磁盤陣列系統(tǒng)RAID介紹

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)樵谶@幾年來，網(wǎng)絡(luò)以及服務(wù)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(fù)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?yàn)榇疟P陣列的優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn).源由1987年，有一群研究者在美國 University of California - Berke

2、ley 發(fā)表了一篇文章:A Case for Redundant Arrays of Inexpensiv e Disks",而EM是此一項(xiàng)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 ID. 同時并定義了五種 RAID代號-RAID leve l.文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)這篇文章的主要論題，是針對當(dāng)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?yàn)殚L期來看，這 種腳步的差距，會造成硬盤無法實(shí)時供應(yīng)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(jī).同時，在實(shí)際儲存資

3、料時，透過這項(xiàng)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(jī)上.在實(shí)際讀取資料時,也是同時自此多顆硬盤機(jī)讀出資料.由此可見，這項(xiàng)技術(shù)RAID,著實(shí)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(yīng)有資 料，經(jīng)計(jì)算后置回替代的新硬盤中，使回復(fù)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(qiáng)調(diào)"速度"及"成本"上的改善.這和今日的數(shù)組供

4、貨商 所多強(qiáng)調(diào)的"可靠性"Reliability及"資料可供應(yīng)性"Data Availability,似乎有些不同.當(dāng)然這也是因?yàn)闀r代背景的差異.不過,這也使得文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)各磁盤陣列供貨商，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.RAID的分類以下就幾項(xiàng)基本的名詞作一分項(xiàng)解釋.數(shù)組種類英文簡述硬盤容錯嗎？N顆硬盤可用容量RAID level 0Stripe / SpanNor NRAID level 1MirrorYesN+ 2RAID level 3Parallel with ParityYesN?D1RAID lev

5、el 4Parallel with ParityYesN?D1RAID level 5Striped with Rotating PaYesN?D1rity文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)RAID level 0+Mirror + StripeYesN+ 2HD 0 Host CommandsRAID 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(jī) 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?yàn)橘Y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

6、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)組硬盤數(shù)成正比.所以在讀寫強(qiáng)而集中的應(yīng)文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)用領(lǐng)域（如：影音播放系統(tǒng)），可藉RAID level 0得到較佳的輸出效率及品質(zhì)RAIb 1 Host CommandswritereadRAID level 1就是"磁盤鏡像"Disk Mirroring.它可將兩顆硬盤機(jī)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

7、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(shí)上，它是容錯型式的磁盤陣列中，效率最高的.不過其硬盤機(jī)文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)的容量利用率，則只有實(shí)際容量的一半.所以，RAID level 1 常應(yīng)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 DiskFiAIb 0" Host CommandswritereadRAID ControllerAhki:i;大，;再;二審;”RAID level 0+1A . ,這是一種Dual Level RAID,也有人稱之為 RAID level 10. 這可不是"十"，它

8、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 的文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)RAID 3,4 Host CommandsRAID level 3這種規(guī)劃方式，常用在繪圖，影像處理，等，對資料進(jìn)行大量讀 或?qū)懙膽?yīng)用領(lǐng)域.它由數(shù)組控制器內(nèi)建的XO遭輯，

9、根據(jù)切割之區(qū)段大 小，計(jì)算出同位檢核位或字節(jié).這項(xiàng)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(xiàng)資料中的同位檢核資料，統(tǒng)一存放在一特定的同位碟(ParityDisk)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文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)3.4 Host Commandswrite readRAID level 4跟上述的level 3 大部份相同.不過其支持的區(qū)段大小相當(dāng)多樣，是以block為單位計(jì)算的.它可以是單一 block為區(qū)段，也有以多個b lock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 RAI

10、Dlevel 3勢的是：允許"重疊讀取"Overlapped Read Operation.但是在作寫入時，因?yàn)樾柰瑫r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?yàn)槊抗P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，RAID level 4是較不適合的規(guī)劃文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)但是在如：計(jì)算機(jī)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Ram 5 Host CommandsRAID level 5通常亦為

11、"輪轉(zhuǎn)同位型數(shù)組"Rotating Parity Array. 它和RA ID level4 一樣的，在每次的寫入前，由數(shù)組控制器內(nèi)建的XO遭輯，根據(jù)切割之 區(qū)段大?。▎我换蚨鄠€block為單位），計(jì)算出同位檢核信息.每項(xiàng)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?yàn)檫@多個寫入動作時，同位信息是置在不同的數(shù)組硬盤中.文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)但是在讀取資料時,每項(xiàng)資料可能是直接來自各具該項(xiàng)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勺計(jì)算.在連續(xù)大型檔 案要求輸

12、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(yùn) 算XORt述的八個data 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：文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)?1 0 0 1 0 0 1?少了一個bit,原字母不見了K1 0 0 1 0 0 1 1Pk經(jīng)由數(shù)組控制器計(jì)算出ParityK1 0

13、 0 1 0 0 1? Pk即使少了一個 bit,仍可讀出原資料K1 0 0 1 0 0 11 Pk經(jīng)由XOR計(jì)算，又推敲并回復(fù)了原貌K1 0 0 1Pk'0 0 1 1Pk"同理,可以將一筆資料，以不同 的切割區(qū)塊大小，將資料分為 二，并各有一個Parity 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(dāng)一顆數(shù)組硬盤機(jī)故障時,其內(nèi)原有的Data Blocks 及不同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(dú)立CPU）勺XOR功能，將存在其它數(shù)組 硬

14、盤內(nèi)的Parity Blocks及不同的Data Stripe 中的Data Blocks加以計(jì)算，得出應(yīng)置回的原資料.毀損數(shù)據(jù)重構(gòu)：Data Rebuild, Data Reconstruction文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)然,若主系統(tǒng)在不關(guān)機(jī)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(jìn)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(bǔ)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(shè)定".以筆者所經(jīng)驗(yàn)過的重建9GBM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)

15、組控制器，恐怕所需時間，會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上述的數(shù)字，提高危險(xiǎn)系數(shù).因?yàn)樵谡５?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(shè)計(jì)：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(wù)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精神壓文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)力了.不過，如何縮短從在被通知后到抵達(dá)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

16、：Spare Disk如果在數(shù)組中，加上備援硬盤.當(dāng)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(shè)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?yàn)橐坏┳髁?"可使用"的標(biāo)記，備援設(shè)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"數(shù)組

17、組態(tài)群"作備援.總是比較省的方式.定時備份文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)"既然重要，為何不備份？"與其在災(zāi)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(yīng)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 Mirror的功能，即使在今 天，相信仍有許網(wǎng)絡(luò)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 RAID!以不到美金一千元的

18、低價(jià)，切入市場.然而究竟使用軟件的數(shù)組架構(gòu)，會占用到主系統(tǒng)的CPU及內(nèi)存資源，而導(dǎo)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.文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)2 .主機(jī)獨(dú)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(dú)立的直接存取 儲存體 DASD Direct Access Storage Device.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(jī)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(dǎo)廠商，也都各自有不同設(shè)計(jì)的"容錯式數(shù)組控制 器"，以避免因