磁盤陣列系統(tǒng)介紹

1、引言及RAID的源由引言磁盤陣列，或說是硬盤數(shù)組，或是磁 盤數(shù)組，在今天,相信已經(jīng)不再是那么令人感 到陌生了.因為在這幾年來，網(wǎng)絡以及服務器之 成長迅速，相隨的對資料之安全性，也更加重視 和要求.固然,每日的磁帶或其它媒體方式的備份 仍然重要，但對于硬盤故障后的恢復間隔，也希 望在可接受范圍內(nèi)，得到最大的縮短.此時最 好的方案，則非磁盤陣列莫屬.因為磁盤陣列的 優(yōu)點:具有單一大容量的好處，提供了硬盤容錯 功能，易于管理的優(yōu)點.源由1987年,有一群研究者在美國Universityof California - Berkeley 發(fā)表了一篇文章: A Case for Redundant Arr

2、ays of Inexpen sive Disks,而IBM是此一項目研究的主要 協(xié)助者.這篇文章，介紹了一個新的頭字語-R A I D.同時并定義了五種RAID代號-R AID level.這篇文章的主要論題,是針對當時的硬盤 科技，在容量及速度上，無法追上CPU及內(nèi)存 的發(fā)展的現(xiàn)象，提出多種改善方法.因為長期來 看，這種腳步的差距，會造成硬盤無法實時供應 對資料的急迫需要.所以，它利用了各式技巧，將許多較小容量 的硬盤，以RAID技術(shù)，規(guī)劃為一座大的硬盤 機.同時，在實際儲存資料時，透過這項技術(shù)，將 資料切割成多區(qū)段并分別同時存放于各個硬 盤機上.在實際讀取資料時，也是同時自此多顆 硬盤機

3、讀出資料.由此可見,這項技術(shù)RAID, 著實提高了大型硬盤的效率.值得一提，它的觀念，也提供了一套思考及 開發(fā)的方向:資料容錯.藉由同位檢核Parity 的概念及方法，能在該群數(shù)組硬盤中任一顆 硬盤故障時，仍能讀出資料,并可于數(shù)據(jù)重構(gòu) 時,將原故障硬盤內(nèi)之應有資料，經(jīng)計算后置回 替代的新硬盤中，使回復成原貌.這篇文章也指出了許多在各不同代號型 式的RAID,其開發(fā)上的問題，大多相關(guān)于強調(diào) 速度及成本上的改善.這和今日的數(shù)組供貨 商所多強調(diào)的可靠性Reliability及資料可 供應性Data Availability,似乎有些不同.當 然這也是因為時代背景的差異.不過，這也使得 各磁盤陣列供貨

4、商,各自有較大的發(fā)揮空間，針 對容錯性，成本，及效率,有不同的處理方式及 結(jié)果.以下就幾項基本的名詞作一分項解釋.數(shù)組種類英文簡述Z-* .一/ 一硬盤容錯嗎？N顆硬 盤 可用容 量RAID vel 0leStripe / SpanAl,NoNRAID vel 1leMirrorC1 1 1 I cYesN2RAID vel 3leParallel with Par 計yr111 1 rYesN?D1RAID vel 4leParallel with Par 計yz 一i irs,YesN?D1RAIDleStriped with RoYesN?D1vel 5tating ParityA !-

5、C 一 RAID le vel 0+1Mirror + StripeYesN -2RAID 0Host Commandsu-* writeQ dRAID ControllerRAID level 0這個代號是被定義為非容錯的硬盤群組.而 組構(gòu)的多顆硬盤機,被依一定的切割區(qū)段，連貫 成一顆大容量的數(shù)組硬盤.它沒有同位檢核的 位，所以無法救回因其中任一硬盤故障而毀損 的整個資料.這是最有效率的一種數(shù)組類別,因為資料可以多個區(qū)段方式，在同一時間，將之分別存放 在該群所有數(shù)組硬盤里.在讀取資料時,亦可在 同一時間,由該群所有數(shù)組硬盤送出資料至數(shù) 組控制器.換言之,此種數(shù)組類型的效率，是與 該群內(nèi)數(shù)組硬

6、盤數(shù)成正比.所以在讀寫強而集 中的應用領(lǐng)域（如:影音播放系統(tǒng)），可藉RAIDlevel 0得到較佳的輸出效率及品質(zhì)RAID Contro erRAID Contro erRAID level 1就是磁盤鏡像Disk Mirroring.它可將兩顆硬盤機為一組，在有資料欲寫入時,在同一時間將之存放在本組的兩顆硬盤中，所以在同鏡像對Mirrored Pair中的兩硬盤，其內(nèi)部資 料是完全一樣的.而在讀取資料時，則可自兩顆 硬盤同時讀出,即使是來自不同的客戶端所提 出之不同讀取要求.這一型式的磁盤陣列，不但不會降低寫入 的速度，更能提高讀取的效率.事實上,它是容 錯型式的磁盤陣列中，效率最高的.不過

