磁盤陳列技術
磁盤陣列(discarray)是由許多臺磁盤機或光盤機按一定的規(guī)則，如分條(striping)、分塊(declustering)、交叉存取(interleaving)等組成一個快速，超大容量的外存儲器子系統(tǒng)。它在陣列控制器的控制和管理下，實現(xiàn)快速，并行或交叉存取，并有較強的容錯能力。從用戶觀點看，磁盤陣列雖然是由幾個、幾十個甚至上百個盤組成，但仍可認為是一個單一磁盤，其容量可以高達幾百～上千千兆字節(jié)，因此這一技術廣泛為多媒體系統(tǒng)所歡迎。
一、磁盤陣列
磁盤陣列的全稱是：redundanarrayofinexpensivedisk，簡稱raid技術。它是1988年由美國加州大學berkeley分校的davidpatterson教授等人提出來的磁盤冗余技術。從那時起，磁盤陣列技術發(fā)展得很快，并逐步走向成熟。現(xiàn)在已基本得到公認的有下面八種系列。
1、raid0(0級盤陣列)
raid0又稱數(shù)據(jù)分塊，即把數(shù)據(jù)分布在多個盤上，沒有容錯措施。其容量和數(shù)據(jù)傳輸率是單機容量的n倍，n為構成盤陣列的磁盤機的總數(shù)，i/o傳輸速率高，但平均無故障時間mttf(meantimetofailure)只有單臺磁盤機的n分之一，因此零級盤陣列的可靠性最差。
2、raid1(1級盤陣列)
raid1又稱鏡像(mirror)盤，采用鏡像容錯來提高可靠性。即每一個工作盤都有一個鏡像盤，每次寫數(shù)據(jù)時必須同時寫入鏡像盤，讀數(shù)據(jù)時只從工作盤讀出。一旦工作盤發(fā)生故障立即轉(zhuǎn)入鏡像盤，從鏡像盤中讀出數(shù)據(jù)，然后由系統(tǒng)再恢復工作盤正確數(shù)據(jù)。因此這種方式數(shù)據(jù)可以重構，但工作盤和鏡像盤必須保持一一對應關系。這種盤陣列可靠性很高，但其有效容量減小到總?cè)萘恳话胍韵隆Ｒ虼?/FONT>raid1常用于對出錯率要求極嚴的應用場合，如財政、金融等領域。
3、raid2(2級盤陣列)
raid2又稱位交叉，它采用漢明碼作盤錯檢驗，無需在每個扇區(qū)之后進行crc(cyclicredundancycheck)檢驗。漢明碼是一種(n,k)線性分組碼，n為碼字的長度，k為數(shù)據(jù)的位數(shù)，r為用于檢驗的位數(shù)，故有：n=2r－1r=n－k
因此按位交叉存取最有利于作漢明碼檢驗。這種盤適于大數(shù)據(jù)的讀寫。但冗余信息開銷還是太大，阻止了這類盤的廣泛應用。
4、raid3(3級盤陣列)
raid3為單盤容錯并行傳輸陣列盤。它的特點是將檢驗盤減小為一個(raid2校驗盤為多個，daid1檢驗盤為1比1)，數(shù)據(jù)以位或字節(jié)的方式存于各盤(分散記錄在組內(nèi)相同扇區(qū)號的各個磁盤機上)。它的優(yōu)點是整個陣列的帶寬可以充分利用，使批量數(shù)據(jù)傳輸時間減小；其缺點是每次讀寫要牽動整個組，每次只能完成一次i/o。
5、raid4(4級盤陣列)
raid4是一種可獨立地對組內(nèi)各盤進行讀寫的陣列。其校驗盤也只有一個。
raid4和raid3的區(qū)別是：raid3是按位或按字節(jié)交叉存取，而raid4是按塊(扇區(qū))存取，可以單獨地對某個盤進行操作，它無需象raid3那樣，那怕每一次小i/o操作也要涉及全組，只需涉及組中兩臺磁盤機(一臺數(shù)據(jù)盤，一臺檢驗盤)即可。從而提高了小量數(shù)據(jù)的i/o速率。
6、raid5(5級盤陣列)
raid5是一種旋轉(zhuǎn)奇偶校驗獨立存取的陣列。它和raid1、2、3、4各盤陣列的不同點，是它沒有固定的校驗盤，而是按某種規(guī)則把其冗余的奇偶校驗信息均勻地分布在陣列所屬的所有磁盤上。于是在同一臺磁盤機上既有數(shù)據(jù)信息也有校驗信息。這一改變解決了爭用校驗盤的問題，因此daid5內(nèi)允許在同一組內(nèi)并發(fā)進行多個寫操作。所以raid5即適于大數(shù)據(jù)量的操作，也適于各種事務處理。它是一種快速，大容量和容錯分布合理的磁盤陣列。
