磁盤(pán)陳列技術(shù)
磁盤(pán)陣列(discarray)是由許多臺(tái)磁盤(pán)機(jī)或光盤(pán)機(jī)按一定的規(guī)則，如分條(striping)、分塊(declustering)、交叉存取(interleaving)等組成一個(gè)快速，超大容量的外存儲(chǔ)器子系統(tǒng)。它在陣列控制器的控制和管理下，實(shí)現(xiàn)快速，并行或交叉存取，并有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。從用戶觀點(diǎn)看，磁盤(pán)陣列雖然是由幾個(gè)、幾十個(gè)甚至上百個(gè)盤(pán)組成，但仍可認(rèn)為是一個(gè)單一磁盤(pán)，其容量可以高達(dá)幾百～上千千兆字節(jié)，因此這一技術(shù)廣泛為多媒體系統(tǒng)所歡迎。
一、磁盤(pán)陣列
磁盤(pán)陣列的全稱是：redundanarrayofinexpensivedisk，簡(jiǎn)稱raid技術(shù)。它是1988年由美國(guó)加州大學(xué)berkeley分校的davidpatterson教授等人提出來(lái)的磁盤(pán)冗余技術(shù)。從那時(shí)起，磁盤(pán)陣列技術(shù)發(fā)展得很快，并逐步走向成熟。現(xiàn)在已基本得到公認(rèn)的有下面八種系列。
1、raid0(0級(jí)盤(pán)陣列)
raid0又稱數(shù)據(jù)分塊，即把數(shù)據(jù)分布在多個(gè)盤(pán)上，沒(méi)有容錯(cuò)措施。其容量和數(shù)據(jù)傳輸率是單機(jī)容量的n倍，n為構(gòu)成盤(pán)陣列的磁盤(pán)機(jī)的總數(shù)，i/o傳輸速率高，但平均無(wú)故障時(shí)間mttf(meantimetofailure)只有單臺(tái)磁盤(pán)機(jī)的n分之一，因此零級(jí)盤(pán)陣列的可靠性最差。
2、raid1(1級(jí)盤(pán)陣列)
raid1又稱鏡像(mirror)盤(pán)，采用鏡像容錯(cuò)來(lái)提高可靠性。即每一個(gè)工作盤(pán)都有一個(gè)鏡像盤(pán)，每次寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)必須同時(shí)寫(xiě)入鏡像盤(pán)，讀數(shù)據(jù)時(shí)只從工作盤(pán)讀出。一旦工作盤(pán)發(fā)生故障立即轉(zhuǎn)入鏡像盤(pán)，從鏡像盤(pán)中讀出數(shù)據(jù)，然后由系統(tǒng)再恢復(fù)工作盤(pán)正確數(shù)據(jù)。因此這種方式數(shù)據(jù)可以重構(gòu)，但工作盤(pán)和鏡像盤(pán)必須保持一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種盤(pán)陣列可靠性很高，但其有效容量減小到總?cè)萘恳话胍韵隆Ｒ虼?/FONT>raid1常用于對(duì)出錯(cuò)率要求極嚴(yán)的應(yīng)用場(chǎng)合，如財(cái)政、金融等領(lǐng)域。
3、raid2(2級(jí)盤(pán)陣列)
raid2又稱位交叉，它采用漢明碼作盤(pán)錯(cuò)檢驗(yàn)，無(wú)需在每個(gè)扇區(qū)之后進(jìn)行crc(cyclicredundancycheck)檢驗(yàn)。漢明碼是一種(n,k)線性分組碼，n為碼字的長(zhǎng)度，k為數(shù)據(jù)的位數(shù)，r為用于檢驗(yàn)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(yàn)。這種盤(pán)適于大數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。但冗余信息開(kāi)銷(xiāo)還是太大，阻止了這類盤(pán)的廣泛應(yīng)用。
4、raid3(3級(jí)盤(pán)陣列)
raid3為單盤(pán)容錯(cuò)并行傳輸陣列盤(pán)。它的特點(diǎn)是將檢驗(yàn)盤(pán)減小為一個(gè)(raid2校驗(yàn)盤(pán)為多個(gè)，daid1檢驗(yàn)盤(pán)為1比1)，數(shù)據(jù)以位或字節(jié)的方式存于各盤(pán)(分散記錄在組內(nèi)相同扇區(qū)號(hào)的各個(gè)磁盤(pán)機(jī)上)。它的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)陣列的帶寬可以充分利用，使批量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間減小；其缺點(diǎn)是每次讀寫(xiě)要牽動(dòng)整個(gè)組，每次只能完成一次i/o。
5、raid4(4級(jí)盤(pán)陣列)
