 0之外*的。
在磁盤(pán)陣列的技術(shù)上,從RAID 1到RAID 5,不停機的意思表示在工作時(shí)如發(fā)生磁盤(pán)故障, 系統能持續工作而不停頓,仍然可作磁盤(pán)的存取,正常的讀寫(xiě)數據;而容錯則表示即使磁盤(pán)故障,數據仍能保持完整,可讓系統存取到正確的數據,而SCSI的磁盤(pán)陣列更可在工作中抽換磁盤(pán),并可自動(dòng)重建故障磁盤(pán)的數據。磁盤(pán)陣列之所以能做到容錯及不停機, 是因為它有冗余的磁盤(pán)空間可資利用,這也就是Redundant的意義。
RAID 2
RAID 2是把數據分散為位(bit)或塊(block),加入海明碼Hamming Code,在磁盤(pán)陣列中作間隔寫(xiě)入(interleaving)到每個(gè)磁盤(pán)中,而且地址(address)都一樣,也就是在各個(gè)磁盤(pán)中,其數據都在相同的磁道(cylinder or track)及扇區中。RAID 2的設計是使用共軸同步(spindle synchronize)的技術(shù),存取數據時(shí),整個(gè)磁盤(pán)陣列一起動(dòng)作,在各作磁
盤(pán)的相同位置作平行存取,所以有*的存取時(shí)間(accesstime),其總線(xiàn)(bus)是特別的設計,以大帶寬(band wide)并行傳輸所存取的數據,所以有*的傳輸時(shí)間(transfer time)。在大型檔案的存取應用,RAID 2有*的性能,但如果檔案太小,會(huì )將其性能拉下來(lái),因為磁盤(pán)的存取是以扇區為單位,而RAID 2的存取是所有磁盤(pán)平行動(dòng)作,而且是作
單位元的存取,故小于一個(gè)扇區的數據量會(huì )使其性能大打折扣。RAID 2是設計給需要連續且大量數據的電腦使用的,如大型電腦(mainframe to supercomputer)、作影像處理或CAD/CAM的工作站(workstation)等,并不適用于一般的多用戶(hù)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器 (network server),小型機或PC。
RAID 2的安全采用內存陣列(memory array)的技術(shù),使用多個(gè)額外的磁盤(pán)作單位錯誤校正(single-bit correction)及雙位錯誤檢測(double-bit detection);至于需要多少個(gè)額外的磁盤(pán),則視其所采用的方法及結構而定,例如八個(gè)數據磁盤(pán)的陣列可能需要三個(gè)額外的磁盤(pán),有三十二個(gè)數據磁盤(pán)的高檔陣列可能需要七個(gè)額外的磁盤(pán)。
RAID 3
RAID 3的數據儲存及存取方式都和RAID 2一樣,但在安全方面以奇偶校驗(parity check)取代海明碼做錯誤校正及檢測,所以只需要一個(gè)額外的校檢磁盤(pán)(parity disk)。奇偶校驗值的計算是以各個(gè)磁盤(pán)的相對應位作XOR的邏輯運算,然后將結果寫(xiě)入奇偶校驗磁盤(pán),任何數據的修改都要做奇偶校驗計算,
如某一磁盤(pán)故障,換上新的磁盤(pán)后,整個(gè)磁盤(pán)陣列(包括奇偶校驗磁盤(pán))需重新計算一次, 將故障磁盤(pán)的數據恢復并寫(xiě)入新磁盤(pán)中;如奇偶校驗磁盤(pán)故障,則重新計算奇偶校驗值, 以達容錯的要求.
