《存儲(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ)》課件第4章

第四章存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.1主機(jī)環(huán)境4.2連接關(guān)系4.3磁盤(pán)陣列4.4磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)

小結(jié) 4.1主機(jī)環(huán)境

在多數(shù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，主機(jī)負(fù)責(zé)提出數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)的請(qǐng)求。那么本節(jié)將主要討論主機(jī)環(huán)境中的軟件和硬件元素，以及使這些元素正常工作的關(guān)鍵協(xié)議和概念。使得對(duì)數(shù)據(jù)在該環(huán)境中流動(dòng)建立相應(yīng)的概念。

構(gòu)成主機(jī)環(huán)境的設(shè)備可以是非常小的筆記本電腦，也可以是比較大的設(shè)備，如服務(wù)器、服務(wù)器群、大型機(jī)，或是它們的組合。主機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有硬件(物理)和軟件(邏輯)部件。圖4.1給出了幾種構(gòu)成主機(jī)環(huán)境的計(jì)算機(jī)資源。接下來(lái)首先說(shuō)明硬件部件的情況。圖4.1構(gòu)成主機(jī)環(huán)境的計(jì)算機(jī)資源

1.主機(jī)的硬件組成

主機(jī)由以下三個(gè)主要的硬件構(gòu)成：中央處理單元(CentralProcessUnit，CPU)、存儲(chǔ)設(shè)備(Storage)(包括內(nèi)部存儲(chǔ)和磁盤(pán)設(shè)備)、輸入/輸出設(shè)備(Input/OutputDevices)。三者直接通過(guò)總線或者通信通路連接起來(lái)。圖4.2給出了主機(jī)的物理部件。圖4.2主機(jī)物理部件

1)中央處理單元

中央處理單元也包括三個(gè)主要部分，即算術(shù)邏輯單元(ArithmeticLogicUnit，ALU)、寄存器組(一組超高速的存儲(chǔ)位置)、1級(jí)高速緩沖存儲(chǔ)器(Level1Cache，L1)。三者間也通過(guò)總線進(jìn)行互聯(lián)。圖4.3給出了CPU的基本結(jié)構(gòu)。圖4.3中央處理單元結(jié)構(gòu)

2)存儲(chǔ)設(shè)備

主機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備可以由半導(dǎo)體器件或者磁盤(pán)/光盤(pán)等介質(zhì)存儲(chǔ)器構(gòu)成。內(nèi)存就是主要由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的顯著實(shí)例。通常，主機(jī)系統(tǒng)中存在隨機(jī)獲取的存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器兩種形式。當(dāng)代主機(jī)可以構(gòu)建容量在16GB或者更大的內(nèi)存系統(tǒng)。而硬盤(pán)、CDROM/DVDROM、軟盤(pán)和磁帶則是主要的介質(zhì)存儲(chǔ)器。

在任意主機(jī)系統(tǒng)中，通常存在不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備，每種類型都有不同的速度、成本和容量特征。一般來(lái)講，越是高速的工藝，其成本越高而且越稀少。圖4.4給出了不同類型存儲(chǔ)器成本—速度曲線，由此可見(jiàn)，隨著速度的減慢，存儲(chǔ)器的成本也在下降。

圖4.4不同類型存儲(chǔ)成本—速度關(guān)系

3)輸入/輸出設(shè)備

輸入/輸出設(shè)備負(fù)責(zé)主機(jī)與外部進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。輸入/輸出設(shè)備可以分為人機(jī)，接口輸入/輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)間的輸入/輸出設(shè)備和計(jì)算機(jī)與外設(shè)間輸入/輸出設(shè)備三種。其中，鍵盤(pán)接口、鼠標(biāo)接口和監(jiān)視器接口屬于人機(jī)間接口輸入/輸出設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)接口卡屬于計(jì)算機(jī)間的輸入/輸出設(shè)備，USB、主機(jī)總線適配器(HostBusAdapter，HBA)則屬于計(jì)算機(jī)與外設(shè)間的輸入/輸出設(shè)備。

2.主機(jī)的軟件組成

構(gòu)成主機(jī)的邏輯部件主要指系統(tǒng)的軟件組成，圖4.5給出了其具體結(jié)構(gòu)的組成原理圖。圖4.5主機(jī)邏輯部件的組成原理圖

1)軟件部件

主機(jī)系統(tǒng)通常包括的軟件部件有：應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)及設(shè)備驅(qū)動(dòng)。具體如下：

(1)應(yīng)用程序。應(yīng)用程序提供在用戶與主機(jī)間或者主機(jī)與其他系統(tǒng)間的交互點(diǎn)。多數(shù)應(yīng)用都有存儲(chǔ)需求，這些存儲(chǔ)或者短期或者長(zhǎng)期依賴于應(yīng)用程序。

(2)操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)環(huán)境的所有方面，管理所有系統(tǒng)硬件部件的內(nèi)部操作和用戶接口。其主要功能包括：

控制應(yīng)用程序與存儲(chǔ)系統(tǒng)間的交互；

檢測(cè)并響應(yīng)用戶的動(dòng)作和系統(tǒng)狀態(tài)；

將硬件部件連接到應(yīng)用程序?qū)雍陀脩簦?/p>

管理系統(tǒng)的活動(dòng)，例如存儲(chǔ)和通信動(dòng)作。

(3)文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)以及存取數(shù)據(jù)的方法。

(4)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)允許操作系統(tǒng)偵測(cè)并使用標(biāo)準(zhǔn)接口存取和控制特定設(shè)備，如打印機(jī)、揚(yáng)聲器、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、視頻設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備等。設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供適當(dāng)?shù)膮f(xié)議使主機(jī)能夠訪問(wèn)設(shè)備。

2)組成原理

對(duì)于存儲(chǔ)而言，文件系統(tǒng)是必須的組織方式。可以認(rèn)為文件系統(tǒng)是基于主機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)和控制讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件例程的通用名稱。文件系統(tǒng)塊是文件數(shù)據(jù)的最小容器。每個(gè)文件系統(tǒng)塊是由物理磁盤(pán)容量中的臨近區(qū)域構(gòu)成。具體文件系統(tǒng)塊的大小由所存儲(chǔ)的文件類型確定。通常其大小由操作系統(tǒng)在存儲(chǔ)系統(tǒng)配置階段設(shè)置。由于多數(shù)文件本身都比預(yù)定的文件系統(tǒng)塊大，文件包含的數(shù)據(jù)通常都是分布在多個(gè)文件系統(tǒng)塊中。但是，包含所有文件數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)塊卻不一定都在一個(gè)物理磁盤(pán)上連續(xù)存放。當(dāng)辨識(shí)存儲(chǔ)于文件中的數(shù)據(jù)時(shí)，文件組織結(jié)構(gòu)對(duì)用戶而言非常重要。主機(jī)僅對(duì)存儲(chǔ)在文件塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)將用戶的邏輯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為主機(jī)可獲取的塊形式。在多用戶多任務(wù)的環(huán)境中，文件系統(tǒng)通過(guò)以下的方式管理存儲(chǔ)資源：

(1)目錄、路徑和結(jié)構(gòu)用來(lái)表示文件的位置；

(2)卷管理方式掩蓋復(fù)雜的物理磁盤(pán)結(jié)構(gòu)；

(3)通過(guò)文件的加鎖方式控制對(duì)文件的獲取以及有可能競(jìng)爭(zhēng)的用戶和程序?qū)ξ募淖x寫(xiě)數(shù)據(jù)流。

數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)管理部件指大型、共享關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)以及共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的管理。主機(jī)上保存的文件隨著時(shí)間的推移會(huì)越來(lái)越多，必須考慮采用有效的管理方式方便用戶使用。與線性或者平鋪結(jié)構(gòu)管理不同，文件系統(tǒng)被劃分為不同的目錄，或者在Windows環(huán)境下稱為文件夾方式進(jìn)行管理。下面簡(jiǎn)單說(shuō)明目錄結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：