raid4是一種可獨(dú)立地對(duì)組內(nèi)各盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)的陣列。其校驗(yàn)盤(pán)也只有一個(gè)。
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(dú)地對(duì)某個(gè)盤(pán)進(jìn)行操作，它無(wú)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(tái)磁盤(pán)機(jī)(一臺(tái)數(shù)據(jù)盤(pán)，一臺(tái)檢驗(yàn)盤(pán))即可。從而提高了小量數(shù)據(jù)的i/o速率。
6、raid5(5級(jí)盤(pán)陣列)
raid5是一種旋轉(zhuǎn)奇偶校驗(yàn)獨(dú)立存取的陣列。它和raid1、2、3、4各盤(pán)陣列的不同點(diǎn)，是它沒(méi)有固定的校驗(yàn)盤(pán)，而是按某種規(guī)則把其冗余的奇偶校驗(yàn)信息均勻地分布在陣列所屬的所有磁盤(pán)上。于是在同一臺(tái)磁盤(pán)機(jī)上既有數(shù)據(jù)信息也有校驗(yàn)信息。這一改變解決了爭(zhēng)用校驗(yàn)盤(pán)的問(wèn)題，因此daid5內(nèi)允許在同一組內(nèi)并發(fā)進(jìn)行多個(gè)寫(xiě)操作。所以raid5即適于大數(shù)據(jù)量的操作，也適于各種事務(wù)處理。它是一種快速，大容量和容錯(cuò)分布合理的磁盤(pán)陣列。
7、raid6(6級(jí)盤(pán)陣列)
raid6是一種雙維奇偶校驗(yàn)獨(dú)立存取的磁盤(pán)陣列。它的冗余的檢、糾錯(cuò)信息均勻分布在所有磁盤(pán)上，而數(shù)據(jù)仍以大小可變的塊以交叉方式存于各盤(pán)。這類盤(pán)陣列可容許雙盤(pán)出錯(cuò)。
8、raid7(7級(jí)盤(pán)陣列)
raid7是在raid6的基礎(chǔ)上，采用了cache技術(shù)，它使得傳輸率和響應(yīng)速度都有較大的提高。cache是一種高速緩沖存儲(chǔ)器，即數(shù)據(jù)在寫(xiě)入磁盤(pán)陣列以前，先寫(xiě)入cache中。一般采用cache分塊大小和磁盤(pán)陣列中數(shù)據(jù)分塊大小相同，即一塊cache分塊對(duì)應(yīng)一塊磁盤(pán)分塊。在寫(xiě)入時(shí)將數(shù)據(jù)分別寫(xiě)入兩個(gè)獨(dú)立的cache，這樣即使其中有一個(gè)cache出故障，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。寫(xiě)操作將直接在cache級(jí)響應(yīng)，然后再轉(zhuǎn)到磁盤(pán)陣列。數(shù)據(jù)從cache寫(xiě)到磁盤(pán)陣列時(shí)，同一磁道的數(shù)據(jù)將在一次操作中完成，避免了不少塊數(shù)據(jù)多次寫(xiě)的問(wèn)題，提高了速度。在讀出時(shí)，主機(jī)也是直接從cache中讀出，而不是從陣列盤(pán)上讀取，減少與磁盤(pán)讀操作次數(shù)，這樣比較充分地利用了磁盤(pán)帶寬。
這樣cache和磁盤(pán)陣列技術(shù)的結(jié)合，彌補(bǔ)了磁盤(pán)陣列的不足(如分塊寫(xiě)請(qǐng)求響應(yīng)差等缺陷)，從而使整個(gè)系統(tǒng)以高效、快速、大容量、高可靠以及靈活、方便的存儲(chǔ)系統(tǒng)提供給用戶，從而滿足了當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展的需要，尤其是多媒體系統(tǒng)的需要。
二、解析磁盤(pán)陣列的關(guān)鍵技術(shù)
存儲(chǔ)技術(shù)在計(jì)算機(jī)技術(shù)中受到廣泛關(guān)注，服務(wù)器存儲(chǔ)技術(shù)更是業(yè)界關(guān)心的熱點(diǎn)。一談到服務(wù)器存儲(chǔ)技術(shù)，人們幾乎立刻與scsi（small computer systems interface）技術(shù)聯(lián)系在一起。盡管廉價(jià)的ide硬盤(pán)在性能、容量等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上已經(jīng)大大地提高，可以滿足甚至超過(guò)原有的服務(wù)器存儲(chǔ)設(shè)備的需求。但由于internet的普及與高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的規(guī)模也變得越來(lái)越大。同時(shí)，internet不僅對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器本身，也對(duì)服務(wù)器存儲(chǔ)技術(shù)提出了苛刻要求。無(wú)止境的市場(chǎng)需求促使服務(wù)器存儲(chǔ)技術(shù)飛速發(fā)展。而磁盤(pán)陣列是服務(wù)器存儲(chǔ)技術(shù)中比較成熟的一種，也是在市場(chǎng)上比較多見(jiàn)的大容量外設(shè)之一。
