磁盤(pán)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(pán)陣列"，或說(shuō)是"硬盤(pán)數(shù)組",或是"磁盤(pán)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(lái)，網(wǎng)絡(luò)以及服務(wù)器之成長(zhǎng)迅速，相隨的對(duì)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(duì)于硬盤(pán)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(shí)最好 的方案，則非磁盤(pán)陣列莫屬.因?yàn)榇疟P(pán)陣列的優(yōu)點(diǎn)：具有單一大容量的好 處,提供了硬盤(pán)容錯(cuò)功能，易于管理的優(yōu)點(diǎn).源由1987年，有一群研究者在美國(guó) 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(gè) 新的"頭字語(yǔ)"-R A ID. 同時(shí)并定義了五種 RAID代號(hào)-RAID leve l.文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)這篇文章的主要論題，是針對(duì)當(dāng)時(shí)的硬盤(pán)科技，在容量及速度上，無(wú) 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(zhǎng)期來(lái)看，這 種腳步的差距，會(huì)造成硬盤(pán)無(wú)法實(shí)時(shí)供應(yīng)對(duì)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(pán)，以RAID技術(shù)，規(guī) 劃為一座大的硬盤(pán)機(jī).同時(shí)，在實(shí)際儲(chǔ)存資

3、料時(shí)，透過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，將資料 切割成多區(qū)段并分別同時(shí)存放于各個(gè)硬盤(pán)機(jī)上.在實(shí)際讀取資料時(shí),也是同時(shí)自此多顆硬盤(pán)機(jī)讀出資料.由此可見(jiàn)，這項(xiàng)技術(shù)RAID,著實(shí)提高 了大型硬盤(pán)的效率.值得一提，它的觀念，也提供了一套思考及開(kāi)發(fā)的方向：資料容錯(cuò). 藉由"同位檢核"Parity的概念及方法，能在該群數(shù)組硬盤(pán)中任一顆硬盤(pán)故障時(shí)，仍能讀出資料，并可于數(shù)據(jù)重構(gòu)時(shí)，將原故障硬盤(pán)內(nèi)之應(yīng)有資 料，經(jīng)計(jì)算后置回替代的新硬盤(pán)中，使回復(fù)成原貌.這篇文章也指出了許多在各不同代號(hào)型式的RAID,其開(kāi)發(fā)上的問(wèn)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(shí)代背景的差異.不過(guò),這也使得文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)各磁盤(pán)陣列供貨商，各自有較大的發(fā)揮空間，針對(duì)容錯(cuò)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(jiǎn)述硬盤(pán)容錯(cuò)嗎？N顆硬盤(pán)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(gè)代號(hào)是被定義為非容錯(cuò)的硬盤(pán)群組.而組構(gòu)的多顆硬盤(pán)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(pán).它沒(méi)有同位檢核 的位，所以無(wú)法救回因其中任一硬盤(pán)故障而毀損的整個(gè)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(gè)區(qū)段方式，在同 一時(shí)間，將之分別存放在該群所有數(shù)組硬盤(pán)里.在讀取資料時(shí),亦可在同

6、一時(shí)間，由該群所有數(shù)組硬盤(pán)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(pán)數(shù)成正比.所以在讀寫(xiě)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(pán)鏡像"Disk Mirroring.它可將兩顆硬盤(pán)機(jī)為一組，在有資料欲寫(xiě)入時(shí)，在同一時(shí)間將之存放在本組的兩顆硬盤(pán)中，所以在 同"鏡像對(duì)"Mirrored Pair中的兩硬盤(pán)，其內(nèi)部資料是完全一樣的.而在讀取資料時(shí)，則可自兩顆硬盤(pán)同時(shí)讀出，即使是來(lái)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(pán)陣列，不但不會(huì)降低寫(xiě)入的速度，更能提高讀取的 效率.事實(shí)上，它是容錯(cuò)型式的磁盤(pán)陣列中，效率最高的.不過(guò)其硬盤(pán)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(pán)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(pán)，互相為"鏡像".在每次寫(xiě)入數(shù)據(jù)，磁盤(pán)陣列控 制器會(huì)將資料同時(shí)寫(xiě)入該兩組"大容量數(shù)組硬盤(pán)組"內(nèi).同RAID level 1 一樣，雖然其硬盤(pán)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(duì)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(cuò)效果.而這個(gè) 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(wú)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(guò)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(gè)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(gè)較 RAI

