磁盘阵列基本原理

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1、第 1 章 为什么要使用磁盘阵列1.1 什么是磁盘阵列 磁盘阵列是一种把若干硬磁盘驱动器按照一定要求组成一个整体，整 个磁盘阵列由阵列控制器管理的系统。冗余磁盘阵列 RAID(Redundant Array of Independent Disks)技术1987 年由加州大学伯克利分校提出，最初的研制目的是为了组合小 的廉价磁盘来代替大的昂贵磁盘，以降低大批量数据存储的费用(当 时 RAID 称为 Redundant Array of Inexpensive Disks 廉价的磁盘阵 列)，同时也希望采用冗余信息的方式，使得磁盘失效时不会使对数 据的访问受损失，从而开发出一定水平的数据保护技术

2、。1.2 磁盘阵列的工作原理与特征RAID的基本结构特征就是组合(Striping)，捆绑2个或多个物理磁盘 成组，形成一个单独的逻辑盘。组合套(Striping Set )是指将物理磁盘 组捆绑在一块儿。在利用多个磁盘驱动器时，组合能够提供比单个物 理磁盘驱动器更好的性能提升。数据是以块(Chunks)的形式写入组合套中的，块的尺寸是一个固定的 值，在捆绑过程实施前就已选定。块尺寸和平均I/O需求的尺寸之间 的关系决定了组合套的特性。总的来说，选择块尺寸的目的是为了最 大程度地提高性能，以适应不同特点的计算环境应用。实际的计算环境依据其不同的特点，可被划分为转换速率密集仃ransfer Ra

3、te Intensive)环境或需求速率密集(Request Rate Intensive)，一个计算环境若通常服务于小的用户数量和大的I/O需求，可以被认 为是转换速率密集环境，工程学和科学应用属于转换速率密集，例如 CAM/CAD、图象处理和数据集合等。个计算环境，如果它是自然存在的多用户或在线交易系统(OLTP)， 可以被认为是一个标准的需求速率密集, 交互式的数据库应用能产生 大量的小的I/O需求，由这些应用产生的I/O负荷可被称为需求速率 密集。具备独立驱动器操作功能的组合套可提供对于需求速率密集环 境来说高的性能。对于转换速率密集，I/O需求的尺寸比块尺寸大得多，这样可导致每 一个

4、I/O需求分布于所有驱动器 数据由组合套转换的速率可以增加， 因为所有的驱动器可并行地传输数据，这样，组合套就象一个单磁盘 一样有非常高的容许速度。需求速率密集中I/O需求尺寸比块尺寸小很多，这将导致每一个I/O 需求落于一个单个的驱动器中， 在这种情况下，由于有数个驱动器， 阵列可同时处理数个需求，或者说比单磁盘快数倍。一个单磁盘某一时刻只能满足一个处理业务，一个转换速率密集应用 的阵列某一时刻虽也满足一个处理业务，但能比单磁盘转换数据速度 快X倍(X是磁盘数)，一个需求速率密集应用的阵列可满足的需求为 单一磁盘的X倍，而其转换数据的速率与单磁盘相同。RAID的另一特征是具备数据校验(Par

5、ity)功能，校验可被描述为用于 RAID级别2，3，4，5的额外的信息，当磁盘失效的情况发生时，校验功能结合完好磁盘中的数据，可以重建失效磁盘上的数据。对于RAID 系统来说，在任何有害条件下绝对保持数据的完整性(Data Integrity )是最基本的要求。数据完整性指的是阵列面对磁盘失效时保持数据不丢失的能力，由于数据的破坏通常会带来灾难性的后 果，所以选择RAID阵列的基础条件是它能提供什么级别的数据完整 性。此外，数据可用性(Data Availability)也是RAID系统的指标之一，数 据可用性指的是阵列内部容错能力的水平，数据可用性程度越高，可 被理解为当发生越多的部件失效