在高端，傳統(tǒng)的存儲(chǔ)模式無(wú)論在規(guī)模上，還是安全上，或是性能上，都無(wú)法滿足特殊應(yīng)用日益膨脹的存儲(chǔ)需求。諸如存儲(chǔ)局域網(wǎng)（san）等新的技術(shù)或應(yīng)用方案不斷涌現(xiàn)，新的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)和解決方案層出不窮，服務(wù)器存儲(chǔ)技術(shù)由直接連接存儲(chǔ)（das）向存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（nas）方面擴(kuò)展。在中低端，隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，在強(qiáng)大市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，本地化的、基于直接連接的磁盤(pán)陣列存儲(chǔ)技術(shù)，在速度、性能、存儲(chǔ)能力等方面不斷地邁上新臺(tái)階。并且，為了滿足用戶對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全、存取速度和超大的存儲(chǔ)容量的需求，磁盤(pán)陣列存儲(chǔ)技術(shù)也從講求技術(shù)創(chuàng)新、重視系統(tǒng)優(yōu)化，以技術(shù)方案為主導(dǎo)的技術(shù)推動(dòng)期逐漸進(jìn)入了強(qiáng)調(diào)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、著眼市場(chǎng)規(guī)模，以成熟產(chǎn)品為主導(dǎo)的產(chǎn)品普及期。
回顧磁盤(pán)陣列的發(fā)展歷程，一直和scsi技術(shù)的發(fā)展緊密關(guān)聯(lián)，一些廠商推出的專有技術(shù)，如ibm的ssa（serial storage architecture）技術(shù)等，由于兼容性和升級(jí)能力不盡如人意，在市場(chǎng)上的影響都遠(yuǎn)不及scsi技術(shù)廣泛。由于scsi技術(shù)兼容性好，市場(chǎng)需求旺盛，使得scsi技術(shù)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(jiàn)表1）。從當(dāng)前市場(chǎng)看，ultra 3 scsi技術(shù)和raid（redundant array of inexpensive disks）技術(shù)還應(yīng)是磁盤(pán)陣列存儲(chǔ)的主流技術(shù)。
三、scsi技術(shù)
scsi本身是為小型機(jī)（區(qū)別于微機(jī)而言）定制的存儲(chǔ)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨著技術(shù)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(jù)帶寬，高主頻的scsi存儲(chǔ)設(shè)備陸續(xù)出現(xiàn)并成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，也使得scsi技術(shù)牢牢地占據(jù)了服務(wù)器的存儲(chǔ)市場(chǎng)。scsi-3協(xié)議則增加了能滿足特殊設(shè)備協(xié)議所需要的命令集，使得scsi協(xié)議既適應(yīng)傳統(tǒng)的并行傳輸設(shè)備，又能適應(yīng)最新出現(xiàn)的一些串行設(shè)備的通訊需要，如光纖通道協(xié)議（fcp）、串行存儲(chǔ)協(xié)議（ssp）、串行總線協(xié)議等。漸漸地，“小型機(jī)”的概念開(kāi)始弱化，“高性能計(jì)算機(jī)”和“服務(wù)器”的概念在人們的心目中得到強(qiáng)化，scsi一度成為用戶從硬件上來(lái)區(qū)分“服務(wù)器”和pc機(jī)的一種標(biāo)準(zhǔn)。
通常情況下，用戶對(duì)scsi總線的關(guān)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(shè)備正常工作時(shí)所能達(dá)到的平均訪問(wèn)速度，也不意味著不同scsi工作模式之間的訪問(wèn)速度存在著必然的“倍數(shù)”關(guān)系。scsi控制器的實(shí)際訪問(wèn)速度與scsi硬盤(pán)型號(hào)、技術(shù)參數(shù)，以及傳輸電纜長(zhǎng)度、抗干擾能力等因素關(guān)系密切。提高scsi總線效率必須關(guān)注scsi設(shè)備端的配置和傳輸線纜的規(guī)范和質(zhì)量。可以看出，ultra 3模式下獲得的實(shí)際訪問(wèn)速度還不到ultra wide模式下實(shí)際訪問(wèn)速度的2倍。
