磁盘阵列系统介绍

1、引言及RAID的源由引言磁盘阵列，或说是硬盘数组，或是磁 盘数组，在今天,相信已经不再是那么令人感 到陌生了.因为在这几年来，网络以及服务器之 成长迅速，相随的对资料之安全性，也更加重视 和要求.固然,每日的磁带或其它媒体方式的备份 仍然重要，但对于硬盘故障后的恢复间隔，也希 望在可接受范围内，得到最大的缩短.此时最 好的方案，则非磁盘阵列莫属.因为磁盘阵列的 优点:具有单一大容量的好处，提供了硬盘容错 功能，易于管理的优点.源由1987年,有一群研究者在美国Universityof California - Berkeley 发表了一篇文章: A Case for Redundant Arr

2、ays of Inexpen sive Disks,而IBM是此一项目研究的主要 协助者.这篇文章，介绍了一个新的头字语-R A I D.同时并定义了五种RAID代号-R AID level.这篇文章的主要论题,是针对当时的硬盘 科技，在容量及速度上，无法追上CPU及内存 的发展的现象，提出多种改善方法.因为长期来 看，这种脚步的差距，会造成硬盘无法实时供应 对资料的急迫需要.所以，它利用了各式技巧，将许多较小容量 的硬盘，以RAID技术，规划为一座大的硬盘 机.同时，在实际储存资料时，透过这项技术，将 资料切割成多区段并分别同时存放于各个硬 盘机上.在实际读取资料时，也是同时自此多颗 硬盘机

3、读出资料.由此可见,这项技术RAID, 着实提高了大型硬盘的效率.值得一提，它的观念，也提供了一套思考及 开发的方向:资料容错.藉由同位检核Parity 的概念及方法，能在该群数组硬盘中任一颗 硬盘故障时，仍能读出资料,并可于数据重构 时,将原故障硬盘内之应有资料，经计算后置回 替代的新硬盘中，使回复成原貌.这篇文章也指出了许多在各不同代号型 式的RAID,其开发上的问题，大多相关于强调 速度及成本上的改善.这和今日的数组供货 商所多强调的可靠性Reliability及资料可 供应性Data Availability,似乎有些不同.当 然这也是因为时代背景的差异.不过，这也使得 各磁盘阵列供货

4、商,各自有较大的发挥空间，针 对容错性，成本，及效率,有不同的处理方式及 结果.以下就几项基本的名词作一分项解释.数组种类英文简述Z-* .一/ 一硬盘容错吗？N颗硬 盘 可用容 量RAID vel 0leStripe / SpanAl,NoNRAID vel 1leMirrorC1 1 1 I cYesN2RAID vel 3leParallel with Par 计yr111 1 rYesN?D1RAID vel 4leParallel with Par 计yz 一i irs,YesN?D1RAIDleStriped with RoYesN?D1vel 5tating ParityA !-

5、C 一 RAID le vel 0+1Mirror + StripeYesN -2RAID 0Host Commandsu-* writeQ dRAID ControllerRAID level 0这个代号是被定义为非容错的硬盘群组.而 组构的多颗硬盘机,被依一定的切割区段，连贯 成一颗大容量的数组硬盘.它没有同位检核的 位，所以无法救回因其中任一硬盘故障而毁损 的整个资料.这是最有效率的一种数组类别,因为资料可以多个区段方式，在同一时间，将之分别存放 在该群所有数组硬盘里.在读取资料时,亦可在 同一时间,由该群所有数组硬盘送出资料至数 组控制器.换言之,此种数组类型的效率，是与 该群内数组硬

6、盘数成正比.所以在读写强而集 中的应用领域（如:影音播放系统），可藉RAIDlevel 0得到较佳的输出效率及品质RAID Contro erRAID Contro erRAID level 1就是磁盘镜像Disk Mirroring.它可将两颗硬盘机为一组，在有资料欲写入时,在同一时间将之存放在本组的两颗硬盘中，所以在同镜像对Mirrored Pair中的两硬盘，其内部资 料是完全一样的.而在读取资料时，则可自两颗 硬盘同时读出,即使是来自不同的客户端所提 出之不同读取要求.这一型式的磁盘阵列，不但不会降低写入 的速度，更能提高读取的效率.事实上,它是容 错型式的磁盘阵列中，效率最高的.不过

