磁盤(pán)陣列技術(shù)原理學(xué)習

【簡(jiǎn) 介】
我們?yōu)槭裁匆褂?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/磁盤(pán)陣列">磁盤(pán)陣列？使用磁盤(pán)陣列的好處，在于數據的安全、存取的速度及超大的存儲容量。如何確保數據的安全，則取決于磁盤(pán)陣列的設計與品質(zhì)。其中幾個(gè)功能是必須考慮的：是否有環(huán)境監控器針對溫度、電壓、電源、散熱風(fēng)扇、硬盤(pán)狀態(tài)等進(jìn)行監控。

目前人們逐漸認識了磁盤(pán)陣列技術(shù)。磁盤(pán)陣列技術(shù)可以詳細地劃分為若干個(gè)級別0-5 RAID技術(shù)，并且又發(fā)展了所謂的 RAID Level 10, 30, 50的新的級別。RAID是廉價(jià)冗余磁盤(pán)陣列（Redundant Array of Inexpensive Disk）的簡(jiǎn)稱(chēng)。用RAID的好處簡(jiǎn)單的說(shuō)就是：安全性高，速度快，數據容量超大。

某些級別的RAID技術(shù)可以把速度提高到單個(gè)硬盤(pán)驅動(dòng)器的400%。磁盤(pán)陣列把多個(gè)硬盤(pán)驅動(dòng)器連接在一起協(xié)同工作，大大提高了速度，同時(shí)把硬盤(pán)系統的可靠性提高到接近無(wú)錯的境界。這些“容錯”系統速度極快，同時(shí)可靠性極高。

　　由磁盤(pán)陣列角度來(lái)看　　

　　磁盤(pán)陣列的規格最重要就在速度，也就是CPU的種類(lèi)。我們知道SCSI的演變是由SCSI 2 (Narrow, 8 bits, 10MB/s), SCSI 3 (Wide, 16bits, 20MB/s), Ultra Wide (16bits, 40MB/s), Ultra 2 (Ultra Ultra Wide, 80MB/s), Ultra 3 (Ultra Ultra Ultra Wide, 160MB/s)，在由SCSI到Serial I/O，也就是所謂的 Fibre Channel (FC-AL, Fibre Channel - Arbitration Loop, 100 – 200MB/s), SSA (Serial Storage Architecture, 80 – 160 MB/s), 在過(guò)去使用 Ultra Wide SCSI, 40MB/s 的磁盤(pán)陣列時(shí)，對CPU的要求不須太快，因為SCSI本身也不是很快，但是當SCSI演變到Ultra 2, 80MB/s時(shí)，對CPU的要求就非常關(guān)鍵。一般的CPU, (如 586)就必須改為高速的RISC CPU, (如 Intel RISC CPU, i960RD 32bits, i960RN 64 bits)，不但是RISC CPU, 甚至于還分 32bits, 64 bits RISC CPU 的差異。586 與 RISC CPU 的差異可想而知 ! 這是由磁盤(pán)陣列的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)來(lái)看的。

　　由服務(wù)器的角度來(lái)看

　　服務(wù)器的結構已由傳統的 I/O 結構改為 I2O ( Intelligent I/O, 簡(jiǎn)稱(chēng) I2O ) 的結構，其目的就是為了減少服務(wù)器CPU的負擔，才會(huì )將系統的 I/O 與服務(wù)器CPU負載分開(kāi)。Intel 因此提出 I2O 的架構，I2O 也是由一顆 RISC CPU ( i960RD 或I960RN ) 來(lái)負責 I/O 的工作。試想想若服務(wù)器內都已是由 RISC i960 CPU 來(lái)負責 I/O，結果磁盤(pán)陣列上卻仍是用 586 CPU，速度會(huì )快嗎 ?　

　　由操作系統的角度來(lái)看　　

　　SCO OpenServer 5.0 32 bits 　

　　MicroSoft Windows NT 32 bits　

　　SCO Unixware 7.x 64 bits　

　　MicroSoft Windows NT 2000 32 bit 64 bits

　　SUN Solaris 64 bits ……..其他操作系統

　　在操作系統都已由 32 bits 轉到 64 bits，磁盤(pán)陣列上的CPU 必須是 Intel i960 RISC CPU才能滿(mǎn)足速度的要求。586 CPU 是無(wú)法滿(mǎn)足的 !　