7、raid6(6級盤陣列)
raid6是一種雙維奇偶校驗獨立存取的磁盤陣列。它的冗余的檢、糾錯信息均勻分布在所有磁盤上，而數(shù)據(jù)仍以大小可變的塊以交叉方式存于各盤。這類盤陣列可容許雙盤出錯。
8、raid7(7級盤陣列)
raid7是在raid6的基礎上，采用了cache技術，它使得傳輸率和響應速度都有較大的提高。cache是一種高速緩沖存儲器，即數(shù)據(jù)在寫入磁盤陣列以前，先寫入cache中。一般采用cache分塊大小和磁盤陣列中數(shù)據(jù)分塊大小相同，即一塊cache分塊對應一塊磁盤分塊。在寫入時將數(shù)據(jù)分別寫入兩個獨立的cache，這樣即使其中有一個cache出故障，數(shù)據(jù)也不會丟失。寫操作將直接在cache級響應，然后再轉(zhuǎn)到磁盤陣列。數(shù)據(jù)從cache寫到磁盤陣列時，同一磁道的數(shù)據(jù)將在一次操作中完成，避免了不少塊數(shù)據(jù)多次寫的問題，提高了速度。在讀出時，主機也是直接從cache中讀出，而不是從陣列盤上讀取，減少與磁盤讀操作次數(shù)，這樣比較充分地利用了磁盤帶寬。
這樣cache和磁盤陣列技術的結(jié)合，彌補了磁盤陣列的不足(如分塊寫請求響應差等缺陷)，從而使整個系統(tǒng)以高效、快速、大容量、高可靠以及靈活、方便的存儲系統(tǒng)提供給用戶，從而滿足了當前的技術發(fā)展的需要，尤其是多媒體系統(tǒng)的需要。
二、解析磁盤陣列的關鍵技術
存儲技術在計算機技術中受到廣泛關注，服務器存儲技術更是業(yè)界關心的熱點。一談到服務器存儲技術，人們幾乎立刻與scsi（small computer systems interface）技術聯(lián)系在一起。盡管廉價的ide硬盤在性能、容量等關鍵技術指標上已經(jīng)大大地提高，可以滿足甚至超過原有的服務器存儲設備的需求。但由于internet的普及與高速發(fā)展，網(wǎng)絡服務器的規(guī)模也變得越來越大。同時，internet不僅對網(wǎng)絡服務器本身，也對服務器存儲技術提出了苛刻要求。無止境的市場需求促使服務器存儲技術飛速發(fā)展。而磁盤陣列是服務器存儲技術中比較成熟的一種，也是在市場上比較多見的大容量外設之一。
在高端，傳統(tǒng)的存儲模式無論在規(guī)模上，還是安全上，或是性能上，都無法滿足特殊應用日益膨脹的存儲需求。諸如存儲局域網(wǎng)（san）等新的技術或應用方案不斷涌現(xiàn)，新的存儲體系結(jié)構和解決方案層出不窮，服務器存儲技術由直接連接存儲（das）向存儲網(wǎng)絡技術（nas）方面擴展。在中低端，隨著硬件技術的不斷發(fā)展，在強大市場需求的推動下，本地化的、基于直接連接的磁盤陣列存儲技術，在速度、性能、存儲能力等方面不斷地邁上新臺階。并且，為了滿足用戶對存儲數(shù)據(jù)的安全、存取速度和超大的存儲容量的需求，磁盤陣列存儲技術也從講求技術創(chuàng)新、重視系統(tǒng)優(yōu)化，以技術方案為主導的技術推動期逐漸進入了強調(diào)工業(yè)標準、著眼市場規(guī)模，以成熟產(chǎn)品為主導的產(chǎn)品普及期。
回顧磁盤陣列的發(fā)展歷程，一直和scsi技術的發(fā)展緊密關聯(lián)，一些廠商推出的專有技術，如ibm的ssa（serial storage architecture）技術等，由于兼容性和升級能力不盡如人意，在市場上的影響都遠不及scsi技術廣泛。由于scsi技術兼容性好，市場需求旺盛，使得scsi技術發(fā)展很快。從最原始5mb/s傳輸速度的scsi-1，一直發(fā)展到現(xiàn)在lvd接口的160mb/s傳輸速度的ultra 160 scsi，320mb/s傳輸速度的ultra 320 scsi接口也將在2001年出現(xiàn)（見表1）。從當前市場看，ultra 3 scsi技術和raid（redundant array of inexpensive disks）技術還應是磁盤陣列存儲的主流技術。
