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磁盤陣列技術 |
| 發(fā)布時間: 2012/5/28 13:53:14 |
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磁盤陣列(DiscArray)是由許多臺磁盤機或光盤機按一定的規(guī)則，如分條(Striping)、分塊(Declustering)、交叉存取(Interleaving)等組成一個快速，超大容量的外存儲器子系統(tǒng)。它在陣列控制器的控制和管理下，實現(xiàn)快速，并行或交叉存取，并有較強的容錯能力。從用戶觀點看，磁盤陣列雖然是由幾個、幾十個甚至上百個盤組成，但仍可認為是一個單一磁盤，其容量可以高達幾百～上千千兆字節(jié)，因此這一技術廣泛為多媒體系統(tǒng)所歡迎。 盤陣列的全稱是：RedundanArrayofInexpensiveDisk，簡稱RAID技術。它是1988年由美國加州大學Berkeley分校的DavidPatterson教授等人提出來的磁盤冗余技術。從那時起，磁盤陣列技術發(fā)展得很快，并逐步走向成熟。現(xiàn)在已基本得到公認的有下面八種系列。 1.RAID0(0級盤陣列) RAID0又稱數(shù)據分塊，即把數(shù)據分布在多個盤上，沒有容錯措施。其容量和數(shù)據傳輸率是單機容量的N倍，N為構成盤陣列的磁盤機的總數(shù)，I/O傳輸速率高，但平均無故障時間MTTF(MeanTimeToFailure)只有單臺磁盤機的N分之一，因此零級盤陣列的可靠性最差。 2.RAID1(1級盤陣列) RAID1又稱鏡像(Mirror)盤，采用鏡像容錯來提高可靠性。即每一個工作盤都有一個鏡像盤，每次寫數(shù)據時必須同時寫入鏡像盤，讀數(shù)據時只從工作盤讀出。一旦工作盤發(fā)生故障立即轉入鏡像盤，從鏡像盤中讀出數(shù)據，然后由系統(tǒng)再恢復工作盤正確數(shù)據。因此這種方式數(shù)據可以重構，但工作盤和鏡像盤必須保持一一對應關系。這種盤陣列可靠性很高，但其有效容量減小到總容量一半以下。因此RAID1常用于對出錯率要求極嚴的應用場合，如財政、金融等領域。 3.RAID2(2級盤陣列) RAID2又稱位交叉，它采用漢明碼作盤錯檢驗，無需在每個扇區(qū)之后進行CRC(CyclicReDundancycheck)檢驗。漢明碼是一種(n,k)線性分組碼，n為碼字的長度，k為數(shù)據的位數(shù)，r為用于檢驗的位數(shù)，故有：n=2r－1r=n－k 因此按位交叉存取最有利于作漢明碼檢驗。這種盤適于大數(shù)據的讀寫。但冗余信息開銷還是太大，阻止了這類盤的廣泛應用。 4.RAID3(3級盤陣列) RAID3為單盤容錯并行傳輸陣列盤。它的特點是將檢驗盤減小為一個(RAID2校驗盤為多個，DAID1檢驗盤為1比1)，數(shù)據以位或字節(jié)的方式存于各盤(分散記錄在組內相同扇區(qū)號的各個磁盤機上)。它的優(yōu)點是整個陣列的帶寬可以充分利用，使批量數(shù)據傳輸時間減�。黄淙秉c是每次讀寫要牽動整個組，每次只能完成一次I/O。 5.RAID4(4級盤陣列) RAID4是一種可獨立地對組內各盤進行讀寫的陣列。其校驗盤也只有一個。 RAID4和RAID3的區(qū)別是：RAID3是按位或按字節(jié)交叉存取，而RAID4是按塊(扇區(qū))存取，可以單獨地對某個盤進行操作，它無需象RAID3那樣，那怕每一次小I/O操作也要涉及全組，只需涉及組中兩臺磁盤機(一臺數(shù)據盤，一臺檢驗盤)即可。從而提高了小量數(shù)據的I/O速率。 6.RAID5(5級盤陣列) RAID5是一種旋轉奇偶校驗獨立存取的陣列。它和RAID1、2、3、4各盤陣列的不同點，是它沒有固定的校驗盤，而是按某種規(guī)則把其冗余的奇偶校驗信息均勻地分布在陣列所屬的所有磁盤上。于是在同一臺磁盤機上既有數(shù)據信息也有校驗信息。這一改變解決了爭用校驗盤的問題，因此DAID5內允許在同一組內并發(fā)進行多個寫操作。所以RAID5即適于大數(shù)據量的操作，也適于各種事務處理。它是一種快速，大容量和容錯分布合理的磁盤陣列。 