主題：RAID原理
發信人: secu()
整理人: ipaq(2001-02-26 21:34:00), 站內信件
今天把有關RAID的原理的資料放入BBS，由BBS無法使用圖像，及在傳送時可能會
有亂碼，若有需要完整的資料，可與我聯系: secu@263.net
磁盤陣列(Disk Array)原理
1.為什需要磁盤陣列?
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(memory)的存取速度亦大
幅增加,而數據儲存裝置--主要是磁盤(hard disk)--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(through put),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(disk cache
controller),它將從磁盤讀取的數據存在快取內存(cache memory)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。這種方式在單工環境(single-
tasking envioronment)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(multi-tasking)環境之下(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RAID level,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(RAID controler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要求:
(1)增加存取速度,
(2)容錯(fault tolerance),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RAID level,RAID是Redundent
Array of Inexpensive Disks的縮寫,而每一level代表一種技術,目前業界公認的標
準是RAID 0~RAID 5。這個level並不代表技術的高低,level 5並不高level 3,level
1也不低過level 4,至要選擇那一種RAID level的產品,純視用戶的操作環境
(operating environment)及應用(application)而定,與level的高低沒有必然的關系。
RAID 0及RAID 1適用PC及PC相關的系統如小型的網絡服務器(network server)及
需要高磁盤容量與快速磁盤存取的工作站等,比較便宜;RAID 3及RAID 4適用大型電
腦及影像、CAD/CAM等處理;RAID 5多用OLTP,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, RAID 2較少使用,其他如RAID 6,RAID 7,乃至RAID
10等,都是廠商各做各的,並無一致的標準,在此不作說明。介紹各個RAID level之前,
先看看形成磁盤陣列的兩個基本技術:
磁盤延伸(Disk Spanning):
譯為磁盤延伸,能確切的表示disk spanning這種技術的含義。如圖磁盤陣列控制器,
聯接了四個磁盤,這四個磁盤形成一個陣列(array),而磁盤陣列的控制器(RAID
controller)是將此四個磁盤視為單一的磁盤,如DOS環境下的C:盤。這是disk
spanning的意義,因為把小容量的磁盤延伸為大容量的單一磁盤,用戶不必規劃數據在
各磁盤的分布,而且提高了磁盤空間的使用率。並使磁盤容量幾乎可作無限的延伸;而各
個磁盤一起作取存的動作,比單一磁盤更為快捷。很明顯的,有此陣列的形成而產生
RAID的各種技術。
磁盤或數據分段(Disk Striping or Data Striping):
因為磁盤陣列是將同一陣列的多個磁盤視為單一的虛擬磁盤(virtual disk),所以其數
據是以分段(block or segment)的方式順序存放在磁盤陣列中,數據按需要分段,從第一
個磁盤開始放,放到最後一個磁盤再回到第一個磁盤放起,直到數據分布完畢。至分段
的大小視系統而定,有的系統或以1KB最有效率,或以4KB,或以6KB,甚至是4MB或8MB
的,但除非數據小一個扇區(sector,即521bytes),否則其分段應是512byte的倍數。
因為磁盤的讀寫是以一個扇區為單位,若數據小512bytes,系統讀取該扇區,還要
做組合或分組(視讀或寫而定)的動作,浪費時間。從上圖我們可以看出,數據以分段在
不同的磁盤,整個陣列的各個磁盤可同時作讀寫,故數據分段使數據的存取有最好的效
率,理論上本來讀一個包含四個分段的數據所需要的時間約=(磁盤的access time+數據
的tranfer time)X4次,現在只要一次就可以完成。
若以N表示磁盤的數目,R表示讀取,W表示寫入,S表示可使用空間,則數據分段的性能
為:
R:N(可同時讀取所有磁盤)
W:N(可同時寫入所有磁盤)
S:N(可利用所有的磁盤,並有最佳的使用率)
Disk striping也稱為RAID 0,很多人以為RAID 0沒有甚,其實這是非常錯誤的觀念,