　　磁盤(pán)陣列的功能　　

　　磁盤(pán)陣列內的硬盤(pán)連接方式是用SCA-II整體后背板還是只是用SCSI線(xiàn)連的？在SCA-II整體后背板上是否有隔絕芯片以防硬盤(pán)在熱插拔時(shí)所產(chǎn)生的高/低電壓，使系統電壓回流，造成系統的不穩定，產(chǎn)生數據丟失的情形。我們一定要重視這個(gè)問(wèn)題，因為在磁盤(pán)陣列內很多硬盤(pán)都是共用這同一SCSI總線(xiàn)！一個(gè)硬盤(pán)熱插拔，可不能引響其它的硬盤(pán)！甚幺是熱插拔或帶電插拔？硬盤(pán)有分熱插拔硬盤(pán)，80針的硬盤(pán)是熱插拔硬盤(pán)，68針的不是熱插拔硬盤(pán)，有沒(méi)有熱插拔，在電路上的設計差異就在于有沒(méi)有保護線(xiàn)路的設計，同樣的硬盤(pán)拖架也是一樣有分真的熱插拔及假的熱插拔的區別?！?

　　磁盤(pán)陣列內的硬盤(pán)是否有順序的要求？也就是說(shuō)硬盤(pán)可否不按次序地插回陣列中，數據仍能正常的存??？很多人認為不是很重要，不太會(huì )發(fā)生，但是可能會(huì )發(fā)生的，我們就要防止它發(fā)生。假如您用六個(gè)硬盤(pán)做陣列，在最出初始化時(shí)，此六個(gè)硬盤(pán)是有順序放置在磁盤(pán)陣列內，分為第一、第二…到第六個(gè)硬盤(pán)，是有順序的，如果您買(mǎi)的磁盤(pán)陣列是有順序的要求，則您要注意了：有一天您將硬盤(pán)取出，做清潔時(shí)一定要以原來(lái)的擺放順序插回磁盤(pán)陣列中，否則您的數據可能因硬盤(pán)順序與原來(lái)的不苻，磁盤(pán)陣列上的控制器不認而數據丟失！因為您的硬盤(pán)的SCSI ID號亂掉所致?，F在的磁盤(pán)陣列產(chǎn)品都已有這種不要求硬盤(pán)有順序的功能，為了防止上述的事件發(fā)生，都是不要求硬盤(pán)有順序的?！?

　　 我們將討論這些新技術(shù)，以及不同級別RAID的優(yōu)缺點(diǎn)。我們并不想涉及那些關(guān)鍵性的技術(shù)細節問(wèn)題，而是將磁盤(pán)陣列和RAID技術(shù)介紹給對它們尚不熟悉的人們。相信這將幫助你選用合適的RAID技術(shù)。

RAID級別的定義

下表提供了6級RAID的簡(jiǎn)單定義，本書(shū)其后部分將對各級RAID進(jìn)行更詳盡的描述。

　　

硬盤(pán)數據跨盤(pán)（Spanning）

數據跨盤(pán)技術(shù)使多個(gè)硬盤(pán)像一個(gè)硬盤(pán)那樣工作，這使用戶(hù)通過(guò)組合已有的資源或增加一些資源來(lái)廉價(jià)地突破現有的硬盤(pán)空間限制。

圖2所示為4個(gè)300兆字節的硬盤(pán)驅動(dòng)器連結在一起，構成一個(gè)SCSI系統。用戶(hù)只看到一個(gè)有1200兆字節的C盤(pán)，而不是看到C, D, E, F, 4個(gè)300兆字節的硬盤(pán)。在這樣的環(huán)境中，系統管理員不必擔心某個(gè)硬盤(pán)上會(huì )發(fā)生硬盤(pán)安全檢空間不夠的情況。因為現在1200兆字節的容量全在一個(gè)卷（Volume）上（例如硬盤(pán)C上）。系統管理員可以安全地建立所需要的任何層次的文件系統，而不需要在多個(gè)單獨硬盤(pán)環(huán)境的限制下，計劃他的文件系統。
　
硬盤(pán)數據跨盤(pán)本身并不是RAID，它不能改善硬盤(pán)的可靠性和速度。但是它有這樣的好處，即多個(gè)小型廉價(jià)硬盤(pán)可以根據需要增加到硬盤(pán)子系統上。

磁盤(pán)陣列分類(lèi)

