磁盤陣列(disk array)原理

1、磁盤陣列磁盤陣列(DiskArray)原理原理1、為什么需要磁盤陣列如何增加磁盤的存?。╝ccess）速度，如何防止數(shù)據(jù)因磁盤的故障而失落及如何有效的利用磁盤空間，一直是電腦專業(yè)人員和用戶的困擾；而大容量磁盤的價格非常昂貴，對用戶形成很大的負(fù)擔(dān)。磁盤陣列技術(shù)的產(chǎn)生一舉解決了這些問題。過去十幾年來，CPU的處理速度增加了五十倍有多，內(nèi)存(memy)的存取速度亦大幅增加，而數(shù)據(jù)儲存裝置主要是磁盤（harddisk）的存取速度只增加了三、四倍

2、，形成電腦系統(tǒng)的瓶頸，拉低了電腦系統(tǒng)的整體性能（throughput），若不能有效的提升磁盤的存取速度，CPU、內(nèi)存及磁盤間的不平衡將使CPU及內(nèi)存的改進(jìn)形成浪費。目前改進(jìn)磁盤存取速度的的方式主要有兩種。一是磁盤快取控制（diskcachecontroller），它將從磁盤讀取的數(shù)據(jù)存在快取內(nèi)存（cachememy）中以減少磁盤存取的次數(shù)，數(shù)據(jù)的讀寫都在快取內(nèi)存中進(jìn)行，大幅增加存取的速度，如要讀取的數(shù)據(jù)不在快取內(nèi)存中，或要寫數(shù)據(jù)到磁盤時

3、，才做磁盤的存取動作。這種方式在單工環(huán)境（singletaskingenvionment）如DOS之下，對大量數(shù)據(jù)的存取有很好的性能（量小且頻繁的存取則不然），但在多工（multitasking）環(huán)境之下（因為要不停的作數(shù)據(jù)交換（swapping）的動作）或數(shù)據(jù)庫（database）的存取（因為每一記錄都很?。┚筒荒茱@示其性能。這種方式?jīng)]有任何安全保障。其二是使用磁盤陣列的技術(shù)。磁盤陣列是把多個磁盤組成一個陣列，當(dāng)作單一磁盤使用，它將數(shù)

4、據(jù)以分段（striping）的方式儲存在不同的磁盤中，存取數(shù)據(jù)時，陣列中的相關(guān)磁盤一起動作，大幅減低數(shù)據(jù)的存取時間，同時有更佳的空間利用率。磁盤陣列所利用的不同的技術(shù)，稱為RAIDlevel，不同的level針對不同的系統(tǒng)及應(yīng)用，以解決數(shù)據(jù)安全的問題。一般高性能的磁盤陣列都是以硬件的形式來達(dá)成，進(jìn)一步的把磁盤快取控制及磁盤陣列結(jié)合在一個控制器(RAIDcontroler或控制卡上，針對不同的用戶解決人們對磁盤輸出入系統(tǒng)的四大要求：(1)

5、增加存取速度；(2)容錯(faulttolerance)，即安全性；(3)有效的利用磁盤空間；(4)盡量的平衡CPU，內(nèi)存及磁盤的性能差異，提高電腦的整體工作性能。2.磁盤陣列原理磁盤陣列中針對不同的應(yīng)用使用的不同技術(shù)，稱為RAIDlevel，RAID是RedundentArrayofInexpensiveDisks的縮寫，而每一level代表一種技術(shù)，目前業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)是RAID0~RAID5。這個level并不代表技術(shù)的高低，lev

6、el5并不高于level3，level1也不低過level4，至于要選擇那一種RAIDlevel的產(chǎn)品，純視用戶的操作環(huán)境（operatingenvironment）及應(yīng)用（application）而定，與level的高低沒有必然的關(guān)系。RAID0及RAID1適用于PC及PC相關(guān)的系統(tǒng)如小型的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（wkserver）及需要高磁盤容量與快速磁盤存取的工作站等，比較便宜；RAID3及RAID4適用于大型電腦及影像、CADCAM等處理；