因為RAID 0使磁盤的輸出入有最高的效率。而磁盤陣列有更好效率的原因除數據分段
外,它可以同時執行多個輸出入的要求,因為陣列中的每一個磁盤都能獨立動作,分段放
在不同的磁盤,不同的磁盤可同時作讀寫,而且能在快取內存及磁盤作並行存取
(parallel access)的動作,但只有硬件的磁盤陣列才有此性能表現。
從上面兩點我們可以看出,disk spanning定義了RAID的基本形式,提供了一個便宜、
靈活、高性能的系統結構,而disk striping解決了數據的存取效率和磁盤的利用率問
題,RAID 1至RAID 5是在此基礎上提供磁盤安全的方案。
RAID 1
RAID 1是使用磁盤鏡像(disk mirroring)的技術。磁盤鏡像應用在RAID 1之前就在很
多系統中使用,它的方式是在工作磁盤(working disk)之外再加一額外的備份磁盤
(backup disk),兩個磁盤所儲存的數據完全一樣,數據寫入工作磁盤的同時亦寫入備份
磁盤。磁盤鏡像不見得就是RAID 1,如Novell Netware亦有提供磁盤鏡像的功能,但並
不表示Netware有了RAID 1的功能。一般磁盤鏡像和RAID 1有二點最大的不同:
RAID 1無工作磁盤和備份磁盤之分,多個磁盤可同時動作而有重疊(overlaping)讀取的
功能,甚至不同的鏡像磁盤可同時作寫入的動作,這是一種最佳化的方式,稱為負載平衡
(load-balance)。例如有多個用戶在同一時間要讀取數據,系統能同時驅動互相鏡像的
磁盤,同時讀取數據,以減輕系統的負載,增加I/O的性能。
RAID 1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RAID 0有同樣的性能。從RAID的結構就可以很清楚的看出RAID 1
和一般磁盤鏡像的不同。
下圖為RAID 1,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:N/2(同時寫入磁盤數)
S:N/2(利用率)
讀取數據時可用到所有的磁盤,充分發揮數據分段的優點;寫入數據時,因為有備份,所
以要寫入兩個磁盤,其效率是N/2,磁盤空間的使用率也只有全部磁盤的一半。
很多人以為RAID 1要加一個額外的磁盤,形成浪費而不看好RAID 1,事實上磁盤越來越
便宜,並不見得造成負擔,況且RAID 1有最好的容錯(fault tolerence)能力,其效率也
是除RAID 0之外最好的。
在磁盤陣列的技術上,從RAID 1到RAID 5,不停機的意思表示在工作時如發生磁盤故障,
系統能持續工作而不停頓,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,並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。
RAID 2
RAID 2是把數據分散為位(bit)或塊(block),加入海明碼Hamming Code,在磁盤陣列中
作間隔寫入(interleaving)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(cylinder or track)及扇區中。RAID 2的設計是使用共
軸同步(spindle synchronize)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(band wide)並行傳輸所存取的數據,所以有最好的傳輸時間(transfer
time)。在大型檔案的存取應用,RAID 2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為單位,而RAID 2的存取是所有磁盤平行動作,而且是作
單位元的存取,故小一個扇區的數據量會使其性能大打折扣。RAID 2是設計給需要連
續且大量數據的電腦使用的,如大型電腦(mainframe to supercomputer)、作影像處理
或CAD/CAM的工作站(workstation)等,並不適用一般的多用戶環境、網絡服務器
(network server),小型機或PC。
RAID 2的安全採用內存陣列(memory array)的技術,使用多個額外的磁盤作單位錯誤校
正(single-bit correction)及雙位錯誤檢測(double-bit detection);至需要多少個
額外的磁盤,則視其所採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。
RAID 3
RAID 3的數據儲存及存取方式都和RAID 2一樣,但在安全方面以奇偶校驗(parity
check)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(parity disk)。
奇偶校驗值的計算是以各個磁盤的相對應位作XOR的邏輯運算,然將結果寫入奇偶校
驗磁盤,任何數據的修改都要做奇偶校驗計算,如圖:
如某一磁盤故障,換上新的磁盤,整個磁盤陣列(包括奇偶校驗磁盤)需重新計算一次,
將故障磁盤的數據恢復並寫入新磁盤中;如奇偶校驗磁盤故障,則重新計算奇偶校驗值,
以達容錯的要求.
