1、RAID原理2007041219:02RAID原理磁盤陣列(DiskArray)原理磁盤陣列(DiskArray)原理1.為什么需要磁盤陣列如何增加磁盤的存取(access)速度如何防止數據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擔。磁盤陣列技術的產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存(memy)的存取速度亦大幅增加而數據儲存裝

2、置主要是磁盤(harddisk)的存取速度只增加了三、四倍形成電腦系統的瓶頸拉低了電腦系統的整體性能(throughput)若不能有效的提升磁盤的存取速度CPU、內存及磁盤間的不平衡將使CPU及內存的改進形成浪費。目前改進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據存在快取內存(cachememy)中以減少磁盤存取的次數數據的讀寫都在快取內存中進行大幅增加存取的速度如要讀

3、取的數據不在快取內存中或要寫數據到磁盤時才做磁盤的存取動作。這種方式在單工環(huán)境(singletaskingenvionment)如DOS之下對大量數據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(因為要不停的作數據交換(swapping)的動作)或數據庫(database)的存取(因為每一記錄都很小)就不能顯示其性能。這種方式沒有任何安全保障。其二是使用磁盤陣列的技術。磁盤陣列是把多個磁盤組成

4、一個陣列當作單一磁盤使用它將數據以分段(striping)的方式儲存在不同的磁盤中存取數據時陣列中的相關磁盤一起動作大幅減低數據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稱為RAIDlevel不同的level針對不同的系統及應用以解決數據安全的問題。一般高性能的磁盤陣列都是以硬件的形式來達成進一步的把磁盤快取控制及磁盤陣列結合在一個控制器(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的四大

5、要求:(1)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用使用的不同技術稱為RAIDlevelRAID是RedundentArrayofInexpensiveDisks的縮寫而每一level代表一種技術目前業(yè)界公認的標準是RAID0~RAID5。這個level并不代表技術的高低level5并不

6、高于level3level1也不低過level4至于要選擇那一種RAIDlevel的產品純視用戶的操作環(huán)境(operatingenvironment)及應用(application)而定與level的高低沒有必然的關系。RAID0及RAID1適用于PC及PC相關的系統如小型的網絡服務器(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RAID5多用于OLTP

7、因有金融機構及大型數據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RAID6RAID7乃至RAID10等都是廠商各做各的并無一致的標準在此不作說明。介紹各能。RAID1的磁盤是以磁盤延伸的方式形成陣列而數據是以數據分段的方式作儲存因而在讀取時它幾乎和RAID0有同樣的性能。從RAID的結構就可以很清楚的看出RAID1和一般磁盤鏡像的不同。下圖為RAID1每一筆數據都儲存兩份:從圖可以看出:R:N(可同時讀取所有磁盤)W

8、:N2(同時寫入磁盤數)S:N2(利用率)讀取數據時可用到所有的磁盤充分發(fā)揮數據分段的優(yōu)點寫入數據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擔況且RAID1有最好的容錯(faulttolerence)能力其效率也是除RAID0之外最好的。在磁盤陣列的技術上從RAID1到RAID5不停機的意思表示在工作時

9、如發(fā)生磁盤故障系統能持續(xù)工作而不停頓仍然可作磁盤的存取正常的讀寫數據而容錯則表示即使磁盤故障數據仍能保持完整可讓系統存取到正確的數據而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據。磁盤陣列之所以能做到容錯及不停機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是把數據分散為位(bit)或塊(block)加入海明碼HammingCode在磁盤陣列中作間隔寫入(interleavin

10、g)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據都在相同的磁道(cylindertrack)及扇區(qū)中。RAID2的設計是使用共軸同步(spindlesynchronize)的技術存取數據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)是特別的設計以大帶寬(bwide)并行傳輸所存取的數據所以有最好的傳輸時間(transfertime)。在大型檔案的存

11、取應用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)的數據量會使其性能大打折扣。RAID2是設計給需要連續(xù)且大量數據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、網絡服務器(wkserver)小型機或PC。RAID2的安全

12、采用內存陣列(memyarray)的技術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構而定例如八個數據磁盤的陣列可能需要三個額外的磁盤有三十二個數據磁盤的高檔陣列可能需要七個額外的磁盤。RAID3RAID3的數據儲存及存取方式都和RAID2一樣但在安全方面以奇偶校驗(paritycheck)取代海明碼做錯誤校正及