(1)目錄是文件的容器，能包括文件也可以包括其他目錄。

(2)目錄不僅保存文件而且保存文件的屬性信息。實(shí)質(zhì)上一個(gè)目錄就是一個(gè)特殊類型的文件，在該文件中包含目錄中文件的列表及對(duì)應(yīng)的元數(shù)據(jù)(文件的信息數(shù)據(jù))。當(dāng)用戶試圖通過(guò)名稱訪問(wèn)特定文件時(shí)，該名稱將在目錄中查找相應(yīng)文件的入口。在文件入口處可以獲得具體的元數(shù)據(jù)。在UNIX系統(tǒng)下，元數(shù)據(jù)包括文件的類型和權(quán)限、鏈接數(shù)、文件的擁有者和組標(biāo)識(shí)、文件字節(jié)大小、最后一次文件獲取時(shí)間、最后一次文件修改時(shí)間等。在Windows系統(tǒng)下，元數(shù)據(jù)包括時(shí)間戳和鏈接計(jì)數(shù)、文件名、讀/寫(xiě)權(quán)限、文件數(shù)據(jù)、索引信息和卷信息。根據(jù)文件系統(tǒng)中是否保存日志可以分為無(wú)日志文件系統(tǒng)和有日志文件系統(tǒng)。因?yàn)闊o(wú)日志文件系統(tǒng)有可能采用獨(dú)立的寫(xiě)操作更新文件數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，所以文件系統(tǒng)有丟失文件的可能。如果在寫(xiě)操作時(shí)系統(tǒng)發(fā)生故障，元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)本身很有可能丟失或損壞。當(dāng)系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí)，文件系統(tǒng)將通過(guò)檢查修復(fù)方式更新元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這種操作對(duì)大型文件系統(tǒng)將非常耗時(shí)。如果在重建需要的結(jié)構(gòu)信息不夠時(shí)，文件將會(huì)錯(cuò)誤存放或者丟失。

日志文件系統(tǒng)采用單獨(dú)的日志區(qū)域保存運(yùn)行的記錄。日志可以保存所有寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)，即物理日志；或者僅保存將要更新的元數(shù)據(jù)，即邏輯日志。在對(duì)文件系統(tǒng)修改之前，這些修改將先寫(xiě)入獨(dú)立的日志區(qū)。當(dāng)日志更新后，對(duì)文件系統(tǒng)的操作才能進(jìn)行。如果在操作過(guò)程中出現(xiàn)系統(tǒng)故障，可通過(guò)日志信息恢復(fù)相應(yīng)操作。日志方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)文件系統(tǒng)快速地檢查操作，即僅查看大文件系統(tǒng)中活躍的近期的文件操作。而且由于對(duì)操作的信息逐一記錄，文件丟失的危險(xiǎn)大大降低。日志文件系統(tǒng)的缺點(diǎn)就是比其他文件系統(tǒng)操作速度慢。這種速度的下降是由于對(duì)文件的操作多了寫(xiě)日志的過(guò)程。

文件系統(tǒng)另一個(gè)重要方面就是卷管理。其實(shí)卷管理是在文件系統(tǒng)與物理磁盤(pán)之間的一個(gè)可選的中間層。卷可以將幾個(gè)小磁盤(pán)組成一個(gè)大容量虛擬磁盤(pán)，并使給虛擬磁盤(pán)對(duì)高級(jí)程序和應(yīng)用可見(jiàn)。采用卷方式可以優(yōu)化對(duì)存儲(chǔ)的操作以及簡(jiǎn)化存儲(chǔ)資源的管理。主機(jī)總線適配器(HBA)負(fù)責(zé)將主機(jī)與存儲(chǔ)設(shè)備連接起來(lái)。HBA通常以接插件的形式或者主板上繼承芯片的形式連接到系統(tǒng)。在HBA上的端口將是主機(jī)與存儲(chǔ)系統(tǒng)互聯(lián)的邏輯接口。主機(jī)中可以存在多個(gè)HBA，一般HBA也具有一定的存儲(chǔ)命令處理能力，使得主機(jī)的CPU負(fù)載能夠降低。對(duì)于大規(guī)模的計(jì)算環(huán)境，通常要求關(guān)鍵數(shù)據(jù)應(yīng)能不間斷讀取。為了支持這項(xiàng)要求，主機(jī)往往通過(guò)如下方式設(shè)置實(shí)現(xiàn)：

(1)設(shè)置多個(gè)HBA實(shí)現(xiàn)主機(jī)與存儲(chǔ)設(shè)備通路的冗余備份；

(2)采用多路徑軟件方式編寫(xiě)程序。多路徑軟件是運(yùn)行于服務(wù)器上具有增強(qiáng)可獲性能力的軟件解決方式。多路徑軟件可以利用多個(gè)HBA選擇主機(jī)與存儲(chǔ)設(shè)備間的冗余通路以提供多種I/O通路和路徑接管能力，并且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)負(fù)載平衡。多路徑軟件可以在路徑故障情況下實(shí)現(xiàn)不間斷數(shù)據(jù)傳輸。集群采用冗余的主機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)方式構(gòu)成。當(dāng)集群中某個(gè)主機(jī)失效時(shí)，其功能可以有生存的成員繼續(xù)完成。集群的成員可以以透明方式配置接管其他成員的負(fù)載，而這種過(guò)程對(duì)用戶而言僅有微小的影響，甚至沒(méi)有影響。

至此，對(duì)于主機(jī)環(huán)境和文件系統(tǒng)的概念部分已經(jīng)介紹完成。下面通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)考察文件是如何在系統(tǒng)中進(jìn)行操作的。圖4.6給出了詳細(xì)的流程。圖4.6文件操作實(shí)例

4.2連接關(guān)系

上一節(jié)中我們給出了有關(guān)主機(jī)環(huán)境的內(nèi)容，那么在本節(jié)中將主要介紹主機(jī)與存儲(chǔ)系統(tǒng)間如何進(jìn)行互聯(lián)，以及相互間通信的邏輯協(xié)議，主要通過(guò)總線和具體協(xié)議進(jìn)行說(shuō)明。

具有內(nèi)部存儲(chǔ)的主機(jī)可以是筆記本電腦或者巨型企業(yè)服務(wù)器。圖4.7說(shuō)明了基本部件連接關(guān)系。圖4.7具有內(nèi)部存儲(chǔ)的主機(jī)

1.總線

總線指為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)一個(gè)部件與其他部件間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)置的數(shù)據(jù)通路集合。物理部件在設(shè)備間通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)包的形式利用總線進(jìn)行通信。這些數(shù)據(jù)包可以利用串行通路或者并行通路。在串行通信中，各個(gè)數(shù)據(jù)位依次進(jìn)行傳送。而并行通信中，數(shù)據(jù)位同時(shí)在冗余的通路上進(jìn)行傳送。圖4.8說(shuō)明了這兩種通信方式的傳輸形式。圖4.8串行/并行傳輸形式一般，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中至少存在兩種類型的總線：系統(tǒng)總線，負(fù)責(zé)處理器與主存間的數(shù)據(jù)傳輸；局部總線或者I/O總線，負(fù)責(zé)外部設(shè)備與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，而局部總線則是直接連接到處理器的高速數(shù)據(jù)通路。

位寬，即總線的規(guī)模，是總線中非常重要的指標(biāo)。位寬決定了一次可以傳送的數(shù)據(jù)量。例如，16位總線能同時(shí)傳輸16位的數(shù)據(jù)，而32位總線則能傳送32位的數(shù)據(jù)。形象地講，位寬就如同高速公路的并行車(chē)道數(shù)目。