較之RAID 1及RAID 2,RAID 3有85%的磁盤(pán)空間利用率,其性能比RAID 2稍差,因為要做奇偶校驗計算;共軸同步的平行存取在讀檔案時(shí)有很好的性能,但在寫(xiě)入時(shí)較慢,需要重新計算及修改奇偶校驗磁盤(pán)的內容。RAID 3和RAID 2有同樣的應用方式,適用大檔案及大量數據輸出入的應用,并不適用于PC及網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器。
RAID 4
RAID 4也使用一個(gè)校驗磁盤(pán),但和RAID 3不一樣
RAID 4是以扇區作數據分段,各磁盤(pán)相同位置的分段形成一個(gè)校驗磁盤(pán)分段(parity block),放在校驗磁盤(pán)。這種方式可在不同的磁盤(pán)平行執行不同的讀取命今,大幅提高磁盤(pán)陣列的讀取性能;但寫(xiě)入數據時(shí),因受限于校驗磁盤(pán),同一時(shí)間只能作一次,啟動(dòng)所有磁盤(pán)讀取數據形成同一校驗分段的所有數據分段,與要寫(xiě)入的數據做好校驗計算再寫(xiě)入。即使如此,小型檔案的寫(xiě)入仍然比RAID 3要快,因其校驗計算較簡(jiǎn)單而非作位(bit level)的計算;但校驗磁盤(pán)形成RAID 4的瓶頸,降低了性能,因有RAID 5而使得RAID 4較少使用。
RAID 5
RAID5避免了RAID 4的瓶頸,方法是不用校驗磁盤(pán)而將校驗數據以循環(huán)的方式放在每一個(gè)磁盤(pán)中,
磁盤(pán)陣列的*個(gè)磁盤(pán)分段是校驗值,第二個(gè)磁盤(pán)至后一個(gè)磁盤(pán)再折回*個(gè)磁盤(pán)的分段是數據,然后第二個(gè)磁盤(pán)的分段是校驗值,從第三個(gè)磁盤(pán)再折回第二個(gè)磁盤(pán)的分段是數據,以此類(lèi)推,直到放完為止。圖中的*個(gè)parity block是由A0,A1...,B1,B2計算出來(lái),第二個(gè)parity block是由B3,B4,...,C4,D0計算出來(lái),也就是校驗值是由各磁盤(pán)
同一位置的分段的數據所計算出來(lái)。這種方式能大幅增加小檔案的存取性能,不但可同時(shí)讀取,甚至有可能同時(shí)執行多個(gè)寫(xiě)入的動(dòng)作,如可寫(xiě)入數據到磁盤(pán)1而其parity block在磁盤(pán)2,同時(shí)寫(xiě)入數據到磁盤(pán)4而其parity block在磁盤(pán)1,這對聯(lián)機交易處理 (OLTP,On-Line Transaction Processing)如銀行系統、金融、股市等或大型數據庫的
處理提供了*的解決方案(solution),因為這些應用的每一筆數據量小,磁盤(pán)輸出入頻繁而且必須容錯。
事實(shí)上RAID 5的性能并無(wú)如此理想,因為任何數據的修改,都要把同一parityblock的所有數據讀出來(lái)修改后,做完校驗計算再寫(xiě)回去,也就是RMW cycle(Read-Modify-Write cycle,這個(gè)cycle沒(méi)有包括校驗計算);正因為牽一而動(dòng)全身,所以:
R:N(可同時(shí)讀取所有磁盤(pán))
W:1(可同時(shí)寫(xiě)入磁盤(pán)數)
S:N-1(利用率)
RAID 5的控制比較復雜,尤其是利用硬件對磁盤(pán)陣列的控制,因為這種方式的應用比其他的RAID level要掌握更多的事情,有更多的輸出入需求,既要速度快,又要處理數據,計算校驗值,做錯誤校正等,所以?xún)r(jià)格較高;其應用*是OLTP,至于用于圖像處理等, 不見(jiàn)得有*的性能。
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2.磁盤(pán)陣列的額外容錯功能：Spare or Standby driver
事實(shí)上容錯功能已成為磁盤(pán)陣列最受青睞的特性,為了加強容錯的功能以及使系統在磁盤(pán)故障的情況下能迅速的重建數據,以維持系統的性能,一般的磁盤(pán)陣列系統都可使用熱備份(hot spare or hot standby driver)的功能,所謂熱備份是在建立(configure) 磁盤(pán)陣列系統的時(shí)候,將其中一磁盤(pán)指定為后備磁盤(pán),此一磁盤(pán)在平常并不操作,但若陣列中某一磁盤(pán)發(fā)生故障時(shí),磁盤(pán)陣列即以后備磁盤(pán)取代故障磁盤(pán),并自動(dòng)將故障磁盤(pán)的數據重建(rebuild)在后備磁盤(pán)之上,因為反應快速,加上快取內存減少了磁盤(pán)的存取, 所以數據重建很快即可完成,對系統的性能影響很小。對于要求不停機的大型數據處理中心或控制中心而言,熱備份更是一項重要的功能,因為可避免晚間或無(wú)人值守時(shí)發(fā)生磁盤(pán)故障所引起的種種不便。