一般說(shuō)來(lái)，選用高速的scsi硬盤(pán)、適當(dāng)增加scsi通道上連接硬盤(pán)數(shù)、優(yōu)化應(yīng)用對(duì)磁盤(pán)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)方式等，可以大幅度提高scsi總線的實(shí)際傳輸速度。尤其需要說(shuō)明的是，在同樣條件下，不同的磁盤(pán)訪問(wèn)方式下獲得的scsi總線實(shí)際傳輸速度可以相差幾十倍，對(duì)應(yīng)用的優(yōu)化是獲得高速存儲(chǔ)訪問(wèn)時(shí)必須關(guān)注的重點(diǎn)，而這卻常常被一些用戶所忽視。按4kb數(shù)據(jù)塊隨機(jī)訪問(wèn)6塊scsi硬盤(pán)時(shí)，scsi總線的實(shí)際訪問(wèn)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(jù)塊對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行順序讀寫(xiě)，scsi總線的實(shí)際訪問(wèn)速度為141.2mb/s，scsi總線的工作效率高達(dá)總線帶寬的88％。
隨著傳輸速度的提高，信號(hào)傳輸過(guò)程中的信號(hào)衰減和干擾問(wèn)題顯得越來(lái)越突出，終結(jié)器在一定程度上可以起到降低信號(hào)波反射，改善信號(hào)質(zhì)量的作用。同時(shí)，lvd（low-voltage differential）技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越多。lvd工作模式是和se（single-ended）模式相對(duì)應(yīng)的，它可以很好地抵抗傳輸干擾，延長(zhǎng)信號(hào)的傳輸距離。同時(shí)，ultra 2 scsi和ultra 3 scsi模式也通過(guò)采用專用的雙絞型scsi電纜來(lái)提高信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。
在磁盤(pán)陣列的概念中，大容量硬盤(pán)并不是指單個(gè)硬盤(pán)容量大，而是指將單個(gè)硬盤(pán)通過(guò)raid技術(shù)，按raid 級(jí)別組合成更大容量的硬盤(pán)。所以在磁盤(pán)陣列技術(shù)中，raid技術(shù)是比較關(guān)鍵的，同時(shí)，根據(jù)所選用的raid級(jí)別的不同，得到的“大硬盤(pán)”的功能也有不同。
raid是一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)，但由于其價(jià)格比較昂貴，配置也不方便，缺少相對(duì)專業(yè)的技術(shù)人員，所以應(yīng)用并不十分普及。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界75％的服務(wù)器系統(tǒng)目前沒(méi)有配置raid。由于服務(wù)器存儲(chǔ)需求對(duì)數(shù)據(jù)安全性、擴(kuò)展性等方面的要求越來(lái)越高，raid市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)潛力巨大。raid技術(shù)是一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各廠商對(duì)raid級(jí)別的定義也不盡相同。目前對(duì)raid級(jí)別的定義可以獲得業(yè)界廣泛認(rèn)同的只有4種，raid 0、raid 1、raid 0＋1和raid 5。
raid 0是無(wú)數(shù)據(jù)冗余的存儲(chǔ)空間條帶化，具有低成本、極高讀寫(xiě)性能、高存儲(chǔ)空間利用率的raid級(jí)別，適用于video / audio信號(hào)存儲(chǔ)、臨時(shí)文件的轉(zhuǎn)儲(chǔ)等對(duì)速度要求極其嚴(yán)格的特殊應(yīng)用。但由于沒(méi)有數(shù)據(jù)冗余，其安全性大大降低，構(gòu)成陣列的任何一塊硬盤(pán)損壞都將帶來(lái)數(shù)據(jù)災(zāi)難性的損失。所以，在raid 0中配置4塊以上的硬盤(pán)，對(duì)于一般應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不明智的。
raid 1是兩塊硬盤(pán)數(shù)據(jù)完全鏡像，安全性好，技術(shù)簡(jiǎn)單，管理方便，讀寫(xiě)性能均好。但其無(wú)法擴(kuò)展（單塊硬盤(pán)容量），數(shù)據(jù)空間浪費(fèi)大，嚴(yán)格意義上說(shuō)，不應(yīng)稱之為“陣列”。