總線都有用MHz衡量的時(shí)鐘速度指標(biāo)。高速總線能使得數(shù)據(jù)更快被傳送，也使得應(yīng)用程序運(yùn)行更快。

2.協(xié)議

協(xié)議指定義好的通信格式，使得發(fā)送方和接收方設(shè)備能夠以約定方式通信。為系統(tǒng)中制定的通信協(xié)議包含的元素有：

緊密互聯(lián)的實(shí)體——如中央處理器與RAM，存儲(chǔ)緩沖器與控制器。這些互聯(lián)實(shí)體采用標(biāo)準(zhǔn)的總線技術(shù)進(jìn)行工作。

直接護(hù)理的實(shí)體——指在中等距離上連接的設(shè)備，例如主機(jī)與打印機(jī)之間，主機(jī)與存儲(chǔ)器間(例如JBOD或DAS)。

網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的實(shí)體——例如網(wǎng)絡(luò)主機(jī)，NAS或者SAN。

用于局部總線和內(nèi)部磁盤(pán)系統(tǒng)互聯(lián)的協(xié)議包括：PCI、IDE/ATA以及SCSI。

PCI指外部設(shè)備互聯(lián)協(xié)議是一種定義在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的局部總線協(xié)議。協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)文本中詳細(xì)規(guī)范了如何進(jìn)行PCI擴(kuò)充卡(如網(wǎng)絡(luò)卡或調(diào)制解調(diào)器)的安裝及與中央處理器的交換信息。進(jìn)一步地說(shuō)，PCI包括：微處理器和連接設(shè)備的互連系統(tǒng)，設(shè)備通過(guò)主機(jī)上各個(gè)插槽緊密聯(lián)系并進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。PCI協(xié)議具有即插即用功能，使得新卡的識(shí)別非常簡(jiǎn)單，它可以進(jìn)行32位或者64位的數(shù)據(jù)傳輸，可以達(dá)到133MB/s的吞吐率。

IDE/ATA協(xié)議指集成設(shè)備電子技術(shù)和高級(jí)互聯(lián)技術(shù)，是目前廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代磁盤(pán)接口的協(xié)議。IDE/ATA具有低成本高性能特點(diǎn)。

SCSI協(xié)議指小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口，是第二受到廣泛使用的磁盤(pán)接口協(xié)議。由于具有比IDE明顯的優(yōu)點(diǎn)，使其在諸如高端計(jì)算機(jī)的場(chǎng)合中得到了青睞。但是由于成本較高而且對(duì)于家庭用戶和商業(yè)桌面用戶來(lái)講并不需要新增的特點(diǎn)，使其并沒(méi)有IDE/ATA協(xié)議那么廣泛應(yīng)用。需要強(qiáng)調(diào)的是，SCSI協(xié)議是一種系統(tǒng)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備與PC或者其他系統(tǒng)的連接，并且采用并行的方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)線的數(shù)據(jù)傳輸。目前，SCSI本身已經(jīng)得到了很大的拓展，使得其應(yīng)用范圍以不是單純的并行接口，而可以指相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的寬泛

概念。

圖4.9給出了簡(jiǎn)單的SCSI模型。圖4.9SCSI模型發(fā)起一次SCSI進(jìn)行通信的設(shè)備稱為發(fā)起者，而為請(qǐng)求進(jìn)行服務(wù)的SCSI設(shè)備成為目標(biāo)。如果發(fā)起者是主機(jī)，那么發(fā)起者會(huì)釋放通信連接并繼續(xù)處理其他事件而目標(biāo)則執(zhí)行接收到的命令。主機(jī)將等待來(lái)自于存儲(chǔ)設(shè)備的中斷信號(hào)以完成一次傳輸事務(wù)。SCSI通信的部件包括發(fā)起者標(biāo)識(shí)(InitiatorID)，目標(biāo)標(biāo)識(shí)(TargetID)和邏輯單元號(hào)(LogicUnitNumbers，LUNs)。其中發(fā)起者標(biāo)識(shí)指對(duì)發(fā)起者的唯一標(biāo)號(hào)，也可以用作初始地址，目標(biāo)標(biāo)識(shí)(TargetID)指目標(biāo)的唯一標(biāo)號(hào)，用于與發(fā)起者進(jìn)行交換命令和狀態(tài)的地址信息，而LUNs說(shuō)明在某個(gè)目標(biāo)中的特定邏輯單元，邏輯單元可以不只單個(gè)磁盤(pán)。

SCSI協(xié)議尋址的方式就是依靠上述的標(biāo)識(shí)進(jìn)行。圖4.10給出了SCSI協(xié)議尋址的具體實(shí)例。圖4.10SCSI尋址字段發(fā)起者標(biāo)識(shí)，即初始的發(fā)起者ID號(hào)，一般用作從存儲(chǔ)設(shè)備反饋的響應(yīng)信號(hào)。目標(biāo)標(biāo)識(shí)，用于特定存儲(chǔ)設(shè)備，即在諸如磁盤(pán)、磁帶和光盤(pán)中設(shè)定的接口地址。LUN指設(shè)備的邏輯單元號(hào)，反映了由目標(biāo)看到的設(shè)備真實(shí)地址。圖4.11給出了一個(gè)具體的實(shí)例。圖4.11SCSI尋址實(shí)例在該例中，主機(jī)使用的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器邏輯設(shè)備名稱可以是：cn|tn|dn。其中，cn指控制器號(hào)；tn指設(shè)備目標(biāo)號(hào)，例如t0，t1，t2等；dn指設(shè)備號(hào)，反映了設(shè)備單元的實(shí)際地址。因?yàn)槟繕?biāo)控制器通常僅連接單個(gè)磁盤(pán)，所以使用d0表示大多數(shù)SCSI磁盤(pán)。在智能存儲(chǔ)系統(tǒng)中，每個(gè)目標(biāo)可以尋址多個(gè)LUN。

下面我們總結(jié)SCSI的特點(diǎn)，如表4.1所示。表4.1SCSI協(xié)議特點(diǎn)表4.2則給出了IDE/ATA與SCSI的比較。表4.2IDE/ATA與SCSI的比較

3.光纖通道

光纖通道是一種用于網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)環(huán)境中將服務(wù)器和共享存儲(chǔ)設(shè)備間的高速互聯(lián)方式。光纖通道部件一般包括HBA接口、集線器、交換機(jī)、電纜和磁盤(pán)。圖4.12說(shuō)明了一般光纖通道的結(jié)構(gòu)。圖4.12光纖通道結(jié)構(gòu)光纖通道一般指用于通道各個(gè)元素間通信的軟件協(xié)議和硬件部件。在兩種最常見(jiàn)的外部存儲(chǔ)設(shè)備接口中(SCSI和光纖通道)，SCSI通常用于主機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器件，而光纖通道一般不會(huì)用于內(nèi)部。SCSI的特點(diǎn)是：有限距離、有限設(shè)備數(shù)目、單一發(fā)起者、單端口驅(qū)動(dòng)。光纖通道的特點(diǎn)是：遠(yuǎn)距離、在SAN網(wǎng)絡(luò)中可以有較多互連設(shè)備、支持多個(gè)發(fā)起者、雙端口驅(qū)動(dòng)。

當(dāng)計(jì)算環(huán)境需要高速的互聯(lián)性，通常都會(huì)使用復(fù)雜的設(shè)備將主機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備連接起來(lái)。在網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)環(huán)境中物理上互聯(lián)的部件包括：