7.RAID6(6級盤陣列) RAID6是一種雙維奇偶校驗獨立存取的磁盤陣列。它的冗余的檢、糾錯信息均勻分布在所有磁盤上，而數(shù)據仍以大小可變的塊以交叉方式存于各盤。這類盤陣列可容許雙盤出錯。 8.RAID7(7級盤陣列) RAID7是在RAID6的基礎上，采用了cache技術，它使得傳輸率和響應速度都有較大的提高。Cache是一種高速緩沖存儲器，即數(shù)據在寫入磁盤陣列以前，先寫入cache中。一般采用cache分塊大小和磁盤陣列中數(shù)據分塊大小相同，即一塊cache分塊對應一塊磁盤分塊。在寫入時將數(shù)據分別寫入兩個獨立的cache，這樣即使其中有一個cache出故障，數(shù)據也不會丟失。寫操作將直接在cache級響應，然后再轉到磁盤陣列。數(shù)據從cache寫到磁盤陣列時，同一磁道的數(shù)據將在一次操作中完成，避免了不少塊數(shù)據多次寫的問題，提高了速度。在讀出時，主機也是直接從cache中讀出，而不是從陣列盤上讀取，減少與磁盤讀操作次數(shù)，這樣比較充分地利用了磁盤帶寬。 這樣cache和磁盤陣列技術的結合，彌補了磁盤陣列的不足(如分塊寫請求響應差等缺陷)，從而使整個系統(tǒng)以高效、快速、大容量、高可靠以及靈活、方便的存儲系統(tǒng)提供給用戶，從而滿足了當前的技術發(fā)展的需要，尤其是多媒體系統(tǒng)的需要。 解析磁盤陣列的關鍵技術 存儲技術在計算機技術中受到廣泛關注，服務器存儲技術更是業(yè)界關心的熱點。一談到服務器存儲技術，人們幾乎立刻與SCSI（Small Computer Systems Interface）技術聯(lián)系在一起。盡管廉價的IDE硬盤在性能、容量等關鍵技術指標上已經大大地提高，可以滿足甚至超過原有的服務器存儲設備的需求。但由于Internet的普及與高速發(fā)展，網絡服務器的規(guī)模也變得越來越大。同時，Internet不僅對網絡服務器本身，也對服務器存儲技術提出了苛刻要求。無止境的市場需求促使服務器存儲技術飛速發(fā)展。而磁盤陣列是服務器存儲技術中比較成熟的一種，也是在市場上比較多見的大容量外設之一。 在高端，傳統(tǒng)的存儲模式無論在規(guī)模上，還是安全上，或是性能上，都無法滿足特殊應用日益膨脹的存儲需求。諸如存儲局域網（SAN）等新的技術或應用方案不斷涌現(xiàn)，新的存儲體系結構和解決方案層出不窮，服務器存儲技術由直接連接存儲（DAS）向存儲網絡技術（NAS）方面擴展。在中低端，隨著硬件技術的不斷發(fā)展，在強大市場需求的推動下，本地化的、基于直接連接的磁盤陣列存儲技術，在速度、性能、存儲能力等方面不斷地邁上新臺階。并且，為了滿足用戶對存儲數(shù)據的安全、存取速度和超大的存儲容量的需求，磁盤陣列存儲技術也從講求技術創(chuàng)新、重視系統(tǒng)優(yōu)化，以技術方案為主導的技術推動期逐漸進入了強調工業(yè)標準、著眼市場規(guī)模，以成熟產品為主導的產品普及期。 回顧磁盤陣列的發(fā)展歷程，一直和SCSI技術的發(fā)展緊密關聯(lián)，一些廠商推出的專有技術，如IBM的SSA（Serial Storage Architecture）技術等，由于兼容性和升級能力不盡如人意，在市場上的影響都遠不及SCSI技術廣泛。由于SCSI技術兼容性好，市場需求旺盛，使得SCSI技術發(fā)展很快。從最原始5MB/s傳輸速度的SCSI-1，一直發(fā)展到現(xiàn)在LVD接口的160MB/s傳輸速度的Ultra 160 SCSI，320MB/s傳輸速度的Ultra 320 SCSI接口也將在2001年出現(xiàn)（見表1）。從當前市場看，Ultra 3 SCSI技術和RAID（Redundant Array of Inexpensive Disks）技術還應是磁盤陣列存儲的主流技術。 SCSI技術 SCSI本身是為小型機（區(qū)別于微機而言）定制的存儲接口，SCSI協(xié)議的Version 1 版本也僅規(guī)定了5MB/s傳輸速度的SCSI-1的總線類型、接口定義、電纜規(guī)格等技術標準。