RAID原理,磁盘阵列(Disk Array)原理及应用

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。  

过去十几年来,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(through put),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,比较便宜;RAID 3及RAID 4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, RAID 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 or 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。  

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,增加I/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。  

下图为RAID 1,每一笔数据都储存两份: 从图可以看出: 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。  

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。  

RAID 2  

RAID 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 or track)及扇区中。RAID 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)是非凡的 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,但假如档案太小,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。RAID 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。  

RAID 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。  

RAID 3  

RAID 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。RAID 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。  

RAID 4  

RAID 4也使用一个校验磁盘,但和RAID 3不一样,如图:  

RAID 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 4 较少使用。  

RAID 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: R:N(可同时读取所有磁盘) W:1(可同时写入磁盘数) S:N-1(利用率)  

RAID 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要把握更多的事情,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 or 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 or 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,以避免忽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:  

▲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。目前多数独立形式的磁盘阵列 子系统，其本身与主机系统的硬件及操作环境: : 请问用SCSI硬盘做软件RAID与用性能更高一些的IDE硬盘做软件镜象，哪个性能更好一些？ : 当然是SCSI,但用软件镜象不能实现双工。因为备分的只是数据部分，引导区部分不在 : 上面。假如用IDE的话，无论RAID0,1,5,10,50都必须同时读写。可能很快斐捎才袒 道或扇区。RAID 0,1只要求两个硬盘，RAID 5则至少三个硬盘。  

首先，IDE的性能不会比SCSI更高的。非凡是在多任务的情况下。一般广告给出的是 最大传送速度，并不是工作速度。同一时期的IDE与SCSI盘相比，主要是产量比较大， 电路比较简单，所以价格比SCSI低很多，但要比性能，则差远了。  

RAID并没有限制使用多少个盘，应时盘越多越好。 对于SCSI结构的RAID来说，盘的最大数量与SCSI通道（SCSI总线）的数量有关 一般是每个通道最多装15个盘（SCSI/3） 对于FC-AL（光纤)则是每个通道200个盘  

当然，要有这样大的磁盘箱才行! , COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px">
首先，IDE的性能不会比SCSI更高的。非凡是在多任务的情况下。一般广告给出的是 最大传送速度，并不是工作速度。同一时期的IDE与SCSI盘相比，主要是产量比较大， 电路比较简单，所以价格比SCSI低很多，但要比性能，则差远了。  

RAID并没有限制使用多少个盘，应时盘越多越好。 对于SCSI结构的RAID来说，盘的最大数量与SCSI通道（SCSI总线）的数量有关 一般是每个通道最多装15个盘（SCSI/3） 对于FC-AL（光纤)则是每个通道200个盘  

当然，要有这样大的磁盘箱才行!