(1)?HBA：主機(jī)總線適配器用于連接主機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備。

(2)光纜：光纖電纜可以增加傳輸距離，減少電纜體積。

(3)交換機(jī)：用于控制多個(gè)互連設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

(4)導(dǎo)向器：具有高可用性部件的復(fù)雜交換機(jī)。

(5)橋：連接不同網(wǎng)絡(luò)部分的設(shè)備。

圖4.13給出了簡(jiǎn)單的光纖通道互連的結(jié)構(gòu)形式。圖4.13光纖通道互連形式 4.3磁盤(pán)陣列

隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛推廣，用戶對(duì)計(jì)算機(jī)速度和性能的要求也越來(lái)越高。在一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU和內(nèi)存的作用雖然重要，但是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的好壞和速度的快慢也直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的速度和性能。早期，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備采用單盤(pán)方式，但是輔存的技術(shù)升級(jí)卻比較緩慢，這樣單盤(pán)系統(tǒng)在速度上就逐漸跟不上整個(gè)系統(tǒng)的要求。另外，單盤(pán)系統(tǒng)在較為惡劣的環(huán)境下存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)安全性也存在一定的隱患。為此，磁盤(pán)存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)人員意識(shí)到如果采用多盤(pán)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)必將使單磁盤(pán)的技術(shù)提升得到累積，并且如果配合一定的數(shù)據(jù)保護(hù)措施，那么多盤(pán)方式將在速度和安全性方面優(yōu)于單盤(pán)系統(tǒng)?；诖怂悸?，開(kāi)發(fā)出了獨(dú)立操作和并行處理的磁盤(pán)陣列系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)上數(shù)據(jù)的存取分布在多個(gè)磁盤(pán)上，那么單一的I/O請(qǐng)求就可以并行進(jìn)行。

最早的多盤(pán)系統(tǒng)思想出現(xiàn)在1987年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的三位研究人員(Patterson、Gibson和Katz)發(fā)表的名為ACaseofRedundantArrayofInexpensiveDisks學(xué)術(shù)論文中，即廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列方案。這篇論文的主要思想就是將多個(gè)容量較小、相對(duì)廉價(jià)的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行有機(jī)組合，使其性能超過(guò)單價(jià)較貴的大容量硬盤(pán)。這一設(shè)計(jì)思想很快引起了重視，并且得到了實(shí)際上的應(yīng)用。隨著基于上述思想的多盤(pán)系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，需要對(duì)各種技術(shù)進(jìn)行必要的規(guī)范并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，為此工業(yè)界通過(guò)了一個(gè)稱為RAID(RedundantArraysofIndependentDisks，獨(dú)立磁盤(pán)冗余陣列)的標(biāo)準(zhǔn)方案。根據(jù)RAID系統(tǒng)對(duì)磁盤(pán)數(shù)據(jù)分布以及校驗(yàn)方式的不同，RAID系統(tǒng)可以分為7個(gè)級(jí)別(從RAID0～RAID6)。其中RAID0、RAID1、RAID3以及RAID5是較為常用的級(jí)別。

RAID磁盤(pán)陣列簡(jiǎn)單的理解就是將多臺(tái)硬盤(pán)通過(guò)RAID控制器(基于軟件和硬件)結(jié)合成虛擬單臺(tái)大容量的硬盤(pán)使用。圖4.14給出了RAID的基本組織方式。RAID方案主要的特色就是在數(shù)據(jù)存取速度提高的同時(shí)提供了一定的容錯(cuò)性，有效解決了冗余的要求。RAID系統(tǒng)使得多個(gè)磁盤(pán)系統(tǒng)并行工作，這樣增加了數(shù)據(jù)出錯(cuò)的概率。為了對(duì)這種可靠性下降進(jìn)行補(bǔ)償，RAID特別增加了奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以恢復(fù)由于某種噪音形成的數(shù)據(jù)丟失。圖4.14RAID的基本組織結(jié)構(gòu)為了對(duì)RAID系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明，首先給出各種RAID系統(tǒng)整體性能的簡(jiǎn)單描述。表4.3給出了各種RAID級(jí)的主要特點(diǎn)。表4.3各種RAID級(jí)的主要特點(diǎn)從數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用的角度看，RAID0采用條帶化方式存取數(shù)據(jù)，沒(méi)有進(jìn)行冗余備份，這種方式只是在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式的組織物理上沒(méi)有增加額外的新的存儲(chǔ)設(shè)備，適用于高性能非關(guān)鍵性數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。RAID1采用鏡像方式存取數(shù)據(jù)，是所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的一對(duì)一備份，適用于系統(tǒng)盤(pán)和非常重要文件的保存。RAID2和RAID3均采用并行處理方式存取數(shù)據(jù)，其中RAID2采用漢明碼進(jìn)行數(shù)據(jù)冗余校驗(yàn)，而RAID3采用位交錯(cuò)奇偶校驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)冗余備份，兩者均適用于大容量的I/O請(qǐng)求應(yīng)用背景。RAID4、RAID5和RAID6均采用獨(dú)立存取的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，其中RAID4采用塊交錯(cuò)奇偶校驗(yàn)，RAID5采用塊交錯(cuò)分布奇偶校驗(yàn)，而RAID6采用塊交錯(cuò)雙分布奇偶校驗(yàn)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的冗余處理，RAID5適合于高請(qǐng)求速度，且讀集中的查詢應(yīng)用場(chǎng)合，RAID6則是針對(duì)要求極高的可靠性的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。接下來(lái)，詳細(xì)介紹各種RAID系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)。

1.?RAID0級(jí)

因?yàn)镽AID0沒(méi)有采用任何冗余方式進(jìn)行存儲(chǔ)，所以RAID0嚴(yán)格地講不能算作RAID系列的成員。但是，對(duì)于某些應(yīng)用，例如超級(jí)計(jì)算機(jī)，性能和容量作為其基本的考慮，低成本要比可靠性重要。

在RAID0系統(tǒng)中，用戶和系統(tǒng)數(shù)據(jù)分布在磁盤(pán)陣列的所有盤(pán)面上。與單個(gè)大容量磁盤(pán)相比，其優(yōu)點(diǎn)主要是：如果兩個(gè)I/O請(qǐng)求同時(shí)等待不同的數(shù)據(jù)塊時(shí)，那么這些數(shù)據(jù)塊有可能分布在不同的磁盤(pán)上。這樣就可以并行處理這些請(qǐng)求，減少I(mǎi)/O的排隊(duì)時(shí)間。

圖4.15給出了RAID0的基本結(jié)構(gòu)。圖4.15RAID0的基本結(jié)構(gòu)

RAID0以及其他級(jí)別的陣列均采用條帶(Stripe)的形式在可用磁盤(pán)上分布存放數(shù)據(jù)。圖4.16給出了磁盤(pán)的條帶化存儲(chǔ)形式。用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)被看成是存儲(chǔ)在一個(gè)邏輯磁盤(pán)上，磁盤(pán)以條帶的形式劃分，每個(gè)條帶是一些物理的塊、扇區(qū)或者其他基本單位。數(shù)據(jù)條帶以輪轉(zhuǎn)方式映射到連續(xù)的陣列磁盤(pán)中?？梢远x每個(gè)磁盤(pán)映射一個(gè)條帶的一組邏輯連續(xù)的條帶定義為條帶集(Stripes)。在這些條帶上,數(shù)據(jù)是這樣組織的：在一個(gè)有n個(gè)磁盤(pán)的陣列中,第一組的n個(gè)邏輯條帶依次物理存儲(chǔ)在n個(gè)磁盤(pán)的第1個(gè)Stripe上,構(gòu)成第一個(gè)Stripe；第二組的n個(gè)邏輯條帶分布在每個(gè)磁盤(pán)的第2個(gè)條帶上形成第二個(gè)Stripe；按照同樣的組織形成更多的Stripe。這樣分布數(shù)據(jù)的特點(diǎn)就是，如果單個(gè)I/O請(qǐng)求由多個(gè)邏輯相鄰的條帶組成，則最多可以實(shí)現(xiàn)n個(gè)條帶的請(qǐng)求可以并行處理，提高I/O的吞吐率。圖4.16條帶化存儲(chǔ)形式在高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)合，由于RAID0沒(méi)有冗余備份，其性能主要取決于主機(jī)的請(qǐng)求方式以及數(shù)據(jù)分布。為了適應(yīng)高速傳輸要求，首先在主存和各個(gè)磁盤(pán)間應(yīng)存在高速的傳輸路徑，即在內(nèi)部控制總線、主系統(tǒng)I/O總線、I/O適配器和存儲(chǔ)總線上應(yīng)有高速路徑。其次，磁盤(pán)陣列I/O請(qǐng)求方式上如果是大量邏輯相鄰的數(shù)據(jù)，則單個(gè)I/O請(qǐng)求可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)磁盤(pán)的并行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)效率將會(huì)大大提高。

