詳細解說磁盤陣列
1.為什么需要磁盤陣列
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,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(throughput),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 environment)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(因為要不停地作數據交換(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 controller)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Redundant 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并不代表技術的高低,level 5并不高于level 3,level 1也不低過level 4,至于要選擇那一種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適用于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,因為比較便宜,但因一般人對磁盤陣列不了解,沒有看到磁盤陣列對他們價值,市場尚未打開;RAID 2及RAID 3適用于大型電腦及影像、CAD/CAM等處理;RAID 5多用于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,但也因此形成很多人對磁盤陣列的誤解,以為磁盤陣列非要RAID 5不可;RAID 4較少使用,因為兩者有其共同之處,而RAID 4有其先天的限制。其他如RAID 6,RAID 7,乃至RAID 10等,都是廠商各做各的,并無一致的標準,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。如下圖所示,DFTraid 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。DFTraid的SCSI磁盤陣列更可連接幾十個磁盤，形成數十GB到數百GB的陣列,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。我們也可從上圖看出inexpensive(便宜)的意義,因為四個250MBbytes的磁盤比一個1GBytes的磁盤要便宜,尤其以前大磁盤的價格非常昴貴,但在磁盤越來越便宜的今天,inexpensive已非磁盤陣列的重點,雖然對于需要大磁盤容量的系統,仍是考慮的要點。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,如下圖:
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。至于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,但除非數據小于一個扇區(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,若數據小于512bytes,系統讀取該扇區后,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,數據以分段于在不同的磁盤,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transfer 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,并有最佳的使用率)
Disk striping也稱為RAID 0,很多人以為RAID 0沒有甚么,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并行存取(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,但并不表示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(overlapping)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
從上圖可以看出:
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,并不見得造成負擔,況且RAID 1有最好的容錯(fault tolerance)能力,其效率也是除RAID 0之外最好的。我們可視應用的不同,在同一磁盤陣列中使用不同的RAID level,如華藝科技公司的DFTraid系列都可同一磁盤陣列中定義八個邏輯磁盤(logic disk),分別使用不同的RAID level,分為C:,D:及E:三個邏輯磁盤(或LUN0,LUN1,LUN2).
RAID 1完全做到了容錯包括不停機(non-stop),當某一磁盤發生故障,可將此磁盤拆下來而不影向其他磁盤的操作;待新的磁盤換上去之后,系統即時做鏡像,將數據重新復上去,RAID 1在容錯及存取的性能上是所有RAID level之冠。
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,并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。
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RAID 2
RAID 2是把數據分散為位元(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(access time),其總線(bus)是特別的設計,以大帶寬(band wide)并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,故小于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,并不適用于一般的多用戶環境、網絡服務器(network server),小型機或PC。
RAID 2的安全采用內存陣列(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);至于需要多少個額外的磁盤,則視其所采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,然后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,如下圖:
如某一磁盤故障,換上新的磁盤后,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并寫入新磁盤中;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,并不適用于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,如下圖:
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,因受限于校驗磁盤,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,第二個磁盤至后一個磁盤再折回第一個磁盤的分段是數據,然后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的性能并無如此理想,因為任何數據的修改,都要把同一parity block的所有數據讀出來修改后,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,至于用于PC等,不見得有最佳的性能。
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