7、其硬盤 機的容量利用率，則只有實際容量的一半.所 以，RAID level 1常應用于高安全要求的多 人使用環(huán)境，例如:操作系統(tǒng)磁盤OS DiskMID O-f-1 Host CommandswriteRAID Contro eruwriteRAID Contro er6 H 8 H 8 B這是一種Dual Level RAID,也有人稱之 為RAID level 10.這可不是十，它是零加 一,亦即是兩組依一定的切割區(qū)段，連貫成不 同的兩顆大容量的數(shù)組硬盤，互相為鏡像.在 每次寫入數(shù)據(jù)，磁盤陣列控制器會將資料同時 寫入該兩組大容量數(shù)組硬盤組內(nèi).同RAID level 1 一樣，雖然其硬盤使用

8、 率亦只有50%,但它卻是最具高效率的規(guī)劃方 式.真理:真正的安全性加速度是建立在成 本上的RATD 3#4 Host Commandswrite這種規(guī)劃方式，常用在繪圖，影像處理，等, 對資料進行大量讀或?qū)懙膽妙I(lǐng)域.它由數(shù)組 控制器內(nèi)建的XOR邏輯，根據(jù)切割之區(qū)段大 小，計算出同位檢核位或字節(jié).這項功能，提供 了資料容錯效果.而這個區(qū)段的大小，是以bit 或byte為單位.每項資料中的同位檢核資料，統(tǒng)一存放在 一特定的同位碟(Parity Disk)上.而資料則是 分別散存在各資料碟Data Disk內(nèi).單從少部 份的資料碟，是無法取得完整原資料的RAID 3.4 Host Command

9、swrite4writeRAID Contro erRAID Contro er跟上述的level 3大部份相同.不過其支持 的區(qū)段大小相當多樣，是以block為單位計算 的.它可以是單一 block為區(qū)段，也有以多個bl ock為區(qū)段大小.所以有些資料是可以從某資 料碟中取得,這促成一個較RAIDlevel 3勢的是:允許重疊讀取OverlappedRead Operation.但是在作寫入時，因為需同時更新同位碟 的信息，所以不具有重疊寫入的能力.換言 之,在同時間中多筆資料要求寫入時，因為每筆 資料之同位信息需寫在同一顆同位碟中，所 以并不會有任何速度的優(yōu)勢.所以在一般使用多人數(shù)據(jù)庫，R

10、AID leve l 4是較不適合的規(guī)劃.但是在如:計算機繪圖, 非線性剪接，動畫處理,數(shù)字圖書館，.等用途上,這樣的規(guī)劃，卻是最佳的選擇RAID level 5通常亦為輪轉(zhuǎn)同位型數(shù)組Rotating Pari ty Array.它和 RAID level4 一樣的，在每次的寫入前，由數(shù)組控制器內(nèi)建 的XOR邏輯，根據(jù)切割之區(qū)段大小（單一或多 個block為單位），計算出同位檢核信息.每項資 料中（以Stripe為單位）的同位檢核資料，隨著 資料分別散存在各數(shù)組硬盤內(nèi)，沒有特定同位 碟.相較于上述RAIDlevel 4,這個型式可允許多個寫入，因為這多 個寫入動作時，同位信息是置在不同的數(shù)組硬

11、 盤中.但是在讀取資料時,每項資料可能是直接 來自各具該項資料的硬盤中，但也可能是會讀 入同位信息，而必需經(jīng)由XOR的計算.在連續(xù) 大型檔案要求輸出時，它顯然稍有不利Parity容錯基本原理以上介紹了常見的數(shù)組代號型式，相信許 多讀者仍不了解這個同位檢核信息Parity 如何提供容錯能力？而已毀損的硬盤中之原資 料，又如何在新的替代硬盤中，作原資料的重建 Rebuild ?每個Byte是由8個bit所構(gòu)成的，如果 在這八個bit后，經(jīng)由運算XOR上述的八個d ata bit，再加一個同位檢核位Parity bit,則這組九個bits所構(gòu)成的Byte,就具備了容錯能 力了，見下例：Byte（字母

12、）Bit （位）說明K10010011只是個例子?1001001 ?少了個bit,原字 母不見了K10010011 Pk經(jīng)由數(shù)組控制器計 算出ParityK1 0 0 1 0 0 1 ? Pk即使少了個bit, 仍可讀出原資料K1 0 0 1 0 0 11 Pk經(jīng)由XOR計算，又 推敲并回復了原貌K1 0 0 1 Pk同理,可以將一筆資 料，以不同的切割區(qū)0TTk一塊大小，將資料分為 二，并各有一個Pari ty bit上面的例子，是以一個Byte為例，可以將此 觀念延伸到block, blocks, disk.就可以了解 到，當一顆數(shù)組硬盤機故障時，其內(nèi)原有的Data Blocks 及不同