如果每次I/O請(qǐng)求的數(shù)據(jù)量不大，但是請(qǐng)求的次數(shù)頻繁的情況發(fā)生?？梢酝ㄟ^(guò)平衡多個(gè)磁盤(pán)中的I/O負(fù)載以提高I/O執(zhí)行速度。當(dāng)條帶的容量較大時(shí)，單個(gè)I/O請(qǐng)求就不會(huì)出現(xiàn)跨磁盤(pán)進(jìn)行存取的情況，這樣就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)等待I/O的請(qǐng)求并行處理。從整體上減少每個(gè)請(qǐng)求的排隊(duì)時(shí)間。

2.?RAID1級(jí)

RAID1采用簡(jiǎn)單的備份方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的冗余。與RAID0一樣，RAID1也采用數(shù)據(jù)條帶化分布存儲(chǔ)，但是每個(gè)邏輯條帶映射到兩個(gè)不同的物理磁盤(pán)組中，在磁盤(pán)陣列中每個(gè)磁盤(pán)均有一個(gè)包含相同數(shù)據(jù)的鏡像盤(pán)。圖4.17給出了RAID1的基本組織形式。圖4.17RAID1的基本組織形式

RAID1具有如下基本特點(diǎn)：

(1)讀請(qǐng)求可由包含請(qǐng)求數(shù)據(jù)的兩個(gè)磁盤(pán)中的某一個(gè)提供服務(wù)，這樣就可以找到最小的尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)延遲的磁盤(pán)以提高讀速率。

(2)寫(xiě)請(qǐng)求需要更新兩個(gè)對(duì)應(yīng)的條帶，這種更新完全同步。因此，寫(xiě)性能由兩個(gè)盤(pán)中較慢的寫(xiě)來(lái)確定。RAID1的寫(xiě)相對(duì)于其他級(jí)別的陣列沒(méi)有額外的操作，所以無(wú)“寫(xiě)損失”。

(3)當(dāng)一個(gè)磁盤(pán)的數(shù)據(jù)被損壞，可以從另一個(gè)磁盤(pán)得到恢復(fù)。

(4)?RAID1價(jià)格較貴，需要支持兩倍于邏輯磁盤(pán)的磁盤(pán)空間。因此，RAID1的配置只限于存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)和關(guān)鍵文件的驅(qū)動(dòng)器中。這種應(yīng)用情況下，RAID1可以提供數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)備份能力，如果數(shù)據(jù)有所損失，可以從備份盤(pán)中立即恢復(fù)。

(5)如果有大量的讀數(shù)據(jù)要求，則RAID1能實(shí)現(xiàn)高速的I/O速率，其性能可以達(dá)到RAID0的兩倍。然而，如果I/O請(qǐng)求中大部分是寫(xiě)請(qǐng)求，那么其性能將與RAID0差不多。那么在讀請(qǐng)求的概率高的數(shù)據(jù)傳送密集型應(yīng)用中，RAID1提供了對(duì)RAID0改進(jìn)的性能。

3.?RAID2級(jí)

RAID2采用并行存取陣列，所有磁盤(pán)成員都進(jìn)行對(duì)I/O請(qǐng)求的執(zhí)行。通常情況下，各個(gè)驅(qū)動(dòng)器的軸是同步旋轉(zhuǎn)的，這樣每個(gè)磁盤(pán)上的每個(gè)磁頭都在同一位置。圖4.18給出了RAID2的基本組織形式。

RAID2也采用數(shù)據(jù)條帶的方式進(jìn)行存取，在RAID2中，條帶非常小，譬如一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字。如圖4.18所示，各個(gè)數(shù)據(jù)盤(pán)上相應(yīng)位經(jīng)過(guò)校驗(yàn)計(jì)算出保護(hù)位，將信息位和保護(hù)位分別存放在不同的磁盤(pán)上。通常有專用的磁盤(pán)用存儲(chǔ)保護(hù)位，而保護(hù)位則采用漢明編碼方式得到，這種編碼方式可以糾正一位錯(cuò)誤，檢測(cè)出兩位錯(cuò)誤。圖4.18RAID2的基本組織形式

4.?RAID3級(jí)

RAID3的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)與RAID2相類似，可以用圖4.18表示。但是與RAID2不同的是：無(wú)論磁盤(pán)陣列數(shù)目有多少,RAID3只需要單個(gè)冗余校驗(yàn)盤(pán)。在RAID3中,數(shù)據(jù)分布在不同的較小的條帶上,并且進(jìn)行并行方式讀寫(xiě)操作；RAID3沒(méi)有采用糾錯(cuò)碼而采用對(duì)所有數(shù)據(jù)盤(pán)上相同位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶方式校驗(yàn)。

如果在RAID3陣列中某一個(gè)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器不能工作時(shí)，那么可以通過(guò)存取奇偶校驗(yàn)盤(pán)的數(shù)據(jù)以及其他驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行對(duì)出錯(cuò)磁盤(pán)重構(gòu)數(shù)據(jù)。這樣，當(dāng)更換到不能工作的磁盤(pán)后，新的磁盤(pán)也能夠恢復(fù)原有的數(shù)據(jù)。

5.?RAID4級(jí)

從RAID4開(kāi)始，磁盤(pán)陣列均采用了獨(dú)立的存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)磁盤(pán)陣列成員的操作是完全獨(dú)立的，各個(gè)I/O請(qǐng)求能夠并行完成。那么獨(dú)立存取方式將更適合于高速數(shù)據(jù)請(qǐng)求傳輸?shù)膽?yīng)用，而較少應(yīng)用于單次請(qǐng)求需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合。

RAID4同樣采用條帶方式存取數(shù)據(jù)，但是其條帶的規(guī)模相對(duì)前面的RAID級(jí)要大一些。在RAID4中，通過(guò)每個(gè)數(shù)據(jù)盤(pán)上的相應(yīng)條帶數(shù)據(jù)對(duì)校驗(yàn)盤(pán)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。圖4.19給出了其基本結(jié)構(gòu)。圖4.19RAID4的基本結(jié)構(gòu)

6.?RAID5級(jí)

與RAID4的組織方式基本相似，RAID5也采用校驗(yàn)的方式保護(hù)數(shù)據(jù)，但是RAID5并沒(méi)有將校驗(yàn)位集中在一個(gè)單獨(dú)的物理磁盤(pán)上，而是采用分布式的處理方式將校驗(yàn)位存儲(chǔ)在不同的磁盤(pán)上。圖4.20給出了其基本結(jié)構(gòu)。圖4.20RAID5的基本結(jié)構(gòu)

7.?RAID6級(jí)

RAID6的基本思想就是進(jìn)行兩種不同的奇偶計(jì)算，并將校驗(yàn)數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)到不同的磁盤(pán)上。那么，如果用戶數(shù)據(jù)需要N個(gè)磁盤(pán)的陣列，則總的磁盤(pán)數(shù)目將是N+2。圖4.21是其基本結(jié)構(gòu)。