7、其硬盘 机的容量利用率，则只有实际容量的一半.所 以，RAID level 1常应用于高安全要求的多 人使用环境，例如:操作系统磁盘OS DiskMID O-f-1 Host CommandswriteRAID Contro eruwriteRAID Contro er6 H 8 H 8 B这是一种Dual Level RAID,也有人称之 为RAID level 10.这可不是十，它是零加 一,亦即是两组依一定的切割区段，连贯成不 同的两颗大容量的数组硬盘，互相为镜像.在 每次写入数据，磁盘阵列控制器会将资料同时 写入该两组大容量数组硬盘组内.同RAID level 1 一样，虽然其硬盘使用

8、 率亦只有50%,但它却是最具高效率的规划方 式.真理:真正的安全性加速度是建立在成 本上的RATD 3#4 Host Commandswrite这种规划方式，常用在绘图，影像处理，等, 对资料进行大量读或写的应用领域.它由数组 控制器内建的XOR逻辑，根据切割之区段大 小，计算出同位检核位或字节.这项功能，提供 了资料容错效果.而这个区段的大小，是以bit 或byte为单位.每项资料中的同位检核资料，统一存放在 一特定的同位碟(Parity Disk)上.而资料则是 分别散存在各资料碟Data Disk内.单从少部 份的资料碟，是无法取得完整原资料的RAID 3.4 Host Command

9、swrite4writeRAID Contro erRAID Contro er跟上述的level 3大部份相同.不过其支持 的区段大小相当多样，是以block为单位计算 的.它可以是单一 block为区段，也有以多个bl ock为区段大小.所以有些资料是可以从某资 料碟中取得,这促成一个较RAIDlevel 3势的是:允许重叠读取OverlappedRead Operation.但是在作写入时，因为需同时更新同位碟 的信息，所以不具有重叠写入的能力.换言 之,在同时间中多笔资料要求写入时，因为每笔 资料之同位信息需写在同一颗同位碟中，所 以并不会有任何速度的优势.所以在一般使用多人数据库，R

10、AID leve l 4是较不适合的规划.但是在如:计算机绘图, 非线性剪接，动画处理,数字图书馆，.等用途上,这样的规划，却是最佳的选择RAID level 5通常亦为轮转同位型数组Rotating Pari ty Array.它和 RAID level4 一样的，在每次的写入前，由数组控制器内建 的XOR逻辑，根据切割之区段大小（单一或多 个block为单位），计算出同位检核信息.每项资 料中（以Stripe为单位）的同位检核资料，随着 资料分别散存在各数组硬盘内，没有特定同位 碟.相较于上述RAIDlevel 4,这个型式可允许多个写入，因为这多 个写入动作时，同位信息是置在不同的数组硬

11、 盘中.但是在读取资料时,每项资料可能是直接 来自各具该项资料的硬盘中，但也可能是会读 入同位信息，而必需经由XOR的计算.在连续 大型档案要求输出时，它显然稍有不利Parity容错基本原理以上介绍了常见的数组代号型式，相信许 多读者仍不了解这个同位检核信息Parity 如何提供容错能力？而已毁损的硬盘中之原资 料，又如何在新的替代硬盘中，作原资料的重建 Rebuild ?每个Byte是由8个bit所构成的，如果 在这八个bit后，经由运算XOR上述的八个d ata bit，再加一个同位检核位Parity bit,则这组九个bits所构成的Byte,就具备了容错能 力了，见下例：Byte（字母

12、）Bit （位）说明K10010011只是个例子?1001001 ?少了个bit,原字 母不见了K10010011 Pk经由数组控制器计 算出ParityK1 0 0 1 0 0 1 ? Pk即使少了个bit, 仍可读出原资料K1 0 0 1 0 0 11 Pk经由XOR计算，又 推敲并回复了原貌K1 0 0 1 Pk同理,可以将一笔资 料，以不同的切割区0TTk一块大小，将资料分为 二，并各有一个Pari ty bit上面的例子，是以一个Byte为例，可以将此 观念延伸到block, blocks, disk.就可以了解 到，当一颗数组硬盘机故障时，其内原有的Data Blocks 及不同

