磁盘阵列技术原理分析

磁盘阵列技术原理分析

认识磁盘阵列技术

由磁盘阵列角度来看

磁盘阵列的规格最重要就在速度，也就是CPU的种类。我们知道SCSI的演变是由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，也就是所谓的 Fibre Channel (FC-AL, Fibre Channel - Arbitration Loop, 100 –200MB/s), SSA (Serial Storage Architecture, 80 –160 MB/s), 在过去使用 Ultra Wide SCSI, 40MB/s 的磁盘阵列时，对CPU的要求不须太快，因为SCSI 本身也不是很快，但是当SCSI演变到Ultra 2, 80MB/s时，对CPU的要求就非常关键。一般的CPU, (如 586)就必须改为高速的RISC CPU, (如 Intel RISC CPU, i960RD 32bits, i960RN 64 bits)，不但是RISC CPU, 甚至于还分 32bits, 64 bits RISC CPU 的差异。586 与 RISC CPU 的差异可想而知 ! 这是由磁盘阵列的观点出发来看的。

由服务器的角度来看

服务器的结构已由传统的 I/O 结构改为 I2O ( Intelligent I/O, 简称 I2O ) 的结构，其目的就是为了减少服务器CPU的负担，才会将系统的 I/O 与服务器CPU负载分开。Intel 因此提出 I2O 的架构，I2O 也是由一颗 RISC CPU ( i960RD 或I960RN ) 来负责 I/O 的工作。试想想若服务器内都已是由 RISC i960 CPU 来负责 I/O，结果磁盘阵列上却仍是用 586 CPU，速度会快吗 ?

由操作系统的角度来看

∙ 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 ……..其他操作系统

在操作系统都已由 32 bits 转到 64 bits，磁盘阵列上的CPU 必须是 Intel i960 RISC CPU才能满足速度的要求。586 CPU 是无法满足的 !

磁盘阵列的功能

使用磁盘阵列的好处，在于数据的安全、存取的速度及超大的存储容量。如何确保数据的安全，则取决于磁盘阵列的设计与品质。其中几个功能是必须考虑的：是否有环境监控器针对温度、电压、电源、散热风扇、硬盘状态等进行监控。磁盘阵列内的硬盘连接方式是用SCA-II 整体后背板还是只是用SCSI线连的？在SCA-II整体后背板上是否有隔绝芯片以防硬盘在热插拔时所产生的高/低电压，使系统电压回流，造成系统的不稳定，产生数据丢失的情形。我们一定要重视这个问题，因为在磁盘阵列内很多硬盘都是共用这同一SCSI总线！一个硬

盘热插拔，可不能影响其它的硬盘！什么是热插拔或带电插拔？硬盘有分热插拔硬盘，80针的硬盘是热插拔硬盘，68针的不是热插拔硬盘，有没有热插拔，在电路上的设计差异就在于有没有保护线路的设计，同样的硬盘拖架也是一样有分真的热插拔及假的热插拔的区别。

磁盘阵列内的硬盘是否有顺序的要求？也就是说硬盘可否不按次序地插回阵列中，数据仍能正常的存取？很多人认为不是很重要，不太会发生，但是可能会发生的，我们就要防止它发生。假如您用六个硬盘做阵列，在最出初始化时，此六个硬盘是有顺序放置在磁盘阵列内，分为第一、第二…到第六个硬盘，是有顺序的，如果您买的磁盘阵列是有顺序的要求，则您要注意了：有一天您将硬盘取出，做清洁时一定要以原来的摆放顺序插回磁盘阵列中，否则您的数据可能因硬盘顺序与原来的不苻，磁盘阵列上的控制器不认而数据丢失！因为您的硬盘的SCSI ID号乱掉所致。现在的磁盘阵列产品都已有这种不要求硬盘有顺序的功能，为了防止上述的事件发生，都是不要求硬盘有顺序的。

我们为什幺需要磁盘阵列

目前人们逐渐认识了磁盘阵列技术。磁盘阵列技术可以详细地划分为若干个级别0-5 RAID 技术，并且又发展了所谓的 RAID Level 10, 30, 50的新的级别，本章节都会一一介绍。RAID是廉价冗余磁盘阵列（Redundant Array of Inexpensive Disk）的简称。用RAID的好处简单的说就是：安全性高，速度快，数据容量超大

某些级别的RAID技术可以把速度提高到单个硬盘驱动器的400%。磁盘阵列把多个硬盘驱动器连接在一起协同工作，大大提高了速度，同时把硬盘系统的可靠性提高到接近无错的境界。这些“容错”系统速度极快，同时可靠性极高。

本节将讨论这些新技术，以及不同级别RAID的优缺点。我们并不想涉及那些关键性的技术细节问题，而是将磁盘阵列和RAID技术介绍给对它们尚不熟悉的人们。相信这将帮助你选用合适的RAID技术。

RAID级别的定义

下表提供了6级RAID的简单定义，本书其后部分将对各级RAID进行更详尽的描述。

*对于单一容量昂贵硬盘(SLED)的性能提高

硬盘数据跨盘（Spanning）

数据跨盘技术使多个硬盘像一个硬盘那样工作，这使用户通过组合已有的资源或增加一些资源来廉价地突破现有的硬盘空间限制。

图2所示为4个300兆字节的硬盘驱动器连结在一起，构成一个SCSI系统。用户只看到一个有1200兆字节的C盘，而不是看到C, D, E, F, 4个300兆字节的硬盘。在这样的环境中，系统管理员不必担心某个硬盘上会发生硬盘安全检空间不够的情况。因为现在1200兆字节的容量全在一个卷（Volume）上（例如硬盘C上）。系统管理员可以安全地建立所需要的任何层次的文件系统，而不需要在多个单独硬盘环境的限制下，计划他的文件系统。

硬盘数据跨盘本身并不是RAID，它不能改善硬盘的可靠性和速度。但是它有这样的好处，即多个小型廉价硬盘可以根据需要增加到硬盘子系统上。

图2硬盘数据跨盘

磁盘阵列分类

硬盘分段（Disk Striping, RAID 0）

硬盘分段的方法把数据写到多个硬盘，而不是只写到一个盘上，这也叫作RAID O，在磁盘阵列子系统中，数据按系统规定的“段”（Segment）为单位依次写入多个硬盘，例如数据段1写入硬盘0，段2写入硬盘1，段3写入硬盘2等等。当数据写完最后一个硬盘时，它就重新从盘0的下一可用段开始写入，写数据的全过程按此重复直至数据写完。

段由块组成，而块又由字节组成。因此，当段的大小为4个块，而块又由256个字节组成时，依字节大小计算，段的大小等于1024个字节。第1～1024字节写入盘0，第1025～2048字节写盘1等。假如我们的硬盘子系统有5个硬盘，我们要写20,000个字节，则数据将如图3那样存储。