由圖4.21可見(jiàn)，P和Q是兩種不同的校驗(yàn)數(shù)據(jù)算法

，可以認(rèn)為P就是RAID4和RAID5使用的異或計(jì)算式的校驗(yàn)算法，而Q則是與之完全不相關(guān)的校驗(yàn)算法。因此，即使兩個(gè)數(shù)據(jù)盤(pán)出現(xiàn)故障，也能夠恢復(fù)數(shù)據(jù)。

RAID6的優(yōu)點(diǎn)是提供了極高的數(shù)據(jù)可用性，只有當(dāng)3個(gè)磁盤(pán)都發(fā)生故障時(shí)，數(shù)據(jù)才會(huì)丟失。但是，RAID6的寫(xiě)性能不高，這是因?yàn)檫M(jìn)行了兩種奇偶校驗(yàn)計(jì)算的結(jié)果所導(dǎo)致的。圖4.21RAID6的基本結(jié)構(gòu)在隨后的發(fā)展過(guò)程中，RAID7成為了新的磁盤(pán)陣列級(jí)。RAID7自身帶有智能化實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及用于存儲(chǔ)管理的工具，而且完全與主機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。從某種角度看，RAID7可以認(rèn)為是一種存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)，與其他RAID級(jí)具有明顯的區(qū)別，具有更高的性能。在眾多的RAID級(jí)中，用戶也可以根據(jù)自身的需要將各個(gè)級(jí)進(jìn)行組合使用，如將RAID0和RAID1組合形成RAID0+1級(jí)或者RAID1+0級(jí)，將RAID5和RAID3組合形成RAID5+3級(jí)。圖4.22給出了RAID0+1級(jí)的基本結(jié)構(gòu)。圖4.22RAID0+1級(jí)的基本結(jié)構(gòu)

RAID0+1以RAID0的條帶化為基礎(chǔ)，增加了在RAID1中采用的鏡像盤(pán)對(duì)每個(gè)條帶的數(shù)據(jù)塊都進(jìn)行了有效備份。其明顯的特點(diǎn)在于對(duì)較小數(shù)據(jù)塊的高速輸入/輸出速率，且具有中等效果的磁盤(pán)數(shù)據(jù)可用性，但相同條帶上的數(shù)據(jù)發(fā)生了故障時(shí)，數(shù)據(jù)可以由鏡像盤(pán)得到恢復(fù)。這也說(shuō)明了RAID0+1可以有限程度容忍對(duì)多個(gè)磁盤(pán)的故障。但是，RAID0+1需要雙倍的磁盤(pán)空間，其成本較高。在讀/寫(xiě)方面，寫(xiě)操作由于存在對(duì)鏡像的寫(xiě)，速度比讀操作稍慢。RAID0+1可應(yīng)用于如圖像和文件服務(wù)器等環(huán)境中。與之對(duì)應(yīng)的RAID1+0的基本結(jié)構(gòu)如圖4.23所示。圖4.23RAID1+0基本結(jié)構(gòu)

8.?PC機(jī)構(gòu)建RAID陣列

目前在PC機(jī)上可以構(gòu)建基本的RAID系統(tǒng)，如RAID0和RAID1。對(duì)于其他形式的RAID，由于要求的磁盤(pán)數(shù)目較多，在普通的個(gè)人計(jì)算機(jī)上并不常見(jiàn)。其中RAID0由于沒(méi)有備份的功能，對(duì)磁盤(pán)系統(tǒng)沒(méi)有特殊要求，RAID1則需要至少兩塊以上的相同容量硬盤(pán)以構(gòu)成鏡像盤(pán)。下面給出以兩塊60GB硬盤(pán)構(gòu)建RAID0和RAID1的具體步驟。

1)?RAID0

首先在構(gòu)建RAID0時(shí)磁盤(pán)原有數(shù)據(jù)將被破壞，因此應(yīng)將磁盤(pán)上原有的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。備份完成后，準(zhǔn)備好Windows系統(tǒng)啟動(dòng)盤(pán)。至此，可以開(kāi)始RAID0設(shè)置。接下來(lái)，將兩塊硬盤(pán)通過(guò)跳線設(shè)置為Master，分別接到主板上的IDE3、IDE4接口上。RAID0會(huì)自動(dòng)重建兩塊硬盤(pán)的分區(qū)表，無(wú)需考慮硬盤(pán)連接順序。然后，重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)進(jìn)入BIOS進(jìn)行設(shè)置，打開(kāi)ATARAIDCONTROLLER選項(xiàng)(這里主板必須集成如HighPoint370的RAID芯片控制器)。例如，在KT7A-RAID主板BIOS中進(jìn)入INTEGRATEDPERIPHERALS選項(xiàng)并開(kāi)啟ATA100RAIDIDECONTROLLER。設(shè)置完BIOS內(nèi)容后，重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，這時(shí)系統(tǒng)將不會(huì)檢測(cè)到發(fā)現(xiàn)硬盤(pán)，這是因?yàn)榇疟P(pán)的管理由HighPoint370芯片接管。這時(shí)系統(tǒng)會(huì)提示進(jìn)入HighPoint370的BIOS設(shè)置。當(dāng)進(jìn)入HighPoint370BIOS設(shè)置界面后首先選擇創(chuàng)建RAID，即CreateRAID。在“ArrayMode(陣列模式)”中進(jìn)行RAID級(jí)別選擇，可用的RAID級(jí)有0、1、0+1和Span。根據(jù)應(yīng)用要求，選擇RAID0項(xiàng)。當(dāng)選擇RAID0之后，需要設(shè)置磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，然后設(shè)置條帶單位大小，缺省為64KB。當(dāng)這些選項(xiàng)確認(rèn)后，接著“StartCreate”開(kāi)始創(chuàng)建RAID0并指定BOOT啟動(dòng)盤(pán)。退出BIOS設(shè)置重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，這時(shí)就可以在屏幕上看到“Striping(RAID0)forArray#0”的提示符。插入準(zhǔn)備好的啟動(dòng)盤(pán)，啟動(dòng)DOS?？梢酝ㄟ^(guò)Fdisk程序查看磁盤(pán)系統(tǒng)情況，這時(shí)僅一個(gè)硬盤(pán)可見(jiàn)，RAID陣列已經(jīng)被看做單個(gè)硬盤(pán)。在操作系統(tǒng)級(jí)，RAID完全透明，一切讀寫(xiě)操作都由控制芯片完成。在此基礎(chǔ)上，可以利用Fdisk進(jìn)行磁盤(pán)分區(qū)。采用RAID0系統(tǒng)后，數(shù)據(jù)分布在兩個(gè)硬盤(pán)上，讀取數(shù)據(jù)將會(huì)變得更快，而且不會(huì)浪費(fèi)磁盤(pán)空間。當(dāng)磁盤(pán)分區(qū)結(jié)束后，激活主分區(qū)安裝Windows操作系統(tǒng)。在安裝系統(tǒng)過(guò)程中，注意需要安裝磁盤(pán)控制器的驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)操作系統(tǒng)已經(jīng)安裝成功后，用戶就可以在硬盤(pán)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)RAID0方式的讀寫(xiě)操作，正常情況下讀取數(shù)據(jù)的速度會(huì)提高許多。