13、Data Stripe 中的 Parity Blocks, 虽已丧失，但是可以经由数组控制器（通常具 有独立CPU）的XOR功能，将存在其它数组硬 盘内的Parity Blocks及不同的Data Stripe中 的Data Blocks加以计算，得出应置回的原资 料.毁损数据重构：Data Rebuild，Data Reconstru ction当然，若主系统在不关机情形下（通常这是 使用者采购磁盘阵列的主要目的）在作数据重 构的时候,主系统的资料进出效率会受到影响.在整台数组中，数据重构与正常存取的效率是 互补的.不过现在的数组控制器大多已可支持可 调整的重建优先权设定.以笔者所经验过的

14、重建9GB硬盘为例子，它可以在五十分钟内完 成.但在以正常存取为极度优先时，它可能需时 三小时.不过如果是采用较低阶的数组控制器, 恐怕所需时间，会远远超过上述的数字,提高危 险系数.因为在正常的RAID level 3, 4, 5型式 下，磁盘阵列容许同一数组组态群内，仅一颗硬 盘故障.而系统管理者，必须在尽量短的时间内 （第二颗硬盘故障前），立即得到通知:一颗数组硬盘已经故障了 . 而这个通知方式及过程,影响前来处理的时间. 目前有多种设计:基本的警笛声,事件记录联结 并通知主系统之操作系统，电子邮件，传呼器,.都是善尽通知义务的方法.立即将数据重构完成.否则，就得面临向大 量资料说再见的

15、精神压力了.不过,如何缩短从在被通知后到抵达现场, 并开始作数据重构的这段时间及压力，则难以 绝对掌握.有解吗？备援硬盘：Spare Disk如果在数组中，加上备援硬盘.当任一数组 硬盘故障时，该备援硬盘可以自动上线,将故障 硬盘立即取代，并开始依设定的”重建优先权” 作数据重构,就可有效缩短上述的前往处理 的时间，也可减少因急迫性所造成的压力.不过，这颗备援硬盘,平时是无法拿来作存 放空间的.因为一旦作了 可使用”的标记,备援 设定会自动消失.所以,回到前述的真理:安全性”加速度”建立在成本上的.总体备援硬盘：Global Spare Disk。就是 备援硬盘,但是可以对同一磁盘阵列中的所有

16、 ”数组组态群”作备援.总是比较省的方式.定时备份”既然重要,为何不备份?”与其在灾害发生 时,束手无策，自怨自艾,何不在规定时间作好 重要资料的备份,以防万一？即使使用了磁盘 阵列，提高数据的可供应性，备份仍该作的.毕 竟，它是重要的资料.RAID控制器型式1.软件架构:Software Based在多年前，Novell的Netware就提供了 M irror的功能,即使在今天,相信仍有许网络系 统，是采用此一方式.不过这在资料量较大的环 境中，其50%的硬盘使用率，究竟是稍少了些. 另外，Corel在约五年前，大力推广其Corel R AID!以不到美金一千元的低价,切入市场.然而究竟使用

17、软件的数组架构，会占用到 主系统的CPU及内存资源，而导致系统效率 的下降.所以采用非主系统供货商的软件数组 产品者，相对是较少的.2.主机独立式架构：Host Independent数组控制器对主系统，是藉由连接至其存 取接口（目前以SCSI为主）作信道.换言之,它 在主系统的存取接口上,是一个独立的直接存 取储存体 DASD Direct Access Storage Devic e.而这个大的储存体内，可以有不只一个的逻 辑磁盘LUN Logical Unit Number.数组控制 器,对下管理多颗数组硬盘机们.而主系统是不 会看到或直接管理该硬盘的.例如:CMD, EMC, Symbios, Digital StorageWorks, .都有相 关的产品.而且这些数组领导厂商,也都各自有不同 设计的”容错式