三、scsi技術
scsi本身是為小型機（區(qū)別于微機而言）定制的存儲接口，scsi協(xié)議的version 1 版本也僅規(guī)定了5mb/s傳輸速度的scsi-1的總線類型、接口定義、電纜規(guī)格等技術標準。隨著技術的發(fā)展，scsi協(xié)議的version 2版本作了較大修訂，遵循scsi-2協(xié)議的16位數(shù)據(jù)帶寬，高主頻的scsi存儲設備陸續(xù)出現(xiàn)并成為市場的主流產(chǎn)品，也使得scsi技術牢牢地占據(jù)了服務器的存儲市場。scsi-3協(xié)議則增加了能滿足特殊設備協(xié)議所需要的命令集，使得scsi協(xié)議既適應傳統(tǒng)的并行傳輸設備，又能適應最新出現(xiàn)的一些串行設備的通訊需要，如光纖通道協(xié)議（fcp）、串行存儲協(xié)議（ssp）、串行總線協(xié)議等。漸漸地，“小型機”的概念開始弱化，“高性能計算機”和“服務器”的概念在人們的心目中得到強化，scsi一度成為用戶從硬件上來區(qū)分“服務器”和pc機的一種標準。
通常情況下，用戶對scsi總線的關心放在硬件上，不同的scsi的工作模式意味著有不同的最大傳輸速度。如40mb/s的ultra scsi、160mb/s的ultra 3 scsi等等。但最大傳輸速度并不代表設備正常工作時所能達到的平均訪問速度，也不意味著不同scsi工作模式之間的訪問速度存在著必然的“倍數(shù)”關系。scsi控制器的實際訪問速度與scsi硬盤型號、技術參數(shù)，以及傳輸電纜長度、抗干擾能力等因素關系密切。提高scsi總線效率必須關注scsi設備端的配置和傳輸線纜的規(guī)范和質(zhì)量。可以看出，ultra 3模式下獲得的實際訪問速度還不到ultra wide模式下實際訪問速度的2倍。
一般說來，選用高速的scsi硬盤、適當增加scsi通道上連接硬盤數(shù)、優(yōu)化應用對磁盤數(shù)據(jù)的訪問方式等，可以大幅度提高scsi總線的實際傳輸速度。尤其需要說明的是，在同樣條件下，不同的磁盤訪問方式下獲得的scsi總線實際傳輸速度可以相差幾十倍，對應用的優(yōu)化是獲得高速存儲訪問時必須關注的重點，而這卻常常被一些用戶所忽視。按4kb數(shù)據(jù)塊隨機訪問6塊scsi硬盤時，scsi總線的實際訪問速度為2.74mb/s，scsi總線的工作效率僅為總線帶寬的1.7％；在完全不變的條件下，按256kb的數(shù)據(jù)塊對硬盤進行順序讀寫，scsi總線的實際訪問速度為141.2mb/s，scsi總線的工作效率高達總線帶寬的88％。
隨著傳輸速度的提高，信號傳輸過程中的信號衰減和干擾問題顯得越來越突出，終結(jié)器在一定程度上可以起到降低信號波反射，改善信號質(zhì)量的作用。同時，lvd（low-voltage differential）技術的應用也越來越多。lvd工作模式是和se（single-ended）模式相對應的，它可以很好地抵抗傳輸干擾，延長信號的傳輸距離。同時，ultra 2 scsi和ultra 3 scsi模式也通過采用專用的雙絞型scsi電纜來提高信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。
在磁盤陣列的概念中，大容量硬盤并不是指單個硬盤容量大，而是指將單個硬盤通過raid技術，按raid 級別組合成更大容量的硬盤。所以在磁盤陣列技術中，raid技術是比較關鍵的，同時，根據(jù)所選用的raid級別的不同，得到的“大硬盤”的功能也有不同。
