磁盘阵列的关键技术

磁盘阵列的关键技术

黄设星

存储技术在计算机技术中受到广泛关注，服务器存储技术更是业界关心的热点。一谈到服务器存储技术，人们几乎立刻与SCSI（Small Computer Systems Interface）技术联系在一起。尽管廉价的IDE硬盘在性能、容量等关键技术指标上已经大大地提高，可以满足甚至超过原有的服务器存储设备的需求。但由于Internet的普及与高速发展，网络服务器的规模也变得越来越大。同时，Internet不仅对网络服务器本身，也对服务器存储技术提出了苛刻要求。无止境的市场需求促使服务器存储技术飞速发展。而磁盘阵列是服务器存储技术中比较成熟的一种，也是在市场上比较多见的大容量外设之一。

在高端，传统的存储模式无论在规模上，还是安全上，或是性能上，都无法满足特殊应用日益膨胀的存储需求。诸如存储局域网（SAN）等新的技术或应用方案不断涌现，新的存储体系结构和解决方案层出不穷，服务器存储技术由直接连接存储（DAS）向存储网络技术（NAS）方面扩展。在中低端，随着硬件技术的不断发展，在强大市场需求的推动下，本地化的、基于直接连接的磁盘阵列存储技术，在速度、性能、存储能力等方面不断地迈上新台阶。并且，为了满足用户对存储数据的安全、存取速度和超大的存储容量的需求，磁盘阵列存储技术也从讲求技术创新、重视系统优化，以技术方案为主导的技术推动期逐渐进入了强调工业标准、着眼市场规模，以成熟产品为主导的产品普及期。

磁盘阵列又叫RAID（Redundant Array of Inexpensive Disks——廉价磁盘冗余阵列），是指将多个类型、容量、接口，甚至品牌一致的专用硬磁盘或普通硬磁盘连成一个阵列，使其能以某种快速、准确和安全的方式来读写磁盘数据，从而达到提高数据读取速度和安全性的一种手段。因此，磁盘阵列读写方式的基本要求是，在尽可能提高磁盘数据读写速度的前提下，必须确保在一张或多张磁盘失效时，阵列能够有效地防止数据丢失。磁盘阵列的最大特点是数据存取速度特别快，其主要功能是可提高网络数据的可用性及存储容量，并将数据有选择性地分布在多个磁盘上，从而提高系统的数据吞吐率。另外，磁盘阵列还能够免除单块硬盘故障所带来的灾难后果，通过把多个较小容量的硬盘连在智能控制器上，可增加存储容量。磁盘阵列是一种高效、快速、易用的网络存储备份设备。

回顾磁盘阵列的发展历程，一直和SCSI技术的发展紧密关联，一些厂商推出的专有技术，如IBM的SSA（Serial Storage Architecture）技术等，由于兼容性和升级能力不尽如人意，在市场上的影响都远不及SCSI技术广泛。由于SCSI技术兼容性好，市场需求旺盛，使得SCSI技术发展很快。从最原始5MB/s传输速度的SCSI-1，一直发展到现在LVD接口的160MB/s传输速度的Ultra 160 SCSI，320MB/s传输速度的Ultra 320 SCSI接口也将在2001年出现（见表1）。从当前市场看，Ultra 3 SCSI技术和RAID（Redundant Array of Inexpensive Disks）技术还应是磁盘阵列存储的主流技术。

1SCSI技术

SCSI本身是为小型机（区别于微机而言）定制的存储接口，SCSI协议的Version 1 版本也仅规定了5MB/s传输速度的SCSI-1的总线类型、接口定义、电缆规格等技术标准。随着技术的发展，SCSI协议的Version 2版本作了较大修订，遵循SCSI-2协议的16位数据带宽，高主频的SCSI存储设备陆续出现并成为市场的主流产品，也使得SCSI技术牢牢地占

据了服务器的存储市场。SCSI-3协议则增加了能满足特殊设备协议所需要的命令集，使得SCSI协议既适应传统的并行传输设备，又能适应最新出现的一些串行设备的通讯需要，如光纤通道协议（FCP）、串行存储协议（SSP）、串行总线协议等。渐渐地，“小型机”的概念开始弱化，“高性能计算机”和“服务器”的概念在人们的心目中得到强化，SCSI一度成为用户从硬件上来区分“服务器”和PC机的一种标准。

通常情况下，用户对SCSI总线的关心放在硬件上，不同的SCSI的工作模式意味着有不同的最大传输速度。如40MB/s的Ultra SCSI、160MB/s的Ultra 3 SCSI等等。但最大传输速度并不代表设备正常工作时所能达到的平均访问速度，也不意味着不同SCSI工作模式之间的访问速度存在着必然的“倍数”关系。SCSI控制器的实际访问速度与SCSI硬盘型号、技术参数，以及传输电缆长度、抗干扰能力等因素关系密切。提高SCSI总线效率必须关注SCSI设备端的配置和传输线缆的规范和质量。图1和图2为分别为比较典型的Ultra Wide SCSI（40MB/s）和Ultra 3 LVD SCSI（160MB/s）的实际访问速度（Winbench 99测试）。可以看出，Ultra 3模式下获得的实际访问速度还不到Ultra Wide模式下实际访问速度的2倍。图1 Ultra Wide SCSI 的硬盘访问速度图2 Ultra3 LVD SCSI 的硬盘访问速度

一般说来，选用高速的SCSI硬盘、适当增加SCSI通道上连接硬盘数、优化应用对磁盘数据的访问方式等，可以大幅度提高SCSI总线的实际传输速度。尤其需要说明的是，在同样条件下，不同的磁盘访问方式下获得的SCSI总线实际传输速度可以相差几十倍，对应用的优化是获得高速存储访问时必须关注的重点，而这却常常被一些用户所忽视。在图３中，按4KB数据块随机访问6块SCSI硬盘时，SCSI总线的实际访问速度为2.74MB/s，SCSI 总线的工作效率仅为总线带宽的1.7％；而图４则在完全不变的条件下，按256KB的数据块对硬盘进行顺序读写，SCSI总线的实际访问速度为141.2MB/s，SCSI总线的工作效率高达总线带宽的88％。

图3 随机访问小文件时SCSI传输速度图4 顺序访问大文件时SCSI的传输速度

随着传输速度的提高，信号传输过程中的信号衰减和干扰问题显得越来越突出，终结器在一定程度上可以起到降低信号波反射，改善信号质量的作用。同时，LVD（Low-V oltage Differential）技术的应用也越来越多。LVD工作模式是和SE（Single-Ended）模式相对应的，它可以很好地抵抗传输干扰，延长信号的传输距离。同时，Ultra 2 SCSI和Ultra 3 SCSI模式也通过采用专用的双绞型SCSI电缆来提高信号传输的质量。LVD工作模式和SE工作模式的对比如图５所示。

图5 SE模式和LVD模式传输影响对比