2)?RAID1

RAID1的安裝設(shè)置過(guò)程基本與RAID0相似，?主要不同在于對(duì)RAID控制器的設(shè)置方面。當(dāng)進(jìn)入到RAID控制器HighPoint370BIOS后選擇創(chuàng)建RAID時(shí)，首先選擇“ArrayMode”進(jìn)入模式并選擇“Mirror(RAID1)forDataSecurity”準(zhǔn)備創(chuàng)建RAID1。然后，分別選擇源盤(pán)和目標(biāo)盤(pán)(即鏡像盤(pán)或備份盤(pán))并開(kāi)始創(chuàng)建過(guò)程。之后BIOS提示進(jìn)行鏡像的制作，該過(guò)程將非常緩慢，最后完成整個(gè)RAID1系統(tǒng)的建立。RAID1系統(tǒng)將主盤(pán)上的數(shù)據(jù)復(fù)制到鏡像盤(pán)上，為此在開(kāi)始復(fù)制之前就必須確認(rèn)數(shù)據(jù)盤(pán)和鏡像盤(pán)的位置，防止將兩個(gè)盤(pán)放反造成不可挽回的損失。RAID1支持在兩個(gè)空硬盤(pán)上創(chuàng)建，也支持在一塊具有操作系統(tǒng)的硬盤(pán)上添加新的空硬盤(pán)作為鏡像盤(pán)使用。為了驗(yàn)證RAID1系統(tǒng)是否可以正常工作，可以人為地將源數(shù)據(jù)盤(pán)從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上拆除并重新啟動(dòng)系統(tǒng)。這時(shí)RAID控制器會(huì)發(fā)出警告，可以忽略該警告，那么作為鏡像的硬盤(pán)就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)硬盤(pán)，提供穩(wěn)定的服務(wù)。而鏡像盤(pán)上的數(shù)據(jù)完好無(wú)損，用戶可以如常使用。對(duì)于RAID0和RAID1的系統(tǒng)安裝方式簡(jiǎn)單介紹就到此，需要說(shuō)明的是無(wú)論哪種RAID系統(tǒng)，用戶對(duì)計(jì)算機(jī)的操作不會(huì)受到限制，也就是說(shuō)，對(duì)一般用戶而言RAID0和RAID1完全透明。

除了使用RAID卡或者主板上自帶的芯片實(shí)現(xiàn)硬件的磁盤(pán)陣列外，在操作系統(tǒng)中也可以直接采用軟件方式實(shí)現(xiàn)RAID功能。下面就以Windows2000/XP系統(tǒng)為例說(shuō)明RAID軟件設(shè)置的方式。目前，Windows系統(tǒng)中與RAID相關(guān)的功能軟件為動(dòng)態(tài)磁盤(pán)管理。動(dòng)態(tài)磁盤(pán)與基本磁盤(pán)相比較，不再采用以前的分區(qū)方式，而是采用卷集的方法管理磁盤(pán)。動(dòng)態(tài)磁盤(pán)可以任意修改磁盤(pán)卷集容量，即在不重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的情況下可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁盤(pán)容量大小的修改，而且不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)磁盤(pán)可以擴(kuò)展到磁盤(pán)中離散的磁盤(pán)空間中，還可以創(chuàng)建跨磁盤(pán)的卷集將不同磁盤(pán)整合為一個(gè)大卷集。而且在動(dòng)態(tài)磁盤(pán)上可以創(chuàng)建的卷集個(gè)數(shù)沒(méi)有限制，相對(duì)于基本磁盤(pán)方式，一個(gè)磁盤(pán)上最多有4個(gè)分區(qū)的限制要靈活許多。動(dòng)態(tài)磁盤(pán)只能在WindowsNT/2000/XP及以后的系統(tǒng)上識(shí)別。為了實(shí)現(xiàn)軟件RAID功能，必須首先將基本磁盤(pán)類型轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)磁盤(pán)。具體操作在磁盤(pán)管理軟件內(nèi)實(shí)現(xiàn)(控制面板→管理工具→計(jì)算機(jī)管理→磁盤(pán)管理)。在該軟件的查看菜單中將其中的一個(gè)窗口切換為磁盤(pán)列表，并通過(guò)右鍵菜單將選擇磁盤(pán)轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)磁盤(pán)。

在對(duì)動(dòng)態(tài)卷時(shí)有四種類型可以選擇：簡(jiǎn)單卷、跨區(qū)卷、帶區(qū)卷和鏡像卷。其中，簡(jiǎn)單卷包含單一磁盤(pán)上的空間與分區(qū)的功能一樣；跨區(qū)卷將來(lái)自多個(gè)磁盤(pán)的未分配空間合并到一個(gè)邏輯卷中；帶區(qū)卷可以組合多個(gè)(2～32個(gè))磁盤(pán)上的未分配空間到一個(gè)卷；鏡像卷實(shí)現(xiàn)單一卷兩份相同的拷貝，即用于實(shí)現(xiàn)RAID1。如果系統(tǒng)具有三個(gè)或以上的動(dòng)態(tài)磁盤(pán)時(shí)，就可以使用RAID5的分卷方式，形成帶奇偶校驗(yàn)的帶區(qū)卷。下面給出最常用的RAID0的軟件實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單說(shuō)明。首先必須將準(zhǔn)備加入RAID0的磁盤(pán)轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)磁盤(pán)。為了進(jìn)行RAID0將分區(qū)劃分為帶區(qū)卷，在劃分過(guò)程中系統(tǒng)要求有一個(gè)對(duì)應(yīng)的分區(qū)，即要求其他的動(dòng)態(tài)磁盤(pán)上必須有對(duì)應(yīng)大小的分區(qū)或更大未分配的空間。帶區(qū)卷分配完成后，兩個(gè)同樣大小的分卷將被系統(tǒng)合并，此時(shí)包括格式化操作都將同時(shí)在兩個(gè)磁盤(pán)上進(jìn)行。這樣就構(gòu)建完成了RAID0系統(tǒng)。那么，這樣的RAID0系統(tǒng)性能如何呢？經(jīng)過(guò)實(shí)際對(duì)硬盤(pán)的測(cè)試，RAID0系統(tǒng)傳輸速率完全超過(guò)了陣列中任意一個(gè)硬盤(pán)的速率。

其實(shí)，在Linux環(huán)境下，可以利用RAIDTOOLS工具來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件RAID功能。該工具可以制作軟件RAID0、RAID1、RAID4和RAID5等多種磁盤(pán)陣列。

4.4磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)

關(guān)于智能存儲(chǔ)系統(tǒng)，首先給出智能存儲(chǔ)的基本概念，然后說(shuō)明實(shí)現(xiàn)智能存儲(chǔ)系統(tǒng)的兩種基本形式：集成形式和模塊形式。

智能存儲(chǔ)系統(tǒng)是具有分布數(shù)據(jù)到不同的設(shè)備且管理對(duì)數(shù)據(jù)操作的磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)。智能存儲(chǔ)系統(tǒng)具有以下主要優(yōu)勢(shì)：

(1)存儲(chǔ)容量增長(zhǎng)迅速；

(2)系統(tǒng)性能提升迅速；

(3)數(shù)據(jù)管理簡(jiǎn)便；

(4)具有更好的數(shù)據(jù)可獲性；

(5)具有更強(qiáng)的魯棒性和恢復(fù)能力；

(6)靈活性和可擴(kuò)展性非常強(qiáng)。目前，通常磁盤(pán)陣列分為兩大類：集成型和模塊型。集成型存儲(chǔ)系統(tǒng)以企業(yè)級(jí)應(yīng)用為目標(biāo)，將數(shù)據(jù)集成到具有幾百個(gè)驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)大系統(tǒng)中。集成型系統(tǒng)具有如下的特點(diǎn)：