較之RAID 1及RAID 2,RAID 3有85%的磁盤空間利用率,其性能比RAID 2稍差,因為要
做奇偶校驗計算;共軸同步的平行存取在讀檔案時有很好的性能,但在寫入時較慢,需要
重新計算及修改奇偶校驗磁盤的內容。RAID 3和RAID 2有同樣的應用方式,適用大檔
案及大量數據輸出入的應用,並不適用PC及網絡服務器。
RAID 4
RAID 4也使用一個校驗磁盤,但和RAID 3不一樣,如圖:
RAID 4是以扇區作數據分段,各磁盤相同位置的分段形成一個校驗磁盤分段(parity
block),放在校驗磁盤。這種方式可在不同的磁盤平行執行不同的讀取命今,大幅提高磁
盤陣列的讀取性能;但寫入數據時,因受限校驗磁盤,同一時間只能作一次,啟動所有
磁盤讀取數據形成同一校驗分段的所有數據分段,與要寫入的數據做好校驗計算再寫
入。即使如此,小型檔案的寫入仍然比RAID 3要快,因其校驗計算較簡單而非作位(bit
level)的計算;但校驗磁盤形成RAID 4的瓶頸,降低了性能,因有RAID 5而使得RAID 4
較少使用。
RAID 5
RAID5避免了RAID 4的瓶頸,方法是不用校驗磁盤而將校驗數據以循環的方式放在每一
個磁盤中,如下圖:
磁盤陣列的第一個磁盤分段是校驗值,第二個磁盤至一個磁盤再折回第一個磁盤的分
段是數據,然第二個磁盤的分段是校驗值,從第三個磁盤再折回第二個磁盤的分段是
數據,以此類推,直到放完為止。圖中的第一個parity block是由A0,A1...,B1,B2計算
出來,第二個parity block是由B3,B4,...,C4,D0計算出來,也就是校驗值是由各磁盤
同一位置的分段的數據所計算出來。這種方式能大幅增加小檔案的存取性能,不但可同
時讀取,甚至有可能同時執行多個寫入的動作,如可寫入數據到磁盤1而其parity
block在磁盤2,同時寫入數據到磁盤4而其parity block在磁盤1,這對聯機交易處理
(OLTP,On-Line Transaction Processing)如銀行系統、金融、股市等或大型數據庫的
處理提供了最佳的解決方案(solution),因為這些應用的每一筆數據量小,磁盤輸出入
頻繁而且必須容錯。
事實上RAID 5的性能並無如此理想,因為任何數據的修改,都要把同一parityblock的
所有數據讀出來修改,做完校驗計算再寫回去,也就是RMW cycle(Read-Modify-Write
cycle,這個cycle沒有包括校驗計算);正因為牽一而動全身,所以:
R:N(可同時讀取所有磁盤)
W:1(可同時寫入磁盤數)
S:N-1(利用率)
RAID 5的控制比較復雜,尤其是利用硬件對磁盤陣列的控制,因為這種方式的應用比其
他的RAID level要掌握更多的事情,有更多的輸出入需求,既要速度快,又要處理數據,
計算校驗值,做錯誤校正等,所以價格較高;其應用最好是OLTP,至用圖像處理等,
不見得有最佳的性能。
2.磁盤陣列的額外容錯功能：Spare or Standby driver
事實上容錯功能已成為磁盤陣列最受青睞的特性,為了加強容錯的功能以及使系統在磁
盤故障的情況下能迅速的重建數據,以維持系統的性能,一般的磁盤陣列系統都可使用
熱備份(hot spare or hot standby driver)的功能,所謂熱備份是在建立(configure)
磁盤陣列系統的時候,將其中一磁盤指定為備磁盤,此一磁盤在平常並不操作,但若陣
列中某一磁盤發生故障時,磁盤陣列即以備磁盤取代故障磁盤,並自動將故障磁盤的
數據重建(rebuild)在備磁盤之上,因為反應快速,加上快取內存減少了磁盤的存取,
所以數據重建很快即可完成,對系統的性能影響很小。對要求不停機的大型數據處理
中心或控制中心而言,熱備份更是一項重要的功能,因為可避免晚間或無人值守時發生
磁盤故障所引起的種種不便。
另一個額外的容錯功能是壞扇區轉移(bad sector reassignment)。壞扇區是磁盤故障
的主要原因,通常磁盤在讀寫時發生壞扇區的情況即表示此磁盤故障,不能再作讀寫,甚
至有很多系統會因為不能完成讀寫的動作而死機,但若因為某一扇區的損壞而使工作不
能完成或要更換磁盤,則使得系統性能大打折扣,而系統的維護成本也未免太高了。壞扇
區轉移是當磁盤陣列系統發現磁盤有壞扇區時,以另一空白且無故障的扇區取代該扇區,
以延長磁盤的使用壽命,減少壞磁盤的發生率以及系統的維護成本。所以壞扇區轉移功
