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磁盘阵列 (Disk Array) 原理分析

原创 Linux操作系统 作者:yuanqingyu0123 时间:2009-04-05 20:25:58 0 删除 编辑

磁盘阵列(Disk Array)原理

磁盘阵列(Disk Array)原理简介

 

 

磁盘阵列(Disk Array)原理 

 

1.为什么需要磁盘阵列? 

 

    如何增加磁盘的存取(access)速度,如何防止数据因磁盘的故障而失落及如何有效的利用磁盘空间,一直是电脑专业人员和用户的困扰;而大容量磁盘的价格非常昂贵,对用户形成很大的负担。磁盘阵列技术的产生一举解决了这些问题。 

 

    过去十几年来,CPU的处理速度增加了五十倍有多,内存(memory)的存取速度亦大幅增加,而数据储存装置--主要是磁盘(hard disk)--的存取速度只增加了三、四倍,形成电脑系统的瓶颈,拉低了电脑系统的整体性能(through put),若不能有效的提升磁盘的存取速度,CPU、内存及磁盘间的不平衡将使CPU及内存的改进形成浪费。 

 

    目前改进磁盘存取速度的的方式主要有两种。一是磁盘快取控制(disk cache   controller),它将从磁盘读取的数据存在快取内存(cache memory)中以减少磁盘存取的次数,数据的读写都在快取内存中进行,大幅增加存取的速度,如要读取的数据不在快取内存中,或要写数据到磁盘时,才做磁盘的存取动作。这种方式在单工环境(single-tasking envioronment)DOS之下,对大量数据的存取有很好的性能(量小且频繁的存取则不然),但在多工(multi-tasking)环境之下(因为要不停的作数据交换(swapping)的动作)或数据库(database)的存取(因为每一记录都很小)就不能显示其性能。这种方式没有任何安全保障。 

 

    其二是使用磁盘阵列的技术。磁盘阵列是把多个磁盘组成一个阵列,当作单一磁盘使用,它将数据以分段(striping)的方式储存在不同的磁盘中,存取数据时,阵列中的相关磁盘一起动作,大幅减低数据的存取时间,同时有更佳的空间利用率。磁盘阵列所利用的不同的技术,称为RAID level,不同的level针对不同的系统及应用,以解决数据安全的问题。 

 

    一般高性能的磁盘阵列都是以硬件的形式来达成,进一步的把磁盘快取控制及磁盘阵列结合在一个控制器(RAID controler或控制卡上,针对不同的用户解决人们对磁盘输出入系统的四大要求: 

    (1)增加存取速度, 

    (2)容错(fault tolerance),即安全性 

    (3)有效的利用磁盘空间; 

    (4)尽量的平衡CPU,内存及磁盘的性能差异,提高电脑的整体工作性能。 

 

2.磁盘阵列原理

 

    磁盘阵列中针对不同的应用使用的不同技术,称为RAID level,RAID       Redundent   Array of Inexpensive Disks的缩写,而每一level代表一种技术,目前业界公认的标准是RAID 0~RAID 5。这个level并不代表技术的高低,level 5并不高于level 3,level 1也不低过level 4,至于要选择那一种RAID level的产品,纯视用户的操作环境(operating environment)及应用(application)而定,level的高低没有必然的关系。RAID 0RAID 1适用于PCPC相关的系统如小型的网络服务器(network server)及需要高磁盘容量与快速磁盘存取的工作站等,比较便宜;RAID 3RAID 4适用于大型电脑及影像、CAD/CAM等处理;RAID 5多用于OLTP,因有金融机构及大型数据处理中心的迫切需要,故使用较多而较有名气, RAID 2较少使用,其他如RAID 6,RAID 7,乃至RAID10,都是厂商各做各的,并无一致的标准,在此不作说明。介绍各个RAID level之前,先看看形成磁盘阵列的两个基本技术: 

 

磁盘延伸(Disk Spanning):

 

译为磁盘延伸,能确切的表示disk spanning这种技术的含义。如图磁盘阵列控制器,联接了四个磁盘,这四个磁盘形成一个阵列(array),而磁盘阵列的控制器(RAID controller)是将此四个磁盘视为单一的磁盘,DOS环境下的C:盘。这是disk spanning的意义,因为把小容量的磁盘延伸为大容量的单一磁盘,用户不必规划数据在各磁盘的分布,而且提高了磁盘空间的使用率。并使磁盘容量几乎可作无限的延伸;而各个磁盘一起作取存的动作,比单一磁盘更为快捷。很明显的,有此阵列的形成而产生 

RAID的各种技术。 

 

 

磁盘或数据分段(Disk Striping or Data Striping): 

 