raid 0＋1綜合了raid 0和raid 1的特點(diǎn)，獨(dú)立磁盤(pán)配置成raid 0，兩套完整的raid 0互相鏡像。它的讀寫(xiě)性能出色，安全性高，但構(gòu)建陣列的成本投入大，數(shù)據(jù)空間利用率低，不能稱之為經(jīng)濟(jì)高效的方案。
raid 5是目前應(yīng)用最廣泛的raid技術(shù)。各塊獨(dú)立硬盤(pán)進(jìn)行條帶化分割，相同的條帶區(qū)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)（異或運(yùn)算），校驗(yàn)數(shù)據(jù)平均分布在每塊硬盤(pán)上。以n塊硬盤(pán)構(gòu)建的raid 5陣列可以有n－1塊硬盤(pán)的容量，存儲(chǔ)空間利用率非常高（見(jiàn)圖6）。任何一塊硬盤(pán)上數(shù)據(jù)丟失，均可以通過(guò)校驗(yàn)數(shù)據(jù)推算出來(lái)。它和raid 3最大的區(qū)別在于校驗(yàn)數(shù)據(jù)是否平均分布到各塊硬盤(pán)上。raid 5具有數(shù)據(jù)安全、讀寫(xiě)速度快，空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛，但不足之處是1塊硬盤(pán)出現(xiàn)故障以后，整個(gè)系統(tǒng)的性能大大降低。
對(duì)于raid 1、raid 0＋1、raid 5陣列，配合熱插拔（也稱熱可替換）技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線恢復(fù)，即當(dāng)raid陣列中的任何一塊硬盤(pán)損壞時(shí)，不需要用戶關(guān)機(jī)或停止應(yīng)用服務(wù)，就可以更換故障硬盤(pán)，修復(fù)系統(tǒng)，恢復(fù)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)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(jí)別和標(biāo)準(zhǔn)。例如更高安全性的，從raid控制器開(kāi)始鏡像的raid；更快讀寫(xiě)速度的，為構(gòu)成raid的每塊硬盤(pán)配置cpu和cache的raid等等，但都不普及。用ide硬盤(pán)構(gòu)建raid的技術(shù)是新出現(xiàn)的一個(gè)技術(shù)方向，對(duì)市場(chǎng)影響也較大，其突出優(yōu)點(diǎn)就是構(gòu)建raid陣列非常廉價(jià)。目前ide raid可以支持raid 0、raid 1和raid 0＋1三個(gè)級(jí)別，最多支持4塊ide硬盤(pán)。由于受ide設(shè)備擴(kuò)展性的限制，同時(shí)，也由于ide設(shè)備也缺乏熱可替換的技術(shù)支持的原因，ide raid的應(yīng)用還不多。
總之，發(fā)展是永恒的主題，在服務(wù)器存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域也不例外。一方面，一些巨頭廠商嘗試推出新的概念或標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)領(lǐng)導(dǎo)服務(wù)器及存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展方向，較有代表性的如intel力推的ia-64架構(gòu)及存儲(chǔ)概念；另一方面，致力于存儲(chǔ)的專業(yè)廠商以現(xiàn)有技術(shù)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，推動(dòng)scsi、raid、fibre channel等基于現(xiàn)有存儲(chǔ)技術(shù)和方案快速更新和發(fā)展。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，檢驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的唯一標(biāo)準(zhǔn)是市場(chǎng)的認(rèn)同。市場(chǎng)呼喚好的技術(shù)，而新的技術(shù)必須起到推動(dòng)市場(chǎng)向前發(fā)展作用時(shí)才能被廣泛接受和承認(rèn)。隨著高性能計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展，高性能比、高可靠性、高安全性的存儲(chǔ)新技術(shù)也會(huì)不斷涌現(xiàn)。
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