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关于RAID之磁盘阵列详解(介绍)下篇

Admin | 2008-2-19 8:39:16 | ReadNums | 4017 | 标签 计算机网络技术 | 打印本页
     

               解析磁盘阵列的关键技术

        存储技术在计算机技术中受到广泛关注,服务器存储技术更是业界关心的热点。一谈到服务器存储技术,人们几乎立刻与SCSI(Small Computer Systems Interface)技术联系在一起。尽管廉价的IDE硬盘在性能、容量等关键技术指标上已经大大地提高,可以满足甚至超过原有的服务器存储设备的需求。但由于Internet的普及与高速发展,网络服务器的规模也变得越来越大。同时,Internet不仅对网络服务器本身,也对服务器存储技术提出了苛刻要求。无止境的市场需求促使服务器存储技术飞速发展。而磁盘阵列是服务器存储技术中比较成熟的一种,也是在市场上比较多见的大容量外设之一。
        在高端,传统的存储模式无论在规模上,还是安全上,或是性能上,都无法满足特殊应用日益膨胀的存储需求。诸如存储局域网(SAN)等新的技术或应用方案不断涌现,新的存储体系结构和解决方案层出不穷,服务器存储技术由直接连接存储(DAS)向存储网络技术(NAS)方面扩展。在中低端,随着硬件技术的不断发展,在强大市场需求的推动下,本地化的、基于直接连接的磁盘阵列存储技术,在速度、性能、存储能力等方面不断地迈上新台阶。并且,为了满足用户对存储数据的安全、存取速度和超大的存储容量的需求,磁盘阵列存储技术也从讲求技术创新、重视系统优化,以技术方案为主导的技术推动期逐渐进入了强调工业标准、着眼市场规模,以成熟产品为主导的产品普及期。
        回顾磁盘阵列的发展历程,一直和SCSI技术的发展紧密关联,一些厂商推出的专有技术,如IBM的SSA(Serial Storage Architecture)技术等,由于兼容性和升级能力不尽如人意,在市场上的影响都远不及SCSI技术广泛。由于SCSI技术兼容性好,市场需求旺盛,使得SCSI技术发展很快。从最原始5MB/s传输速度的SCSI-1,一直发展到现在LVD接口的160MB/s传输速度的Ultra 160 SCSI,320MB/s传输速度的Ultra 320 SCSI接口也将在2001年出现(见表1)。从当前市场看,Ultra 3 SCSI技术和RAID(Redundant Array of Inexpensive Disks)技术还应是磁盘阵列存储的主流技术。

