Disk Array基本原理

Disk Array磁盘阵列基本原理
1．1冗余磁盘阵列RAID介绍
冗余磁盘阵列技术1987年由加州大学伯克利分校提出，最初的研制目的是为了组合小的廉价磁盘来代替大的昂贵磁盘，以降低大批量数据存储的费用，同时也希望采用冗余信息的方式，使得磁盘失效时不会使对数据的访问受损失，从而开发出一定水平的数据保护技术。
对于磁盘失效的保护通过RAID技术已经成功地实现，但RAID阵列降低数据存储费用的目的没有达到，实际上，RAID阵列的价格通常比标准的磁盘驱动器更高一些。
尽管如此，RAID技术确实提供了比通常的磁盘存储更高的性能指标、数据完整性和数据可用性，尤其是在当今面临的I/O总是滞后于CPU性能的瓶颈问题越来越突出的情况下，RAID解决方案能够有效地弥补这个缺口。
RAID的基本结构特征就是分段(Striping)，捆绑2个或多个物理磁盘成组，形成一个单独的逻辑盘。分段集(Striping Set)是指将物理磁盘组捆绑在一块儿。在利用多个磁盘驱动器时，分段能够提供比单个物理磁盘驱动器更好的性能提升。
数据是以块(Chunks)的形式写入分段集中的，块的尺寸是一个固定的值，在捆绑过程实施前就已选定。块尺寸和平均I/O需求的尺寸之间的关系决定了分段集的特性。总的来说，选择块尺寸的目的是为了最大程度地提高性能，以适应不同特点的计算环境应用。
实际的计算环境依据其不同的特点，可被划分为转换速率密集(Transfer Rate Intensive)环境或需求速率密集(Request Rate Intensive)，
一个计算环境若通常服务于小的用户数量和大的I/O需求，可以被认为是转换速率密集环境，工程学和科学应用属于转换速率密集，例如CAM/CAD、图象处理和数据集合等。
一个计算环境，如果它是自然存在的多用户或在线交易系统(OLTP)，可以被认为是一个标准的需求速率密集, 交互式的数据库应用能产生大量的小的I/O需求，由这些应用产生的I/O负荷可被称为需求速率密集。具备独立驱动器操作功能的组合套可提供对于需求速率密集环境来说高的性能。
对于转换速率密集，I/O需求的尺寸比块尺寸大得多，这样可导致每一个I/O需求分布于所有驱动器，数据由组合套转换的速率可以增加，因为所有的驱动器可并行地传输数据，这样，组合套就象一个单磁盘一样有非常高的允许速度。
需求速率密集中I/O需求尺寸比块尺寸小很多，这将导致每一个I/O需求落于一个单个的驱动器中，在这种情况下，由于有数个驱动器，阵列可同时处理数个需求，或者说比单磁盘快数倍。
一个单磁盘某一时刻只能满足一个处理业务，一个转换速率密集应用的阵列某一时刻虽也满足一个处理业务，但能比单磁盘转换数据速度快X倍(X是磁盘数)，一个需求速率密集应用的阵列可满足的需求为单一磁盘的X倍，而其转换数据的速率与单磁盘相同。

RAID的另一特征是具备数据校验(Parity)功能，校验可被描述为用于RAID级别2，3，4，5的额外的信息，当磁盘失效的情况发生时，校验功能结合完好磁盘中的数据，可以重建失效磁盘上的数据。对于RAID系统来说，在任何有害条件下绝对保持数据的完整性(Data Integrity)是最基本的要求。数据完整性指的是阵列面对磁盘失效时保持数据不丢失的能力，由于数据的破坏通常会带来灾难性的后果，所以选择RAID阵列的基础条件是它能提供什么级别的数据完整性。
此外，数据可用性(Data Availability)也是RAID系统的指标之一，数据可用性指的是阵列内部容错能力的水平，数据可用性程度越高，可被理解为当发生越多的部件失效时而数据访问仍不丢失。一个RAID阵列能提供的高可用性级别范围可从简单的磁盘冗余到所有部件的冗余性。当选择一个阵列时，重要的是了解所选的设备是否能够满足期望的可使用时间目标。
RAID阵列能够适应不同环境，在不同类型的主机之间以及操作系统之间移动一个RAID阵列的能力越高，一般说来，可带来更好的投资保护。
随着计算机不断的渗入各行各业，在计算机中存储的数据也越来越大，存储方式也各异，有磁带库，CD-ROM，硬盘等。在实际应用中，硬盘的存储方式由于其动态性和实时响应使其独具魅力，但是要实现数据的安全，访问的高速，以及超大的容量，那么磁盘阵列的RAID（Redundant Array of Inexpensive Disk廉价冗余磁盘阵列）技术就显得尤为重要。
磁盘阵列（Disk Array）是由一个硬盘控制器来控制多个硬盘的相互连接，使多个硬盘的读写同步，减少错误，增加效率和可靠度的技术。
RAID是磁盘阵列在技术上实现的理论标准，其目的在于减少错误、提高存储系统的性能与可靠度。RAID可以划分为RAID 0-5，我们来看看RAID的各个级别。

RAID级别 描 述 速 度容错性能

RAID0 硬盘分段 硬盘并行输入/出 没有
RAID1 硬盘镜像 没有提高 有（允许单个硬盘错）
RAID2 硬盘分段加汉明码纠错 没有提高 有（允许单个硬盘错）
RAID3硬盘分段加专用奇偶校验盘 硬盘并行输入/出 有（允许单个硬盘错）
RAID4硬盘分段加专用奇偶校验盘
需异步硬盘 硬盘并行输入/出 有（允许单个硬盘错）
RAID5硬盘分段加奇偶校验
分布在各硬盘 硬盘并行输入/出 有（允许单个硬盘错）