因为磁盘阵列是将同一阵列的多个磁盘视为单一的虚拟磁盘(virtual disk),所以其数 

据是以分段(block or segment)的方式顺序存放在磁盘阵列中,数据按需要分段,从第一 

个磁盘开始放,放到最後一个磁盘再回到第一个磁盘放起,直到数据分布完毕。至于分段 

的大小视系统而定,有的系统或以1KB最有效率,或以4KB,或以6KB,甚至是4MB8MB 

,但除非数据小于一个扇区(sector,521bytes),否则其分段应是512byte的倍数。 

因为磁盘的读写是以一个扇区为单位,若数据小于512bytes,系统读取该扇区后,还要 

做组合或分组(视读或写而定)的动作,浪费时间。从上图我们可以看出,数据以分段于在 

不同的磁盘,整个阵列的各个磁盘可同时作读写,故数据分段使数据的存取有最好的效 

,理论上本来读一个包含四个分段的数据所需要的时间约=(磁盘的access time+数据 

tranfer time)X4,现在只要一次就可以完成。 

 

若以N表示磁盘的数目,R表示读取,W表示写入,S表示可使用空间,则数据分段的性能 

: 

R:N(可同时读取所有磁盘) 

W:N(可同时写入所有磁盘) 

S:N(可利用所有的磁盘,并有最佳的使用率) 

 

Disk striping也称为RAID 0,很多人以为RAID 0没有甚么,其实这是非常错误的观念, 

因为RAID 0使磁盘的输出入有最高的效率。而磁盘阵列有更好效率的原因除数据分段 

,它可以同时执行多个输出入的要求,因为阵列中的每一个磁盘都能独立动作,分段放 

在不同的磁盘,不同的磁盘可同时作读写,而且能在快取内存及磁盘作并行存取 

(parallel access)的动作,但只有硬件的磁盘阵列才有此性能表现。 

 

从上面两点我们可以看出,disk spanning定义了RAID的基本形式,提供了一个便宜、 

灵活、高性能的系统结构,disk striping解决了数据的存取效率和磁盘的利用率问 

,RAID 1RAID 5是在此基础上提供磁盘安全的方案。 

 

RAID 1

 

RAID 1是使用磁盘镜像(disk mirroring)的技术。磁盘镜像应用在RAID 1之前就在很 

多系统中使用,它的方式是在工作磁盘(working disk)之外再加一额外的备份磁盘 

(backup disk),两个磁盘所储存的数据完全一样,数据写入工作磁盘的同时亦写入备份 

磁盘。磁盘镜像不见得就是RAID 1,Novell Netware亦有提供磁盘镜像的功能,但并 

不表示Netware有了RAID 1的功能。一般磁盘镜像和RAID 1有二点最大的不同: 

 

RAID 1无工作磁盘和备份磁盘之分,多个磁盘可同时动作而有重叠(overlaping)读取的 

功能,甚至不同的镜像磁盘可同时作写入的动作,这是一种最佳化的方式,称为负载平衡 

(load-balance)。例如有多个用户在同一时间要读取数据,系统能同时驱动互相镜像的 

磁盘,同时读取数据,以减轻系统的负载,增加I/O的性能。

 

RAID 1的磁盘是以磁盘延伸的方式形成阵列,而数据是以数据分段的方式作储存,因而 

在读取时,它几乎和RAID 0有同样的性能。从RAID的结构就可以很清楚的看出RAID 1 

和一般磁盘镜像的不同。 

 

下图为RAID 1,每一笔数据都储存两份: 

从图可以看出: 

R:N(可同时读取所有磁盘) 

W:N/2(同时写入磁盘数) 

S:N/2(利用率) 

 

读取数据时可用到所有的磁盘,充分发挥数据分段的优点;写入数据时,因为有备份, 

以要写入两个磁盘,其效率是N/2,磁盘空间的使用率也只有全部磁盘的一半。 

 

很多人以为RAID 1要加一个额外的磁盘,形成浪费而不看好RAID 1,事实上磁盘越来越 

便宜,并不见得造成负担,况且RAID 1有最好的容错(fault tolerence)能力,其效率也 

是除RAID 0之外最好的。 

 

在磁盘阵列的技术上,RAID 1RAID 5,不停机的意思表示在工作时如发生磁盘故障, 

系统能持续工作而不停顿,仍然可作磁盘的存取,正常的读写数据;容错则表示即使磁 

盘故障,数据仍能保持完整,可让系统存取到正确的数据,SCSI的磁盘阵列更可在工 

作中抽换磁盘,并可自动重建故障磁盘的数据。磁盘阵列之所以能做到容错及不停机, 

是因为它有冗余的磁盘空间可资利用,这也就是Redundant的意义 

 

RAID 2 

 