        SCSI技术

        SCSI本身是为小型机(区别于微机而言)定制的存储接口,SCSI协议的Version 1 版本也仅规定了5MB/s传输速度的SCSI-1的总线类型、接口定义、电缆规格等技术标准。随着技术的发展,SCSI协议的Version 2版本作了较大修订,遵循SCSI-2协议的16位数据带宽,高主频的SCSI存储设备陆续出现并成为市场的主流产品,也使得SCSI技术牢牢地占据了服务器的存储市场。SCSI-3协议则增加了能满足特殊设备协议所需要的命令集,使得SCSI协议既适应传统的并行传输设备,又能适应最新出现的一些串行设备的通讯需要,如光纤通道协议(FCP)、串行存储协议(SSP)、串行总线协议等。渐渐地,“小型机”的概念开始弱化,“高性能计算机”和“服务器”的概念在人们的心目中得到强化,SCSI一度成为用户从硬件上来区分“服务器”和PC机的一种标准。
        通常情况下,用户对SCSI总线的关心放在硬件上,不同的SCSI的工作模式意味着有不同的最大传输速度。如40MB/s的Ultra SCSI、160MB/s的Ultra 3 SCSI等等。但最大传输速度并不代表设备正常工作时所能达到的平均访问速度,也不意味着不同SCSI工作模式之间的访问速度存在着必然的“倍数”关系。SCSI控制器的实际访问速度与SCSI硬盘型号、技术参数,以及传输电缆长度、抗干扰能力等因素关系密切。提高SCSI总线效率必须关注SCSI设备端的配置和传输线缆的规范和质量。可以看出,Ultra 3模式下获得的实际访问速度还不到Ultra Wide模式下实际访问速度的2倍。
        一般说来,选用高速的SCSI硬盘、适当增加SCSI通道上连接硬盘数、优化应用对磁盘数据的访问方式等,可以大幅度提高SCSI总线的实际传输速度。尤其需要说明的是,在同样条件下,不同的磁盘访问方式下获得的SCSI总线实际传输速度可以相差几十倍,对应用的优化是获得高速存储访问时必须关注的重点,而这却常常被一些用户所忽视。按4KB数据块随机访问6块SCSI硬盘时,SCSI总线的实际访问速度为2.74MB/s,SCSI总线的工作效率仅为总线带宽的1.7%;在完全不变的条件下,按256KB的数据块对硬盘进行顺序读写,SCSI总线的实际访问速度为141.2MB/s,SCSI总线的工作效率高达总线带宽的88%。
        随着传输速度的提高,信号传输过程中的信号衰减和干扰问题显得越来越突出,终结器在一定程度上可以起到降低信号波反射,改善信号质量的作用。同时,LVD(Low-Voltage Differential)技术的应用也越来越多。LVD工作模式是和SE(Single-Ended)模式相对应的,它可以很好地抵抗传输干扰,延长信号的传输距离。同时,Ultra 2 SCSI和Ultra 3 SCSI模式也通过采用专用的双绞型SCSI电缆来提高信号传输的质量。
        在磁盘阵列的概念中,大容量硬盘并不是指单个硬盘容量大,而是指将单个硬盘通过RAID技术,按RAID 级别组合成更大容量的硬盘。所以在磁盘阵列技术中,RAID技术是比较关键的,同时,根据所选用的RAID级别的不同,得到的“大硬盘”的功能也有不同。
        RAID是一项非常成熟的技术,但由于其价格比较昂贵,配置也不方便,缺少相对专业的技术人员,所以应用并不十分普及。据统计,全世界75%的服务器系统目前没有配置RAID。由于服务器存储需求对数据安全性、扩展性等方面的要求越来越高,RAID市场的开发潜力巨大。RAID技术是一种工业标准,各厂商对RAID级别的定义也不尽相同。目前对RAID级别的定义可以获得业界广泛认同的只有4种,RAID 0、RAID 1、RAID 0+1和RAID 5。
        RAID 0是无数据冗余的存储空间条带化,具有低成本、极高读写性能、高存储空间利用率的RAID级别,适用于Video / Audio信号存储、临时文件的转储等对速度要求极其严格的特殊应用。但由于没有数据冗余,其安全性大大降低,构成阵列的任何一块硬盘损坏都将带来数据灾难性的损失。所以,在RAID 0中配置4块以上的硬盘,对于一般应用来说是不明智的。
        RAID 1是两块硬盘数据完全镜像,安全性好,技术简单,管理方便,读写性能均好。但其无法扩展(单块硬盘容量),数据空间浪费大,严格意义上说,不应称之为“阵列”。
        RAID 0+1综合了RAID 0和RAID 1的特点,独立磁盘配置成RAID 0,两套完整的RAID 0互相镜像。它的读写性能出色,安全性高,但构建阵列的成本投入大,数据空间利用率低,不能称之为经济高效的方案。
        RAID 5是目前应用最广泛的RAID技术。各块独立硬盘进行条带化分割,相同的条带区进行奇偶校验(异或运算),校验数据平均分布在每块硬盘上。以n块硬盘构建的RAID 5阵列可以有n-1块硬盘的容量,存储空间利用率非常高(见图6)。任何一块硬盘上数据丢失,均可以通过校验数据推算出来。它和RAID 3最大的区别在于校验数据是否平均分布到各块硬盘上。RAID 5具有数据安全、读写速度快,空间利用率高等优点,应用非常广泛,但不足之处是1块硬盘出现故障以后,整个系统的性能大大降低。
        对于RAID 1、RAID 0+1、RAID 5阵列,配合热插拔(也称热可替换)技术,可以实现数据的在线恢复,即当RAID阵列中的任何一块硬盘损坏时,不需要用户关机或停止应用服务,就可以更换故障硬盘,修复系统,恢复数据,对实现HA(High Availability)高可用系统具有重要意义。
        各厂商还在不断推出各种RAID级别和标准。例如更高安全性的,从RAID控制器开始镜像的RAID;更快读写速度的,为构成RAID的每块硬盘配置CPU和Cache的RAID等等,但都不普及。用IDE硬盘构建RAID的技术是新出现的一个技术方向,对市场影响也较大,其突出优点就是构建RAID阵列非常廉价。目前IDE RAID可以支持RAID 0、RAID 1和RAID 0+1三个级别,最多支持4块IDE硬盘。由于受IDE设备扩展性的限制,同时,也由于IDE设备也缺乏热可替换的技术支持的原因,IDE RAID的应用还不多。 


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网友评论

(访客)
内容实用原创,讲得很好。
20xx年x月x日
(站长)
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20xx年x月x日