10、Dlevel 3勢(shì)的是：允許"重疊讀取"Overlapped Read Operation.但是在作寫(xiě)入時(shí)，因?yàn)樾柰瑫r(shí)更新"同位碟"的信息，所以不具有"重 疊寫(xiě)入"的能力.換言之，在同時(shí)間中多筆資料要求寫(xiě)入時(shí),因?yàn)槊抗P資 料之同位信息需寫(xiě)在同一顆“同位碟"中，所以并不會(huì)有任何速度的優(yōu)勢(shì).所以在一般使用多人數(shù)據(jù)庫(kù)，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(dòng)畫(huà)處理，數(shù)字圖書(shū)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(xiě)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€(gè)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(pán) 內(nèi)，沒(méi)有特定同位碟.相較于上述RAIDlevel 4,這個(gè)型式可允許多個(gè)寫(xiě)入，因?yàn)檫@多個(gè)寫(xiě)入動(dòng)作時(shí)，同位信息是置在不同的數(shù)組硬盤(pán)中.文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)但是在讀取資料時(shí),每項(xiàng)資料可能是直接來(lái)自各具該項(xiàng)資料的硬盤(pán) 中，但也可能是會(huì)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(shí)，它顯然稍有不利Parity容錯(cuò)基本原理以上介紹了常見(jiàn)的數(shù)組代號(hào)型式，相信許多讀者仍不了解這個(gè)“同 位檢核信息"Parity 如何提供容錯(cuò)能力？而已毀損的硬盤(pán)中之原資料， 又如何在新的替代硬盤(pán)中，作原資料的重建Rebuild ?每個(gè)Byte是由8個(gè)bit所構(gòu)成的，如果在這八個(gè)bit后,經(jīng)由運(yùn) 算XORt述的八個(gè)data bit,再加一個(gè)同位檢核位 Parity bit, 則這組 九個(gè)bits所構(gòu)成的Byte,就具備了容錯(cuò)能力了，見(jiàn)下例：文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)?1 0 0 1 0 0 1?少了一個(gè)bit,原字母不見(jiàn)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(gè) 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(gè)Parity bit上面的例子，是以一個(gè)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(pán)機(jī)故障時(shí),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(pán)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(gòu)磁盤(pán)陣列的 主要目的）在作數(shù)據(jù)重構(gòu)的時(shí)候，主系統(tǒng)的資料進(jìn)出效率會(huì)受到影響.在 整臺(tái)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(guò)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(guò)的重建9GBM盤(pán)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(shí)，它可能需時(shí)三小時(shí).不過(guò)如果是采用較低階 的數(shù)

15、組控制器，恐怕所需時(shí)間，會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(pán)陣列容許同一數(shù) 組組態(tài)群內(nèi)，僅一顆硬盤(pán)故障.而系統(tǒng)管理者，必須在盡量短的時(shí)間內(nèi) （第二顆硬盤(pán)故障前），立即得到通知：一顆數(shù)組硬盤(pán)已經(jīng)故障了 .而這個(gè)通知方式及過(guò)程， 影響前來(lái)處理的時(shí)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(shuō)再見(jiàn)的精神壓文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)力了.不過(guò)，如何縮短從在被通知后到抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，并開(kāi)始作數(shù)據(jù)重構(gòu)的這段時(shí)間及壓力，則難以絕對(duì)掌握.有解嗎？備援硬盤(pán)

16、：Spare Disk如果在數(shù)組中，加上備援硬盤(pán).當(dāng)任一數(shù)組硬盤(pán)故障時(shí),該備援硬盤(pán) 可以自動(dòng)上線，將故障硬盤(pán)立即取代，并開(kāi)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(shí)間，也可減少因急迫性 所造成的壓力.不過(guò),這顆備援硬盤(pán)，平時(shí)是無(wú)法拿來(lái)作存放空間的.因?yàn)橐坏┳髁?"可使用"的標(biāo)記，備援設(shè)定會(huì)自動(dòng)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(pán)：Global Spare Disk。就是備援硬盤(pán)，但是可以對(duì)同一磁盤(pán)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(shí)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(shí),束手無(wú)策，自怨自艾, 何不在規(guī)定時(shí)間作好重要資料的備份，以防萬(wàn)一 ？即使使用了磁盤(pán)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(guò)這在資料量較大的環(huán)境 中，其50%的硬盤(pán)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(chǎng).然而究竟使用軟件的數(shù)組架構(gòu)，會(huì)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(duì)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(duì)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(gè)獨(dú)立的直接存取 儲(chǔ)存體 DASD Direct Access Storage Device.而這個(gè)大的儲(chǔ)存體內(nèi)，可以有不只一個(gè)的邏輯磁盤(pán)LUN Logical Unit Number.數(shù)組控制器，對(duì)下管理多顆數(shù)組硬盤(pán)機(jī)們.而主系統(tǒng)是不會(huì)看到或直接管理該硬盤(pán) 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(cuò)式數(shù)組控制 器"，以避免因