硬盤(pán)分段（Disk Striping, RAID 0）

硬盤(pán)分段的方法把數據寫(xiě)到多個(gè)硬盤(pán)，而不是只寫(xiě)到一個(gè)盤(pán)上，這也叫作RAID O，在磁盤(pán)陣列子系統中，數據按系統規定的“段”（Segment）為單位依次寫(xiě)入多個(gè)硬盤(pán)，例如數據段1寫(xiě)入硬盤(pán)0，段2寫(xiě)入硬盤(pán)1，段3寫(xiě)入硬盤(pán)2等等。當數據寫(xiě)完最后一個(gè)硬盤(pán)時(shí)，它就重新從盤(pán)0的下一可用段開(kāi)始寫(xiě)入，寫(xiě)數據的全過(guò)程按此重復直至數據寫(xiě)完。

段由塊組成，而塊又由字節組成。因此，當段的大小為4個(gè)塊，而塊又由256個(gè)字節組成時(shí)，依字節大小計算，段的大小等于1024個(gè)字節。第1～1024字節寫(xiě)入盤(pán)0，第1025～2048字節寫(xiě)盤(pán)1等。假如我們的硬盤(pán)子系統有5個(gè)硬盤(pán)，我們要寫(xiě)20,000個(gè)字節，則數據將如圖3那樣存儲。

磁盤(pán)陣列分類(lèi)

硬盤(pán)分段（Disk Striping, RAID 0）

硬盤(pán)分段的方法把數據寫(xiě)到多個(gè)硬盤(pán)，而不是只寫(xiě)到一個(gè)盤(pán)上，這也叫作RAID O，在磁盤(pán)陣列子系統中，數據按系統規定的“段”（Segment）為單位依次寫(xiě)入多個(gè)硬盤(pán)，例如數據段1寫(xiě)入硬盤(pán)0，段2寫(xiě)入硬盤(pán)1，段3寫(xiě)入硬盤(pán)2等等。當數據寫(xiě)完最后一個(gè)硬盤(pán)時(shí)，它就重新從盤(pán)0的下一可用段開(kāi)始寫(xiě)入，寫(xiě)數據的全過(guò)程按此重復直至數據寫(xiě)完。

段由塊組成，而塊又由字節組成。因此，當段的大小為4個(gè)塊，而塊又由256個(gè)字節組成時(shí)，依字節大小計算，段的大小等于1024個(gè)字節。第1～1024字節寫(xiě)入盤(pán)0，第1025～2048字節寫(xiě)盤(pán)1等。假如我們的硬盤(pán)子系統有5個(gè)硬盤(pán)，我們要寫(xiě)20,000個(gè)字節，則數據將如圖3那樣存儲。

總之，由于硬盤(pán)分段的方法，是把數據立即寫(xiě)入（讀出）多個(gè)硬盤(pán)，因此它的速度比較快。實(shí)際上，數據的傳輸是順序的，但多個(gè)讀（或寫(xiě)）操作則可以相互重迭進(jìn)行。這就是說(shuō)，正當段1在寫(xiě)入驅動(dòng)器0時(shí)，段2寫(xiě)入驅動(dòng)器1的操作也開(kāi)始了；而當段2尚在寫(xiě)盤(pán)驅動(dòng)器1時(shí)，段3數據已送驅動(dòng)器2；如此類(lèi)推，在同一時(shí)刻有幾個(gè)盤(pán)（即使不是所有的盤(pán)）在同時(shí)寫(xiě)數據。因為數據送入盤(pán)驅動(dòng)器的速度要遠大于寫(xiě)入物理盤(pán)的速度。因此只要根據這個(gè)特點(diǎn)編制出控制軟件，就能實(shí)現上述數據同時(shí)寫(xiě)盤(pán)的操作。

遺憾的是RAID 0不是提供冗余的數據，這是非常危險的。因為必須保證整個(gè)硬盤(pán)子系統都正常工作，計算器才能正常工作，例如，假使一個(gè)文件的段1（在驅動(dòng)器0），段2（在驅動(dòng)器1），段3（在驅動(dòng)器2），則只要驅動(dòng)器0, 1, 2中有一個(gè)產(chǎn)生故障，就會(huì )引起問(wèn)題；如果驅動(dòng)器1故障，則我們只能從驅動(dòng)器物理地取得段1和段3的數據。幸運的是可以找到一個(gè)解決辦法，這就是硬盤(pán)分段和數據冗余。下面一小節將討論這個(gè)問(wèn)題。