隨著技術的發(fā)展，SCSI協(xié)議的Version 2版本作了較大修訂，遵循SCSI-2協(xié)議的16位數(shù)據帶寬，高主頻的SCSI存儲設備陸續(xù)出現(xiàn)并成為市場的主流產品，也使得SCSI技術牢牢地占據了服務器的存儲市場。SCSI-3協(xié)議則增加了能滿足特殊設備協(xié)議所需要的命令集，使得SCSI協(xié)議既適應傳統(tǒng)的并行傳輸設備，又能適應最新出現(xiàn)的一些串行設備的通訊需要，如光纖通道協(xié)議（FCP）、串行存儲協(xié)議（SSP）、串行總線協(xié)議等。漸漸地，“小型機”的概念開始弱化，“高性能計算機”和“服務器”的概念在人們的心目中得到強化，SCSI一度成為用戶從硬件上來區(qū)分“服務器”和PC機的一種標準。 通常情況下，用戶對SCSI總線的關心放在硬件上，不同的SCSI的工作模式意味著有不同的最大傳輸速度。如40MB/s的Ultra SCSI、160MB/s的Ultra 3 SCSI等等。但最大傳輸速度并不代表設備正常工作時所能達到的平均訪問速度，也不意味著不同SCSI工作模式之間的訪問速度存在著必然的“倍數(shù)”關系。SCSI控制器的實際訪問速度與SCSI硬盤型號、技術參數(shù)，以及傳輸電纜長度、抗干擾能力等因素關系密切。提高SCSI總線效率必須關注SCSI設備端的配置和傳輸線纜的規(guī)范和質量。可以看出，Ultra 3模式下獲得的實際訪問速度還不到Ultra Wide模式下實際訪問速度的2倍。 一般說來，選用高速的SCSI硬盤、適當增加SCSI通道上連接硬盤數(shù)、優(yōu)化應用對磁盤數(shù)據的訪問方式等，可以大幅度提高SCSI總線的實際傳輸速度。尤其需要說明的是，在同樣條件下，不同的磁盤訪問方式下獲得的SCSI總線實際傳輸速度可以相差幾十倍，對應用的優(yōu)化是獲得高速存儲訪問時必須關注的重點，而這卻常常被一些用戶所忽視。按4KB數(shù)據塊隨機訪問6塊SCSI硬盤時，SCSI總線的實際訪問速度為2.74MB/s，SCSI總線的工作效率僅為總線帶寬的1.7％；在完全不變的條件下，按256KB的數(shù)據塊對硬盤進行順序讀寫，SCSI總線的實際訪問速度為141.2MB/s，SCSI總線的工作效率高達總線帶寬的88％。 隨著傳輸速度的提高，信號傳輸過程中的信號衰減和干擾問題顯得越來越突出，終結器在一定程度上可以起到降低信號波反射，改善信號質量的作用。同時，LVD（Low-Voltage Differential）技術的應用也越來越多。LVD工作模式是和SE（Single-Ended）模式相對應的，它可以很好地抵抗傳輸干擾，延長信號的傳輸距離。同時，Ultra 2 SCSI和Ultra 3 SCSI模式也通過采用專用的雙絞型SCSI電纜來提高信號傳輸?shù)馁|量。 在磁盤陣列的概念中，大容量硬盤并不是指單個硬盤容量大，而是指將單個硬盤通過RAID技術，按RAID 級別組合成更大容量的硬盤。所以在磁盤陣列技術中，RAID技術是比較關鍵的，同時，根據所選用的RAID級別的不同，得到的“大硬盤”的功能也有不同。 RAID是一項非常成熟的技術，但由于其價格比較昂貴，配置也不方便，缺少相對專業(yè)的技術人員，所以應用并不十分普及。據統(tǒng)計，全世界75％的服務器系統(tǒng)目前沒有配置RAID。由于服務器存儲需求對數(shù)據安全性、擴展性等方面的要求越來越高，RAID市場的開發(fā)潛力巨大。RAID技術是一種工業(yè)標準，各廠商對RAID級別的定義也不盡相同。目前對RAID級別的定義可以獲得業(yè)界廣泛認同的只有4種，RAID 0、RAID 1、RAID 0＋1和RAID 5。 RAID 0是無數(shù)據冗余的存儲空間條帶化，具有低成本、極高讀寫性能、高存儲空間利用率的RAID級別，適用于Video / Audio信號存儲、臨時文件的轉儲等對速度要求極其嚴格的特殊應用。但由于沒有數(shù)據冗余，其安全性大大降低，構成陣列的任何一塊硬盤損壞都將帶來數(shù)據災難性的損失。所以，在RAID 0中配置4塊以上的硬盤，對于一般應用來說是不明智的。 RAID 1是兩塊硬盤數(shù)據完全鏡像，安全性好，技術簡單，管理方便，讀寫性能均好。但其無法擴展（單塊硬盤容量），數(shù)據空間浪費大，嚴格意義上說，不應稱之為“陣列”。 