6、时而数据访问仍不丢失。一个RAID 阵列能提供的高可用性级别范围可从简单的磁盘冗余到所有部件的 冗余性。当选择一个阵列时，重要的是了解所选的设备是否能够满足 期望的可使用时间目标。RAID阵列能够适应不同环境，在不同类型的主机之间以及操作系统 之间移动一个RAID阵列的能力越高，一般说来，可带来更好的投资 保护。1.3 磁盘阵列优点 磁盘阵列有许多优点：首先，提高了存储容量；其次，多台磁盘驱动 器可并行工作，提高了数据传输率；第三，由于有校验技术，提高了 可靠性：如果阵列中有一台硬磁盘损坏，利用其它盘可以重新恢复出 损坏盘上原来的数据，而不影响系统的正常工作，并可以在带电状态 下更换已损坏的硬

7、盘(即热插拔功能)，阵列控制器会自动把重组数 据写入新盘，或写入热备份盘而将新盘用做新的热备份盘；另外磁盘 阵列通常配有冗余设备，如电源和风扇，以保证磁盘阵列的散热和系 统的可靠性。因其独特的特征和可靠的性能被广泛地应用于多个行 业，如：ISP、医学影像、银行等在线处理业务部门、影像服务器、6 石油工业、关键部门的数据中心、多媒体和数据库应用等。对于磁盘失效的保护通过RAID技术已经成功地实现，但RAID阵列 降低数据存储费用的目的没有达到，实际上，RAID阵列的价格通常 比标准的磁盘驱动器更高一些。尽管如此RAID技术确实提供了比通常的磁盘存储更高的性能指标、 数据完整性和数据可用性尤其是在

8、当今面临的I/O总是滞后于CPU 性能的瓶颈问题越来越突出的情况下，RAID解决方案能够有效地弥 补这个缺口。第2章什么是SCSI2.1 概述SCSI 直译为小型计算机系统专用接口(Small Computer System Interface)是一种连结主机和外围设备的接 口，支持包括磁盘驱动器、磁带机、光驱、扫描仪在内的多种设备。它由SCSI控制器进行数据操作SCSI控制器相当于一块小型CPU， 有自己的命令集和缓存。要了解SCSI，必须先了解它的类型，以下 是 STA(SCSI Trade Association， SCSI 同业公会)的标准分类。2.2 SCSI 接口类型SCSI连接器

9、分为内置和外置两种，内置数据线的外型和IDE数据线 一样，只是针数和规格稍有差别，主要用于连接光驱和硬盘。40 针 IDE线有40根导线，40针ATA66有80根导线，SCSI内置则分为 50针、68针和80针。至于SCSI外置数据线，就有以多种规格， 它们的密度均不相同，千万别弄错了。 详见附录 A2.3 SCSI ID相信许多 SCSI 用户都有这种经历，插上设备之后，操作系统怎样也 不认，后来检查总线，才发现是终结和 ID 没有设置好。 ID（identify） 作为 SCSI 设备在 SCSI 总线的唯一识别符，绝对不允许重复，可选 范围从0到15，SCSI主控制器通常占用id 7，即

10、是说我们可以用在 设备上的ID号共有15个。在 SCSI 总线中，控制器也算一个设备， 即实际最大可连接设备数目 = 理论最大支持设备数目-1。2.4 总线终结器总线终结器能告诉 SCSI 主控制器整条总线在何处终结，并发出一个 反射信号给控制器，必须在两个物理终端作一个终结信号才能使用SCSI总线。常见的错误是把终结设置在ID号最高或最低的地方，而 不是设置在物理终端的 SCSI 设备上。其实， SCSI 设备总是以链形 来连接的，按顺序就能分辨出哪一个是终结设备。终结的方式有三种：自终结设备、物理总线终结器和自终结电缆。 大多数新型SCSI设备都有自终结跳线，只要把非终结设备的自终结 跳线