(1)巨大的存儲(chǔ)容量；

(2)具有數(shù)量巨多的高速緩存以暫存I/O數(shù)據(jù)后寫(xiě)入到磁盤(pán)中；

(3)具有用以提高數(shù)據(jù)保護(hù)和可獲性的冗余部件；

(4)許多內(nèi)部的特征保證了系統(tǒng)更加魯棒并具有容錯(cuò)功能；

(5)通常連接到大型機(jī)或功能強(qiáng)大的開(kāi)放系統(tǒng)主機(jī)上；

(6)具有多種前端端口以提供連接到多個(gè)服務(wù)器；

(7)采用多個(gè)后端光纖通道或者SCSIRAID控制器管理磁盤(pán)處理；

(8)成本高。

這種類型的系統(tǒng)可以包含到單個(gè)主機(jī)中或者互連的大型機(jī)中，并能支持互連數(shù)目、性能和容量按照要求的擴(kuò)展。集成存儲(chǔ)設(shè)備能處理數(shù)據(jù)密集應(yīng)用中大量并發(fā)輸入輸出的請(qǐng)求。但是，這種系統(tǒng)成本限制了只能應(yīng)用于大多數(shù)關(guān)鍵的任務(wù)中。同樣，這種系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心占據(jù)了大部分空間。有時(shí)，集成型磁盤(pán)陣列也稱為企業(yè)磁盤(pán)陣列或者Cache密集型陣列。圖4.24給出了這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。圖4.24集成存儲(chǔ)系統(tǒng)與集成存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的是模塊化存儲(chǔ)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以為數(shù)量比較小的Windows或UNIX服務(wù)器提供存儲(chǔ)服務(wù)。模塊化存儲(chǔ)系統(tǒng)通常具有兩種控制器，每一種控制器包括主機(jī)接口、高速緩存、RAID處理器和磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)接口。

模塊化存儲(chǔ)系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

(1)小型公司或部門(mén)級(jí)應(yīng)用；

(2)較小的磁盤(pán)容量和全局高速緩存；

(3)占地面積小且成本低；

(4)可以僅有較少數(shù)目的磁盤(pán)，并可以根據(jù)需要調(diào)整；

(5)與服務(wù)器連接的前端端口數(shù)目少；

(6)隨著容量增加，性能將有所下降；

(7)不能連接到大型機(jī)中；

(8)有限的冗余度和互連性；

(9)通常具有與磁盤(pán)陣列相獨(dú)立的控制器。

模塊化磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)也稱為中等范圍或部門(mén)級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)。圖4.25給出了其基本形式。

智能存儲(chǔ)系統(tǒng)的邏輯構(gòu)成可以用圖4.26說(shuō)明。由該圖可見(jiàn)，一般智能存儲(chǔ)系統(tǒng)由四個(gè)主要部分組成：前端、高速緩存、后端和物理磁盤(pán)。圖4.25模塊化磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)基本形式圖4.26智能存儲(chǔ)系統(tǒng)的基本構(gòu)成在智能存儲(chǔ)系統(tǒng)中，前端端口負(fù)責(zé)連接主機(jī)，這些端口就可以看做連接主機(jī)的外部接口。每個(gè)存儲(chǔ)端口均有負(fù)責(zé)執(zhí)行與存儲(chǔ)連接的傳輸協(xié)議的處理邏輯。這些端口可以使用SCSI、光纖通道或者iSCSI。在存儲(chǔ)端口之后就是控制器，控制器負(fù)責(zé)通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁咚倬彺嬷?。?dāng)高速緩存接收到數(shù)據(jù)后，控制器將發(fā)出確認(rèn)信息給主機(jī)。為了維護(hù)數(shù)據(jù)可用性，存儲(chǔ)系統(tǒng)的前端通常具有多個(gè)端口。這樣當(dāng)發(fā)生故障時(shí)能夠提供一定的備份，或者當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)載時(shí)能夠通過(guò)各個(gè)端口平衡負(fù)載。對(duì)于中等范圍的存儲(chǔ)系統(tǒng)，前端端口的數(shù)目可以是1～8個(gè)，典型情況設(shè)置為4個(gè)。在大型集成陣列中，64個(gè)或128個(gè)前端端口也非常普遍。對(duì)于前端端口執(zhí)行的命令通常采用命令隊(duì)列的形式進(jìn)行組織。命令隊(duì)列處理多個(gè)并發(fā)的命令的順序是基于數(shù)據(jù)在磁盤(pán)上的組織方式，而不是命令到達(dá)前端端口的順序。命令隊(duì)列軟件將根據(jù)數(shù)據(jù)在磁盤(pán)上的分布重新對(duì)命令進(jìn)行排列使得執(zhí)行效率得到提升，并且該軟件也會(huì)給每個(gè)命令設(shè)定一個(gè)標(biāo)記。該標(biāo)記表示命令將被執(zhí)行的時(shí)間。對(duì)于像SCSI或者光纖通道磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器能夠自我管理其命令隊(duì)列。智能存儲(chǔ)系統(tǒng)在使用這種類型的磁盤(pán)時(shí)可以采用本身的管理方式，也可以由控制器負(fù)責(zé)管理命令隊(duì)列。關(guān)于命令隊(duì)列的算法，通常采用的方式有以下幾種：

(1)先入先出，即命令執(zhí)行的順序與到達(dá)控制器的順序一致。那么這種方式實(shí)質(zhì)上沒(méi)有任何隊(duì)列，效率也是最低的。

(2)尋道時(shí)間優(yōu)化，這種對(duì)尋道時(shí)間優(yōu)化的方式比前一種方法要快得多。但是，兩個(gè)讀/寫(xiě)請(qǐng)求有可能在非常臨近的柱面上，但是從磁道角度看卻在不同的位置。這時(shí)，有可能出現(xiàn)第三個(gè)扇區(qū)從柱面看與第一個(gè)請(qǐng)求相距較遠(yuǎn)的情況，但是總體看卻更加接近第一個(gè)請(qǐng)求。那么這時(shí)優(yōu)化尋道時(shí)間方法如果不考慮旋轉(zhuǎn)延遲的話將不會(huì)產(chǎn)生最佳效果。

(3)存取時(shí)間優(yōu)化，這種方式為了優(yōu)化性能將尋道時(shí)間優(yōu)化和旋轉(zhuǎn)延遲分析共同考慮得到最佳的隊(duì)列效果。

對(duì)于命令隊(duì)列深度設(shè)定說(shuō)明了同時(shí)可以活躍的請(qǐng)求數(shù)目，一般生產(chǎn)商能夠提供可以配置的命令隊(duì)列深度。圖4.27說(shuō)明了命令隊(duì)列的基本情況。圖4.27命令隊(duì)列的基本情況高速緩存也是智能存儲(chǔ)系統(tǒng)必不可少的部分。高速緩存實(shí)際上是一塊高速的存儲(chǔ)器，它通過(guò)將物理磁盤(pán)的機(jī)械延遲和主機(jī)進(jìn)行隔離而達(dá)到了提升系統(tǒng)性能的目的。一般由于尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)延遲，從物理磁盤(pán)上獲取數(shù)據(jù)時(shí)間到達(dá)幾個(gè)毫秒，但是從高速的內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)也僅需要不到1ms的時(shí)間。這樣使用高速緩存系統(tǒng)不僅可以提升讀的效率，也可以提升寫(xiě)的效率。

當(dāng)數(shù)據(jù)從高速緩存中讀出后將通過(guò)輸入/輸出總線傳送到后端部件，在后端部件數(shù)據(jù)被分配到正確的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器上。后端部件提供與磁盤(pán)進(jìn)行讀/寫(xiě)操作的通信方式。其主要功能由磁盤(pán)控制器負(fù)責(zé)。磁盤(pán)控制器主要的功能有：

(1)存儲(chǔ)系統(tǒng)中管理I/O總線與磁盤(pán)間的數(shù)據(jù)傳輸；

(2)處理設(shè)備的尋址，將邏輯塊變換為磁盤(pán)上的物理位置；

(3)提供額外的但有限的數(shù)據(jù)暫存空間；

(4)提供與磁盤(pán)相似的錯(cuò)誤偵測(cè)和糾正能力；

(5)具有在主機(jī)上實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備與HBA進(jìn)行通信的能力；

(6)有利于性能增強(qiáng)。在具體硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，磁盤(pán)控制器是一種具有內(nèi)嵌程序