raid是一項非常成熟的技術，但由于其價格比較昂貴，配置也不方便，缺少相對專業(yè)的技術人員，所以應用并不十分普及。據(jù)統(tǒng)計，全世界75％的服務器系統(tǒng)目前沒有配置raid。由于服務器存儲需求對數(shù)據(jù)安全性、擴展性等方面的要求越來越高，raid市場的開發(fā)潛力巨大。raid技術是一種工業(yè)標準，各廠商對raid級別的定義也不盡相同。目前對raid級別的定義可以獲得業(yè)界廣泛認同的只有4種，raid 0、raid 1、raid 0＋1和raid 5。
raid 0是無數(shù)據(jù)冗余的存儲空間條帶化，具有低成本、極高讀寫性能、高存儲空間利用率的raid級別，適用于video / audio信號存儲、臨時文件的轉(zhuǎn)儲等對速度要求極其嚴格的特殊應用。但由于沒有數(shù)據(jù)冗余，其安全性大大降低，構成陣列的任何一塊硬盤損壞都將帶來數(shù)據(jù)災難性的損失。所以，在raid 0中配置4塊以上的硬盤，對于一般應用來說是不明智的。
raid 1是兩塊硬盤數(shù)據(jù)完全鏡像，安全性好，技術簡單，管理方便，讀寫性能均好。但其無法擴展（單塊硬盤容量），數(shù)據(jù)空間浪費大，嚴格意義上說，不應稱之為“陣列”。
raid 0＋1綜合了raid 0和raid 1的特點，獨立磁盤配置成raid 0，兩套完整的raid 0互相鏡像。它的讀寫性能出色，安全性高，但構建陣列的成本投入大，數(shù)據(jù)空間利用率低，不能稱之為經(jīng)濟高效的方案。
raid 5是目前應用最廣泛的raid技術。各塊獨立硬盤進行條帶化分割，相同的條帶區(qū)進行奇偶校驗（異或運算），校驗數(shù)據(jù)平均分布在每塊硬盤上。以n塊硬盤構建的raid 5陣列可以有n－1塊硬盤的容量，存儲空間利用率非常高（見圖6）。任何一塊硬盤上數(shù)據(jù)丟失，均可以通過校驗數(shù)據(jù)推算出來。它和raid 3最大的區(qū)別在于校驗數(shù)據(jù)是否平均分布到各塊硬盤上。raid 5具有數(shù)據(jù)安全、讀寫速度快，空間利用率高等優(yōu)點，應用非常廣泛，但不足之處是1塊硬盤出現(xiàn)故障以后，整個系統(tǒng)的性能大大降低。
對于raid 1、raid 0＋1、raid 5陣列，配合熱插拔（也稱熱可替換）技術，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線恢復，即當raid陣列中的任何一塊硬盤損壞時，不需要用戶關機或停止應用服務，就可以更換故障硬盤，修復系統(tǒng)，恢復數(shù)據(jù)，對實現(xiàn)ha（high availability）高可用系統(tǒng)具有重要意義。
各廠商還在不斷推出各種raid級別和標準。例如更高安全性的，從raid控制器開始鏡像的raid；更快讀寫速度的，為構成raid的每塊硬盤配置cpu和cache的raid等等，但都不普及。用ide硬盤構建raid的技術是新出現(xiàn)的一個技術方向，對市場影響也較大，其突出優(yōu)點就是構建raid陣列非常廉價。目前ide raid可以支持raid 0、raid 1和raid 0＋1三個級別，最多支持4塊ide硬盤。由于受ide設備擴展性的限制，同時，也由于ide設備也缺乏熱可替換的技術支持的原因，ide raid的應用還不多。
總之，發(fā)展是永恒的主題，在服務器存儲技術領域也不例外。一方面，一些巨頭廠商嘗試推出新的概念或標準，來領導服務器及存儲技術的發(fā)展方向，較有代表性的如intel力推的ia-64架構及存儲概念；另一方面，致力于存儲的專業(yè)廠商以現(xiàn)有技術和工業(yè)標準為基礎，推動scsi、raid、fibre channel等基于現(xiàn)有存儲技術和方案快速更新和發(fā)展。在市場經(jīng)濟條件下，檢驗技術發(fā)展的唯一標準是市場的認同。市場呼喚好的技術，而新的技術必須起到推動市場向前發(fā)展作用時才能被廣泛接受和承認。隨著高性能計算機市場的發(fā)展，高性能比、高可靠性、高安全性的存儲新技術也會不斷涌現(xiàn)。
|