7、RAID5多用于OLTP（在線事務(wù)處理），因有金融機(jī)構(gòu)及大型數(shù)據(jù)處理中心的迫切需要故使用較多而較有名氣，RAID2較少使用，其他如RAID6、RAID7乃至RAID10等，都是廠商各做各的，并無一致的標(biāo)準(zhǔn)，在此不作說明。介紹各個RAIDlevel之前，先看看形成磁盤陣列的兩個基本技術(shù)：磁盤延伸（DiskSpanning）：下圖為RAID1每一筆數(shù)據(jù)都儲存兩份：從圖可以看出：R：N（可同時讀取所有磁盤）W：N2（同時寫入磁盤數(shù)）S：N2（

8、利用率）讀取數(shù)據(jù)時可用到所有的磁盤，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)分段的優(yōu)點；寫入數(shù)據(jù)時，因為有備份，所以要寫入兩個磁盤，其效率是N2，磁盤空間的使用率也只有全部磁盤的一半。很多人以為RAID1要加一個額外的磁盤，形成浪費而不看好RAID1，事實上磁盤越來越便宜，并不見得造成負(fù)擔(dān)，況且RAID1有最好的容錯（faulttolerence）能力，其效率也是除RAID0之外最好的。在磁盤陣列的技術(shù)上，從RAID1到RAID5，不停機(jī)的意思表示在工作時如發(fā)生磁

9、盤故障，系統(tǒng)能持續(xù)工作而不停頓，仍然可作磁盤的存取，正常的讀寫數(shù)據(jù)；而容錯則表示即使磁盤故障，數(shù)據(jù)仍能保持完整，可讓系統(tǒng)存取到正確的數(shù)據(jù)，而SCSI的磁盤陣列更可在工作中抽換磁盤，并可自動重建故障磁盤的數(shù)據(jù)。磁盤陣列之所以能做到容錯及不停機(jī)，是因為它有冗余的磁盤空間可資利用，這也就是Redundant的意義。RAID2RAID2是把數(shù)據(jù)分散為位（bit）或塊（block），加入海明碼HammingCode，在磁盤陣列中作間隔寫入（int

10、erleaving）到每個磁盤中，而且地址（address）都一樣，也就是在各個磁盤中，其數(shù)據(jù)都在相同的磁道（cylindertrack）及扇區(qū)中。RAID2的設(shè)計是使用共軸同步（spindlesynchronize）的技術(shù)，存取數(shù)據(jù)時，整個磁盤陣列一起動作，在各作磁盤的相同位置作平行存取，所以有最好的存取時間（accesstime），其總線（bus）是特別的設(shè)計，以大帶寬（bwide）并行傳輸所存取的數(shù)據(jù)，所以有最好的傳輸時間（tra

11、nsfertime）。在大型檔案的存取應(yīng)用，RAID2有最好的性能，但如果檔案太小，會將其性能拉下來，因為磁盤的存取是以扇區(qū)為單位，而RAID2的存取是所有磁盤平行動作，而且是作單位元的存取，故小于一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)量會使其性能大打折扣。RAID2是設(shè)計給需要連續(xù)且大量數(shù)據(jù)的電腦使用的，如大型電腦（mainframetosupercomputer）、作影像處理或CADCAM的工作站（wkstation）等，并不適用于一般的多用戶環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)服

12、務(wù)器（wkserver），小型機(jī)或PC。RAID2的安全采用內(nèi)存陣列（memyarray）的技術(shù)，使用多個額外的磁盤作單位錯誤校正（singlebitcrection）及雙位錯誤檢測（doublebitdetection）；至于需要多少個額外的磁盤，則視其所采用的方法及結(jié)構(gòu)而定，例如八個數(shù)據(jù)磁盤的陣列可能需要三個額外的磁盤，有三十二個數(shù)據(jù)磁盤的高檔陣列可能需要七個額外的磁盤。RAID3RAID3的數(shù)據(jù)儲存及存取方式都和RAID2一樣，但

13、在安全方面以奇偶校驗（paritycheck）取代海明碼做錯誤校正及檢測，所以只需要一個額外的校檢磁盤（paritydisk）。奇偶校驗值的計算是以各個磁盤的相對應(yīng)位作X的邏輯運算，然后將結(jié)果寫入奇偶校驗磁盤，任何數(shù)據(jù)的修改都要做奇偶校驗計算，如某一磁盤故障，換上新的磁盤后，整個磁盤陣列（包括奇偶校驗磁盤）需重新計算一次，將故障磁盤的數(shù)據(jù)恢復(fù)并寫入新磁盤中；如奇偶校驗磁盤故障，則重新計算奇偶校驗值，以達(dá)容錯的要求。較之RAID1及RAI