另一個(gè)額外的容錯功能是壞扇區轉移(bad sector reassignment)。壞扇區是磁盤(pán)故障的主要原因,通常磁盤(pán)在讀寫(xiě)時(shí)發(fā)生壞扇區的情況即表示此磁盤(pán)故障,不能再作讀寫(xiě),甚至有很多系統會(huì )因為不能完成讀寫(xiě)的動(dòng)作而死機,但若因為某一扇區的損壞而使工作不能完成或要更換磁盤(pán),則使得系統性能大打折扣,而系統的維護成本也未免太高了。壞扇區轉移是當磁盤(pán)陣列系統發(fā)現磁盤(pán)有壞扇區時(shí),以另一空白且無(wú)故障的扇區取代該扇區, 以延長(cháng)磁盤(pán)的使用壽命,減少壞磁盤(pán)的發(fā)生率以及系統的維護成本。所以壞扇區轉移功能使磁盤(pán)陣列具有更好的容錯性,同時(shí)使整個(gè)系統有*的成本效益比。其他如可外接電池備援磁盤(pán)陣列的快取內存,以避免突然斷電時(shí)數據尚未寫(xiě)回磁盤(pán)而損失;或在RAID 1時(shí)作寫(xiě)入一致性的檢查等,雖是小技術(shù),但亦不可忽視。
3.硬件磁盤(pán)陣列還是軟件磁盤(pán)陣列
市面上有所謂硬件磁盤(pán)陣列與軟件磁盤(pán)陣列之分,因為軟件磁盤(pán)陣列是使用一塊SCSI卡與磁盤(pán)連接,一般用戶(hù)誤以為是硬件磁盤(pán)陣列。以上所述主要是針對硬件磁盤(pán)陣列,其與軟件磁盤(pán)陣列有幾個(gè)*的區別:
l 一個(gè)完整的磁盤(pán)陣列硬件與系統相接。
l 內置CPU,與主機并行運作,所有的I/O都在磁盤(pán)陣列中完成,減輕主機的工作負載, 增加系統整體性能。
l 有卓越的總線(xiàn)主控(bus mastering)及DMA(Direct Memory Access)能力,加速數據的存取及傳輸性能。
l 與快取內存結合在一起,不但增加數據的存取及傳輸性能,更因減少對磁盤(pán)的存取而增加磁盤(pán)的壽命。
l 能充份利用硬件的特性,反應快速。
軟件磁盤(pán)陣列是一個(gè)程序,在主機執行,透過(guò)一塊SCSI卡與磁盤(pán)相接形成陣列,它*的優(yōu)點(diǎn)是便宜,因為沒(méi)有硬件成本(包括研發(fā)、生產(chǎn)、維護等),而SCSI卡很便宜(亦有的軟件磁盤(pán)陣列使用指定的很貴的SCSI卡);它*的缺點(diǎn)是使主機多了很多進(jìn)程(process),增加了主機的負擔,尤其是輸出入需求量大的系統。目前市面上的磁盤(pán)陣列
系統大部份是硬件磁盤(pán)陣列,軟件磁盤(pán)陣列較少。
4.磁盤(pán)陣列卡還是磁盤(pán)陣列控制器
磁盤(pán)陣列控制卡一般用于小系統，供單機使用。與主機共用電源，在關(guān)閉主機電源時(shí)存在丟失Cache中的數據的的危險。磁盤(pán)陣列控制卡只有常用總線(xiàn)方式的接口，其驅動(dòng)程序與主機、主機所用的操作系統都有關(guān)系，有軟、硬件兼容性問(wèn)題并潛在地增加了系統的不安定因素。在更換磁盤(pán)陣列卡時(shí)要冒磁盤(pán)損壞，資料失落，隨時(shí)停機的風(fēng)險。
獨立式磁盤(pán)陣列控制一般用于較大型系統,可分為兩種：
單通道磁盤(pán)陣列和多通道式磁盤(pán)陣列，單通道磁盤(pán)陣列只能接一臺主機，有很大的擴充限制。多通道磁盤(pán)陣列可接多個(gè)系統同時(shí)使用,以群集(cluster)的方式共用磁盤(pán)陣列,這使內接式陣列控制及單接式磁盤(pán)陣列無(wú)用武之地。目前多數獨立形式的磁盤(pán)陣列子系統，其本身與主機系統的硬件及操作環(huán)境?
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首先，IDE的性能不會(huì )比SCSI更高的。特別是在多任務(wù)的情況下。一般廣告給出的是
*傳送速度，并不是工作速度。同一時(shí)期的IDE與SCSI盤(pán)相比，主要是產(chǎn)量比較大，
電路比較簡(jiǎn)單，所以?xún)r(jià)格比SCSI低很多，但要比性能，則差遠了。
RAID并沒(méi)有限制使用多少個(gè)盤(pán)，應時(shí)盤(pán)越多越好。
對于SCSI結構的RAID來(lái)說(shuō)，盤(pán)的*數量與SCSI通道（SCSI總線(xiàn)）的數量有關(guān)一般是每個(gè)通道最多裝15個(gè)盤(pán)（SCSI/3）對于FC-AL（光纖)則是每個(gè)通道200個(gè)盤(pán)當然，要有這樣大的磁盤(pán)箱才行!