RAID 0＋1綜合了RAID 0和RAID 1的特點，獨立磁盤配置成RAID 0，兩套完整的RAID 0互相鏡像。它的讀寫性能出色，安全性高，但構建陣列的成本投入大，數(shù)據空間利用率低，不能稱之為經濟高效的方案。 RAID 5是目前應用最廣泛的RAID技術。各塊獨立硬盤進行條帶化分割，相同的條帶區(qū)進行奇偶校驗（異或運算），校驗數(shù)據平均分布在每塊硬盤上。以n塊硬盤構建的RAID 5陣列可以有n－1塊硬盤的容量，存儲空間利用率非常高（見圖6）。任何一塊硬盤上數(shù)據丟失，均可以通過校驗數(shù)據推算出來。它和RAID 3最大的區(qū)別在于校驗數(shù)據是否平均分布到各塊硬盤上。RAID 5具有數(shù)據安全、讀寫速度快，空間利用率高等優(yōu)點，應用非常廣泛，但不足之處是1塊硬盤出現(xiàn)故障以后，整個系統(tǒng)的性能大大降低。 對于RAID 1、RAID 0＋1、RAID 5陣列，配合熱插拔（也稱熱可替換）技術，可以實現(xiàn)數(shù)據的在線恢復，即當RAID陣列中的任何一塊硬盤損壞時，不需要用戶關機或停止應用服務，就可以更換故障硬盤，修復系統(tǒng)，恢復數(shù)據，對實現(xiàn)HA（High Availability）高可用系統(tǒng)具有重要意義。 各廠商還在不斷推出各種RAID級別和標準。例如更高安全性的，從RAID控制器開始鏡像的RAID；更快讀寫速度的，為構成RAID的每塊硬盤配置CPU和Cache的RAID等等，但都不普及。用IDE硬盤構建RAID的技術是新出現(xiàn)的一個技術方向，對市場影響也較大，其突出優(yōu)點就是構建RAID陣列非常廉價。目前IDE RAID可以支持RAID 0、RAID 1和RAID 0＋1三個級別，最多支持4塊IDE硬盤。由于受IDE設備擴展性的限制，同時，也由于IDE設備也缺乏熱可替換的技術支持的原因，IDE RAID的應用還不多。 總之，發(fā)展是永恒的主題，在服務器存儲技術領域也不例外。一方面，一些巨頭廠商嘗試推出新的概念或標準，來領導服務器及存儲技術的發(fā)展方向，較有代表性的如Intel力推的IA-64架構及存儲概念；另一方面，致力于存儲的專業(yè)廠商以現(xiàn)有技術和工業(yè)標準為基礎，推動SCSI、RAID、Fibre Channel等基于現(xiàn)有存儲技術和方案快速更新和發(fā)展。在市場經濟條件下，檢驗技術發(fā)展的唯一標準是市場的認同。市場呼喚好的技術，而新的技術必須起到推動市場向前發(fā)展作用時才能被廣泛接受和承認。隨著高性能計算機市場的發(fā)展，高性能比、高可靠性、高安全性的存儲新技術也會不斷涌現(xiàn)。 現(xiàn)在市場上的磁盤陣列產品有很多，用戶在選擇磁盤陣列產品的過程中，也要根據自己的需求來進行選擇，現(xiàn)在列舉幾個磁盤陣列產品，同時也為需要磁盤陣列產品的用戶提供一些選擇。表2列出了幾種磁盤陣列的主要技術指標。 -------------------------------------------------------------------------------- 小知識：磁盤陣列的可靠性和可用性 可靠性，指的是硬盤在給定條件下發(fā)生故障的概率�？捎眯裕傅氖怯脖P在某種用途中可能用的時間。磁盤陣列可以改善硬盤系統(tǒng)的可靠性。從表3中可以看到RAID硬盤子系統(tǒng)與單個硬盤子系統(tǒng)的可靠性比較。 此外，在系統(tǒng)的可用性方面，單一硬盤系統(tǒng)的可用性比沒有數(shù)據冗余的磁盤陣列要好，而冗余磁盤陣列的可用性比單個硬盤要好得多。這是因為冗余磁盤陣列允許單個硬盤出錯，而繼續(xù)正常工作；一個硬盤故障后的系統(tǒng)恢復時間也大大縮短（與從磁帶恢復數(shù)據相比）；冗余磁盤陣列發(fā)生故障時，硬盤上的數(shù)據是故障當時的數(shù)據，替換后的硬盤也將包含故障時的數(shù)據。但是，要得到完全的容錯性能，計算機硬盤子系統(tǒng)的其它部件也必須有冗余。 本文出自：億恩科技【mszdt.com】 |
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