能使磁盤陣列具有更好的容錯性,同時使整個系統有最好的成本效益比。其他如可外接
電池備援磁盤陣列的快取內存,以避免突然斷電時數據尚未寫回磁盤而損失;或在RAID
1時作寫入一致性的檢查等,雖是小技術,但亦不可忽視。
3.硬件磁盤陣列還是軟件磁盤陣列
市面上有所謂硬件磁盤陣列與軟件磁盤陣列之分,因為軟件磁盤陣列是使用一塊SCSI
卡與磁盤連接,一般用戶誤以為是硬件磁盤陣列。以上所述主要是針對硬件磁盤陣列,
其與軟件磁盤陣列有幾個最大的區別:
l 一個完整的磁盤陣列硬件與系統相接。
l 內置CPU,與主機並行運作,所有的I/O都在磁盤陣列中完成,減輕主機的工作負載,
增加系統整體性能。
l 有卓越的總線主控(bus mastering)及DMA(Direct Memory Access)能力,加速數據
的存取及傳輸性能。
l 與快取內存結合在一起,不但增加數據的存取及傳輸性能,更因減少對磁盤的存取
而增加磁盤的壽命。
l 能充份利用硬件的特性,反應快速。
軟件磁盤陣列是一個程序,在主機執行,透過一塊SCSI卡與磁盤相接形成陣列,它最大
的優點是便宜,因為沒有硬件成本(包括研發、生產、維護等),而SCSI卡很便宜(亦有的
軟件磁盤陣列使用指定的很貴的SCSI卡);它最大的缺點是使主機多了很多進程
(process),增加了主機的負擔,尤其是輸出入需求量大的系統。目前市面上的磁盤陣列
系統大部份是硬件磁盤陣列,軟件磁盤陣列較少。
4.磁盤陣列卡還是磁盤陣列控制器
磁盤陣列控制卡一般用小系統，供單機使用。與主機共用電源，在關閉主機電源時存
在丟失Cache中的數據的的危險。磁盤陣列控制卡只有常用總線方式的接口，其驅動程
序與主機、主機所用的操作系統都有關系，有軟、硬件兼容性問題並潛在地增加了系統
的不安定因素。在更換磁盤陣列卡時要冒磁盤損壞，資料失落，隨時停機的風險。
獨立式磁盤陣列控制一般用較大型系統,可分為兩種：
單通道磁盤陣列和多通道式磁盤陣列，單通道磁盤陣列只能接一台主機，有很大的
擴充限制。多通道磁盤陣列可接多個系統同時使用,以群集(cluster)的方式共用磁盤陣
列,這使內接式陣列控制及單接式磁盤陣列無用武之地。目前多數獨立形式的磁盤陣列
子系統，其本身與主機系統的硬件及操作環境?BR>
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※ 來源:．廣州網易 BBS bbs.nease.net．[FROM: 202.103.153.151]
發信人: secu (secu), 信區: WinNT
標 題: Re: NT下做RAID
發信站: 廣州網易 BBS (Mon Aug 24 17:59:42 1998), 轉信
【 在 davychen (xiaoque) 的大作中提到: 】
: 【 在 Magicboy (師傅仔) 的大作中提到: 】
: : 請問用SCSI硬盤做軟件RAID與用性能更高一些的IDE硬盤做軟件鏡象，哪個
: : 性能更好一些？
: 當然是SCSI,但用軟件鏡象不能實現雙工。因為備分的只是數據部分，引導區部分不在
: 上面。如果用IDE的話，無論RAID0,1,5,10,50都必須同時讀寫。可能很快斐捎才袒?/font>
: 道或扇區。RAID 0,1只要求兩個硬盤，RAID 5則至少三個硬盤。
首先，IDE的性能不會比SCSI更高的。特別是在多任務的情況下。一般廣告給出的是
最大傳送速度，並不是工作速度。同一時期的IDE與SCSI盤相比，主要是產量比較大，
電路比較簡單，所以價格比SCSI低很多，但要比性能，則差遠了。
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※ 來源:．廣州網易 BBS bbs.nease.net．[FROM: 202.103.153.151]
發信人: secu (secu), 信區: WinNT
標 題: RAID的盤數
發信站: 廣州網易 BBS (Mon Aug 24 18:06:16 1998), 轉信
RAID並沒有限制使用多少個盤，應時盤越多越好。
對SCSI結構的RAID來說，盤的最大數量與SCSI通道（SCSI總線）的數量有關
一般是每個通道最多裝15個盤（SCSI/3）
對FC-AL（光纖)則是每個通道200個盤
當然，要有這樣大的磁盤箱才行! :)
(http://www.fanqiang.com)
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