13、Data Stripe 中的 Parity Blocks, 雖已喪失，但是可以經(jīng)由數(shù)組控制器（通常具 有獨立CPU）的XOR功能，將存在其它數(shù)組硬 盤內(nèi)的Parity Blocks及不同的Data Stripe中 的Data Blocks加以計算，得出應置回的原資 料.毀損數(shù)據(jù)重構(gòu)：Data Rebuild，Data Reconstru ction當然，若主系統(tǒng)在不關(guān)機情形下（通常這是 使用者采購磁盤陣列的主要目的）在作數(shù)據(jù)重 構(gòu)的時候,主系統(tǒng)的資料進出效率會受到影響.在整臺數(shù)組中，數(shù)據(jù)重構(gòu)與正常存取的效率是 互補的.不過現(xiàn)在的數(shù)組控制器大多已可支持可 調(diào)整的重建優(yōu)先權(quán)設定.以筆者所經(jīng)驗過的

14、重建9GB硬盤為例子，它可以在五十分鐘內(nèi)完 成.但在以正常存取為極度優(yōu)先時，它可能需時 三小時.不過如果是采用較低階的數(shù)組控制器, 恐怕所需時間，會遠遠超過上述的數(shù)字,提高危 險系數(shù).因為在正常的RAID level 3, 4, 5型式 下，磁盤陣列容許同一數(shù)組組態(tài)群內(nèi)，僅一顆硬 盤故障.而系統(tǒng)管理者，必須在盡量短的時間內(nèi) （第二顆硬盤故障前），立即得到通知:一顆數(shù)組硬盤已經(jīng)故障了 . 而這個通知方式及過程,影響前來處理的時間. 目前有多種設計:基本的警笛聲,事件記錄聯(lián)結(jié) 并通知主系統(tǒng)之操作系統(tǒng)，電子郵件，傳呼器,.都是善盡通知義務的方法.立即將數(shù)據(jù)重構(gòu)完成.否則，就得面臨向大 量資料說再見的

15、精神壓力了.不過,如何縮短從在被通知后到抵達現(xiàn)場, 并開始作數(shù)據(jù)重構(gòu)的這段時間及壓力，則難以 絕對掌握.有解嗎？備援硬盤：Spare Disk如果在數(shù)組中，加上備援硬盤.當任一數(shù)組 硬盤故障時，該備援硬盤可以自動上線,將故障 硬盤立即取代，并開始依設定的”重建優(yōu)先權(quán)” 作數(shù)據(jù)重構(gòu),就可有效縮短上述的前往處理 的時間，也可減少因急迫性所造成的壓力.不過，這顆備援硬盤,平時是無法拿來作存 放空間的.因為一旦作了 可使用”的標記,備援 設定會自動消失.所以,回到前述的真理:安全性”加速度”建立在成本上的.總體備援硬盤：Global Spare Disk。就是 備援硬盤,但是可以對同一磁盤陣列中的所有

16、 ”數(shù)組組態(tài)群”作備援.總是比較省的方式.定時備份”既然重要,為何不備份?”與其在災害發(fā)生 時,束手無策，自怨自艾,何不在規(guī)定時間作好 重要資料的備份,以防萬一？即使使用了磁盤 陣列，提高數(shù)據(jù)的可供應性，備份仍該作的.畢 竟，它是重要的資料.RAID控制器型式1.軟件架構(gòu):Software Based在多年前，Novell的Netware就提供了 M irror的功能,即使在今天,相信仍有許網(wǎng)絡系 統(tǒng)，是采用此一方式.不過這在資料量較大的環(huán) 境中，其50%的硬盤使用率，究竟是稍少了些. 另外，Corel在約五年前，大力推廣其Corel R AID!以不到美金一千元的低價,切入市場.然而究竟使用

17、軟件的數(shù)組架構(gòu)，會占用到 主系統(tǒng)的CPU及內(nèi)存資源，而導致系統(tǒng)效率 的下降.所以采用非主系統(tǒng)供貨商的軟件數(shù)組 產(chǎn)品者，相對是較少的.2.主機獨立式架構(gòu)：Host Independent數(shù)組控制器對主系統(tǒng)，是藉由連接至其存 取接口（目前以SCSI為主）作信道.換言之,它 在主系統(tǒng)的存取接口上,是一個獨立的直接存 取儲存體 DASD Direct Access Storage Devic e.而這個大的儲存體內(nèi)，可以有不只一個的邏 輯磁盤LUN Logical Unit Number.數(shù)組控制 器,對下管理多顆數(shù)組硬盤機們.而主系統(tǒng)是不 會看到或直接管理該硬盤的.例如:CMD, EMC, Symbios, Digital StorageWorks, .都有相 關(guān)的產(chǎn)品.而且這些數(shù)組領(lǐng)導廠商,也都各自有不同 設計的”容錯式