11、设置成OFF即可避免冲突问题；物理总线终结器是一种硬件接 头，又分为主动型和被动型两种，主动型使用电压调整器来进行操作， 被动型利用总线上的能源信号来操作，被动型比主动型更为精确；自 终结电缆可以代替物理总线终结器，也是一种硬件，它的价格非常昂 贵，常用于两个主机连接同一个物理设备，如：两个服务器存取同一 个物理 SCSI 硬盘。通过检查SCSI ID和总线终结器，我们可以找出大多数冲突现象 的解决方法，这是SCSI设备用户必须重视的一点。2.5 SCSI 规格公用的几个标准术语解释：2.5.1 SCSI-1 :它是最早SCSI，特点是：支持同步和异步SCSI外围 设备，支持7台8位的外围设备

12、，使用 8位的通道宽度，传输速率 为4MB/S，这现在通常是扫描仪在用的2.5.2 SCSI-2 :类似SCSI-1，但是可以支持同时连接7个装置，传 输速率为10-20MB/S，目前有CD-R、CD-ROM在使用。2.5.3 FaSt SCSI： 8位的通道宽度，使用双倍的频率，传输速率 为 10MB/S。2.5.4 Wide SCSI： 16位的通道宽度，传输速率为 20MB/S。2.5.5 ULTRA SCSI : 8位的通道宽度，传输速率为20MB/S，其允许 接口电缆的最大长度为 1.5 米。2.5.6 Ultra Wide SCSI : 16位的通道宽度，传输速率为40MB/S，其

13、 允许接口电缆的最大长度为 1.5 米。2.5.7 ULTRA 2 SCSI : 8位的通道宽度，其采用了 LVD（Low Voltage Differential，低电平微分）传输模式，传输速率为40MB/S，允许接口电缆的最长为12米，大大增加了设备的灵活性， 支持同时挂接 15 个装置。2.5.8 WIDE ULTRA 2 SCSI :它跟 Ultra 2 SCSI 差不多，也是采用LVD 传输模式，允许最长接口电缆为 12 米，可同时挂接 15 个装置， 不同于Ultra 2 SCSI，它有16位的通道宽度，因此传输速度为 80MB/S。2.5.9 Ultra 160 SCSI :支持

14、最高数据传输率为160MB/S。2.5.10 Ultra320 SCSI :支持最高数据传输达到了 320MB/S，是目前 最新的 SCSI 接口类型。2.5.11 Single Ended （单终结）：许多旧式设备都是单终结设备，它 们限制于 SCSI-1 协议的 6 米长度。注意:此距离包括设备内部电 缆的距离。2.5.12 Differential （分差动）：SCSI总线和设备可借助它来沿长传 输的距离，附加线的最大长度为 25 米。缺点是与单终结设备不兼容。STA术语最大总线速度MB/秒总线宽度单位bit最大总线长度单位（米） 最大支持设备设备数目单终结 LVD HVDSCSI-1

15、5 8 6 - 25 8FaSt SCSI 10 8 3 - 25 8FaSt Wide SCSI 20 16 3 - 25 16Ultra SCSI 20 8 1.5 - 25 8Ultra SCSI 20 8 3 - - 4Wide Ultra SCSI 40 16 - - 25 16Wide Ultra SCSI 40 16 1.5 - - 8Wide Ultra SCSI 40 16 3 - - 4Ultra2 SCSI 40 8 - 12 25 8Wide Ultra2 SCSI 80 16 - 12 25 16Ultra3 SCSI 160 16 - 12 - 162.6小结SCS

16、I的优点与缺点SCSI 接口优点：适应面广，在一块SCSI控制卡上就可以同时挂接15个设备高性能（具有很多任务、宽带宽及少CPU占用率等特点） 具有外置和内置两种SCSI 接口缺点： 价格昂贵 安装复杂第3章什么是Fibre Channel （光纤通道）3.1 概述光纤通道是一种跟SCSI或IDE有很大不同的接口，它很像以太网的转换开头。以前它是专为网络设计得，后来随着存储器对高带宽的需 求，慢慢移植到现在的存储系统上来了。光纤通道通常用于连接一个 SCSI RAID (或其它一些比较常用的RAID类型)，以满足高端工作 或服务器对高数据传输率的要求。3.2 光纤的特点光纤现在能提供 100MBps 的实际带宽，而它的理论极限值为