(Disk Array)原理
1.为什么需要?
如何增加磁盘的存取(access)速度,如何防止数据因磁盘的而失落及如何有效
的利用磁盘空间,一直是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。技术的产生一举解决了这些问题。
过去十几年来,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,、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
式没有任何保障。
其二是使用的技术。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。所利用
的不同的技术,称为 level,不同的level针对不同的及应用,以解决数据
的问题。
一般高性能的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( controler或控制卡上,针对不同的用户解决人们对磁
盘输出入的四大要求:
(1)增加存取速度,
(2)容错(fault tolerance),即性
(3)有效的利用磁盘空间;
(4)尽量的平衡,内存及磁盘的性能差异,提高的整体工作性能。
2.原理
中针对不同的应用使用的不同技术,称为 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 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 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。
0及RAID 1适用于PC及PC相关的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; 3及RAID 4适用于大型电
脑及影像、CAD/CAM等处理; 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, 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 level之前,
先看看形成的两个基本技术:
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。如图控制器,
联接了四个磁盘,这四个磁盘形成一个阵列(array),而的控制器(
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
的各种技术。
磁盘或数据分段(Disk Striping or Data Striping):
因为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,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 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 0使磁盘的输出入有最高的效率。而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,但只有硬件的才有此性能表现。
从上面两点我们可以看出,disk spanning定义了的基本形式,提供了一个便宜、
灵活、高性能的结构,而disk striping解决了数据的存取效率和磁盘的利用率问
题, 1至RAID 5是在此基础上提供磁盘的方案。
1
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
多中使用,它的方式是在工作磁盘(working disk)之外再加一额外的磁盘
(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
磁盘。磁盘镜像不见得就是 1,如Novell Netware亦有提供磁盘镜像的功能,但并
不表示Netware有了 1的功能。一般磁盘镜像和RAID 1有二点最大的不同:
1无工作磁盘和磁盘之分,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,能同时驱动互相镜像的
磁盘,同时读取数据,以减轻的负载,增加I/O的性能。
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 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 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,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 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 1有最好的容错(fault tolerence)能力,其效率也
是除 0之外最好的。
在的技术上,从 1到RAID 5,不停机的意思表示在工作时如发生磁盘,
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,数据仍能保持完整,可让存取到正确的数据,而的更可在工
作中抽换磁盘,并可自动重建磁盘的数据。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。
2
2是把数据分散为位(bit)或块(block),加入海明码Hamming Code,在中
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。 2的设计是使用共
轴同步(spindle synchronize)的技术,存取数据时,整个一起动作,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)是特别的
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, 2有最好的性能,但如果档案太小,会将其性能拉
下来,因为磁盘的存取是以扇区为单位,而 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。 2是设计给需要连
续且大量数据的使用的,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。
2的采用内存阵列(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。
3
3的数据储存及存取方式都和RAID 2一样,但在方面以奇偶校验(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,换上新的磁盘后,整个(包括奇偶校验磁盘)需重新计算一次,
将磁盘的并写入新磁盘中;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 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。 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。
4
4也使用一个校验磁盘,但和RAID 3不一样,如图:
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 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 4的瓶颈,降低了性能,因有RAID 5而使得RAID 4
较少使用。
5
5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:
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、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 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)
5的控制比较复杂,尤其是利用硬件对的控制,因为这种方式的应用比其
他的 level要掌握更多的事情,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.的额外容错功能：Spare or Standby driver
事实上容错功能已成为最受青睐的特性,为了加强容错的功能以及使在磁
盘的情况下能迅速的重建数据,以维持的性能,一般的系统都可使用
热(hot spare or hot standby driver)的功能,所谓热备份是在建立(configure)
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
列中某一磁盘发生时,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
磁盘所引起的种种不便。
另一个额外的容错功能是转移(bad sector reassignment)。坏扇区是磁盘
的主要原因,通常磁盘在读写时发生的情况即表示此磁盘,不能再作读写,甚
至有很多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,则使得性能大打折扣,而系统的成本也未免太高了。坏扇
区转移是当发现磁盘有时,以另一空白且无的扇区取代该扇区,
以延长磁盘的使用寿命,减少坏磁盘的发生率以及的成本。所以转移功
能使具有更好的容错性,同时使整个有最好的成本效益比。其他如可外接
电池备援的快取内存,以避免突然断电时数据尚未写回磁盘而损失;或在
1时作写入一致性的检查等,虽是小技术,但亦不可忽视。
3.硬件还是软件磁盘阵列
市面上有所谓硬件与软件磁盘阵列之分,因为软件磁盘阵列是使用一块
卡与磁盘,一般用户误以为是硬件。以上所述主要是针对硬件磁盘阵列,
其与软件有几个最大的区别:
l 一个完整的硬件与相接。
l 内置,与主机并行运作,所有的I/O都在中完成,减轻主机的工作负载,
增加整体性能。
l 有卓越的总线主控(bus mastering)及A(Direct Memory Access)能力,加速数据
的存取及传输性能。
l 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。
l 能充份利用硬件的特性,反应快速。
软件是一个程序,在主机执行,透过一块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、等),而卡很便宜(亦有的
软件使用指定的很贵的卡);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。目前市面上的
大部份是硬件,软件磁盘阵列较少。
4.卡还是磁盘阵列控制器
控制卡一般用于小，供单机使用。与主机共用，在关闭主机电源时存
在丢失Cache中的数据的的危险。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。在更换卡时要冒磁盘损坏，资料失落，随时停机的风险。
独立式控制一般用于较大型,可分为两种：
单通道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。多通道可接多个同时使用,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无用武之地。
