磁盤陣列(Disk Array)原理

磁盤陣列(Disk Array)原理

來源：上海數据恢复

1.為什么需要磁盤陣列?

　　如何增加磁盤的存取(access)速度,如何防止數据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扰;而大容量磁盤的价格非常昂貴,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。

　　過去十几年來,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,而數据儲存裝置--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体性能(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种。一是磁盤快取控制(disk cache controller),它將從磁盤讀取的數据存在快取內存(cache memory)中以減少磁盤存取的次數,數据的讀寫都在快取內存中進行,大幅增加存取的速度,如要讀取的數据不在快取內存中,或要寫數据到磁盤時,才做磁盤的存取動作。這种方式在單工環境(single- tasking envioronment)如DOS之下,對大量數据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(因為要不停的作數据交換(swapping) 的動作)或數据庫(database)的存取(因為每一記錄都很小)就不能顯示其性能。這种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,它將數据以分段(striping)的方式儲存在不同的磁盤中,存取數据時,陣列中的相關磁盤一起動作,大幅減低數据的存取時間,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,以解決數据安全

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异,提高電腦的整体工作性能。

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代表一种技術,目前業界公認的標准是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,至于要選擇那一种RAID level的產品,純視用戶的操作環境(operating environment)及應用(application)而定,与level的高低沒有必然的關系。

RAID 0及RAID 1适用于PC及PC相關的系統如小型的网絡服務器(network server)及需要高磁盤容量与快速磁盤存取的工作站等,比較便宜;RAID 3及RAID 4适用于大型電腦及影像、CAD/CAM等處理;RAID 5多用于OLTP（在線事務處理）,因有金融机构及大型數据處理中心的迫切需要,故使用較多而較有名气, RAID 2較少使用,其他如RAID 6,RAID 7,乃至RAID 10等,都是厂商各做各的,并無一致的標准,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,能确切的表示disk spanning這种技術的含義。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,用戶不必規划數据在各磁盤的分布,而且提高了磁盤空間的使用率。并使磁盤容量几乎可作無限的延伸;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的各种技術。