RAID 2是把数据分散为位(bit)或块(block),加入海明码Hamming Code,在磁盘阵列中 

作间隔写入(interleaving)到每个磁盘中,而且地址(address)都一样,也就是在各个磁 

盘中,其数据都在相同的磁道(cylinder or track)及扇区中RAID 2的设计是使用共 

轴同步(spindle synchronize)的技术,存取数据时,整个磁盘阵列一起动作,在各作磁 

盘的相同位置作平行存取,所以有最好的存取时间(accesstime),其总线(bus)是特别的 

设计,以大带宽(band wide)并行传输所存取的数据,所以有最好的传输时间(transfer  

time)在大型档案的存取应用,RAID 2有最好的性能,但如果档案太小,会将其性能拉 

下来,因为磁盘的存取是以扇区为单位,RAID 2的存取是所有磁盘平行动作,而且是作 

单位元的存取,故小于一个扇区的数据量会使其性能大打折扣。RAID 2是设计给需要连 

续且大量数据的电脑使用的,如大型电脑(mainframe. to supercomputer)、作影像处理 

CAD/CAM的工作站(workstation),并不适用于一般的多用户环境、网络服务器 

(network server),小型机或PC

 

RAID 2的安全采用内存阵列(memory array)的技术,使用多个额外的磁盘作单位错误校 

(single-bit correction)及双位错误检测(double-bit detection);至于需要多少个 

额外的磁盘,则视其所采用的方法及结构而定,例如八个数据磁盘的阵列可能需要三个 

额外的磁盘,有三十二个数据磁盘的高档阵列可能需要七个额外的磁盘。 

 

 

RAID 3 

 

RAID 3的数据储存及存取方式都和RAID 2一样,但在安全方面以奇偶校验(parity  

check)取代海明码做错误校正及检测,所以只需要一个额外的校检磁盘(parity disk) 

奇偶校验值的计算是以各个磁盘的相对应位作XOR的逻辑运算,然后将结果写入奇偶校 

验磁盘,任何数据的修改都要做奇偶校验计算,如图: 

 

如某一磁盘故障,换上新的磁盘后,整个磁盘阵列(包括奇偶校验磁盘)需重新计算一次, 

将故障磁盘的数据恢复并写入新磁盘中;如奇偶校验磁盘故障,则重新计算奇偶校验值, 

以达容错的要求.

 

较之RAID 1RAID 2,RAID 385%的磁盘空间利用率,其性能比RAID 2稍差,因为要 

做奇偶校验计算;共轴同步的平行存取在读档案时有很好的性能,但在写入时较慢,需要 

重新计算及修改奇偶校验磁盘的内容。RAID 3RAID 2有同样的应用方式,适用大档 

案及大量数据输出入的应用,并不适用于PC及网络服务器。 

 

RAID 4 

 

RAID 4也使用一个校验磁盘,但和RAID 3不一样,如图: 

 

RAID 4是以扇区作数据分段,各磁盘相同位置的分段形成一个校验磁盘分段(parity  

block),放在校验磁盘。这种方式可在不同的磁盘平行执行不同的读取命今,大幅提高磁 

盘阵列的读取性能;但写入数据时,因受限于校验磁盘,同一时间只能作一次,启动所有 

磁盘读取数据形成同一校验分段的所有数据分段,与要写入的数据做好校验计算再写 

入。即使如此,小型档案的写入仍然比RAID 3要快,因其校验计算较简单而非作位(bit  

level)的计算;但校验磁盘形成RAID 4的瓶颈,降低了性能,因有RAID 5而使得RAID 4 

较少使用。

 

RAID 5 

RAID5避免了RAID 4的瓶颈,方法是不用校验磁盘而将校验数据以循环的方式放在每一 

个磁盘中,如下图:

 

磁盘阵列的第一个磁盘分段是校验值,第二个磁盘至后一个磁盘再折回第一个磁盘的分 

段是数据,然后第二个磁盘的分段是校验值,从第三个磁盘再折回第二个磁盘的分段是 

数据,以此类推,直到放完为止。图中的第一个parity block是由A0,A1...,B1,B2计算 

出来,第二个parity block是由B3,B4,...,C4,D0计算出来,也就是校验值是由各磁盘 

同一位置的分段的数据所计算出来。这种方式能大幅增加小档案的存取性能,不但可同 

时读取,甚至有可能同时执行多个写入的动作,如可写入数据到磁盘1而其parity  

block在磁盘2,同时写入数据到磁盘4而其parity block在磁盘1,这对联机交易处理 

(OLTP,On-Line Transaction Processing)如银行系统、金融、股市等或大型数据库的 

处理提供了最佳的解决方案(solution),因为这些应用的每一笔数据量小,磁盘输出入 

频繁而且必须容错。

 

事实上RAID 5的性能并无如此理想,因为任何数据的修改,都要把同一parityblock 

所有数据读出来修改后,做完校验计算再写回去,也就是RMW cycle(Read-Modify-Write  

cycle,这个cycle没有包括校验计算);正因为牵一而动全身,所以: 

R:N(可同时读取所有磁盘) 

W:1(可同时写入磁盘数) 

S:N-1(利用率)

 

RAID 5的控制比较复杂,尤其是利用硬件对磁盘阵列的控制,因为这种方式的应用比其 

他的RAID level要掌握更多的事情,有更多的输出入需求,既要速度快,又要处理数据, 

计算校验值,做错误校正等,所以价格较高;其应用最好是OLTP,至于用于图像处理等, 

不见得有最佳的性能。 

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