磁盤陣列技術白皮書
目 錄
磁盤陣列基本知識 4
1．1 磁盤陣列技術 4
1．1．1 什么是磁盤陣列 4
1．1．2 磁盤陣列的工作原理與特征 4
1．1．3 磁盤陣列優點 5
1．2 SCSI技術 6
1．2．1 概述 6
1．2．2 SCSI接口類型 6
1．2．3 SCSI ID 6
1．2．4 總線終結器 7
1．2．5 SCSI規格公用的幾個標準術語解釋： 7
1．2．6 SCSI的優點與缺點 9
1．3 Fibre 技術 9
1．3．1 概述 9
1．3．2 光纖的特點 9
1．3．3 光纖的優點與缺點 10
1．4 RAID技術 11
1．4．1 概述 11
1．4．2 RAID類型 11
1．4．2．1 邏輯驅動器（logical drives）： 11
1．4．2．2 邏輯容量（logical volume）: 11
1．4．2．3 RAID的級別 12
1．4．3 RAID技術的應用 17
1．4．3．1 DAS –direct access storage device 直接訪問存儲設備 17
1．4．3．2 NAS --Network Attached Storage 網絡附加存儲設備 17
1．4．4．3 SAN --Storage Area Networks 存儲區域網 17
磁盤陣列基本知識
1．1 磁盤陣列技術
1．1．1 什么是磁盤陣列
磁盤陣列是一種把若干硬磁盤驅動器按照一定要求組成一個整體，整個磁盤陣列由陣列控制器管理的系統。
冗余磁盤陣列RAID(Redundant Array of Independent Disks)技術1987年由加州大學伯克利分校提出，最初的研制目的是為了組合小的廉價磁盤來代替大的昂貴磁盤，以降低大批量數據存儲的費用（當時RAID稱為Redundant Array of Inexpensive Disks 廉價的磁盤陣列），同時也希望采用冗余信息的方式，使得磁盤失效時不會使對數據的訪問受損失，從而開發出一定水平的數據保護技術。
1．1．2 磁盤陣列的工作原理與特征
RAID的基本結構特征就是組合(Striping)，捆綁2個或多個物理磁盤成組，形成一個單獨的邏輯盤。組合套(Striping Set)是指將物理磁盤組捆綁在一塊兒。在利用多個磁盤驅動器時，組合能夠提供比單個物理磁盤驅動器更好的性能提升。
數據是以塊(Chunks)的形式寫入組合套中的，塊的尺寸是一個固定的值，在捆綁過程實施前就已選定。塊尺寸和平均I/O需求的尺寸之間的關系決定了組合套的特性。總的來說，選擇塊尺寸的目的是為了最大程度地提高性能，以適應不同特點的計算環境應用。
實際的計算環境依據其不同的特點，可被劃分為轉換速率密集(Transfer Rate Intensive)環境或需求速率密集(Request Rate Intensive)，
一個計算環境若通常服務于小的用戶數量和大的I/O需求，可以被認為是轉換速率密集環境，工程學和科學應用屬于轉換速率密集，例如CAM/CAD、圖象處理和數據集合等。
一個計算環境，如果它是自然存在的多用戶或在線交易系統(OLTP)，可以被認為是一個標準的需求速率密集, 交互式的數據庫應用能產生大量的小的I/O需求，由這些應用產生的I/O負荷可被稱為需求速率密集。具備獨立驅動器操作功能的組合套可提供對于需求速率密集環境來說高的性能。
對于轉換速率密集，I/O需求的尺寸比塊尺寸大得多，這樣可導致每一個I/O需求分布于所有驅動器，數據由組合套轉換的速率可以增加，因為所有的驅動器可并行地傳輸數據，這樣，組合套就象一個單磁盤一樣有非常高的容許速度。
需求速率密集中I/O需求尺寸比塊尺寸小很多，這將導致每一個I/O需求落于一個單個的驅動器中， 在這種情況下，由于有數個驅動器，陣列可同時處理數個需求，或者說比單磁盤快數倍。
一個單磁盤某一時刻只能滿足一個處理業務，一個轉換速率密集應用的陣列某一時刻雖也滿足一個處理業務，但能比單磁盤轉換數據速度快X倍(X是磁盤數)，一個需求速率密集應用的陣列可滿足的需求為單一磁盤的X倍，而其轉換數據的速率與單磁盤相同。
RAID的另一特征是具備數據校驗(Parity)功能，校驗可被描述為用于RAID級別2，3，4，5的額外的信息，當磁盤失效的情況發生時，校驗功能結合完好磁盤中的數據，可以重建失效磁盤上的數據。對于RAID系統來說，在任何有害條件下絕對保持數據的完整性(Data Integrity)是最基本的要求。數據完整性指的是陣列面對磁盤失效時保持數據不丟失的能力，由于數據的破壞通常會帶來災難性的后果，所以選擇RAID陣列的基礎條件是它能提供什么級別的數據完整性。
此外，數據可用性(Data Availability)也是RAID系統的指標之一，數據可用性指的是陣列內部容錯能力的水平，數據可用性程度越高，可被理解為當發生越多的部件失效時而數據訪問仍不丟失。一個RAID陣列能提供的高可用性級別范圍可從簡單的磁盤冗余到所有部件的冗余性。當選擇一個陣列時，重要的是了解所選的設備是否能夠滿足期望的可使用時間目標。
RAID陣列能夠適應不同環境，在不同類型的主機之間以及操作系統之間移動一個RAID陣列的能力越高，一般說來，可帶來更好的投資保護。
1．1．3 磁盤陣列優點
磁盤陣列有許多優點：首先，提高了存儲容量；其次，多臺磁盤驅動器可并行工作，提高了數據傳輸率；第三，由于有校驗技術，提高了可靠性：如果陣列中有一臺硬磁盤損壞，利用其它盤可以重新恢復出損壞盤上原來的數據，而不影響系統的正常工作，并可以在帶電狀態下更換已損壞的硬盤（即熱插拔功能），陣列控制器會自動把重組數據寫入新盤，或寫入熱備份盤而將新盤用做新的熱備份盤；另外磁盤陣列通常配有冗余設備，如電源和風扇，以保證磁盤陣列的散熱和系統的可靠性。因其獨特的特征和可靠的性能被廣泛地應用于多個行業，如：ISP、醫學影像、銀行等在線處理業務部門、影像服務器、石油工業、關鍵部門的數據中心、多媒體和數據庫應用等。
對于磁盤失效的保護通過RAID技術已經成功地實現，但RAID陣列降低數據存儲費用的目的沒有達到，實際上，RAID陣列的價格通常比標準的磁盤驅動器更高一些。
盡管如此，RAID技術確實提供了比通常的磁盤存儲更高的性能指標、數據完整性和數據可用性，尤其是在當今面臨的I/O總是滯后于CPU性能的瓶頸問題越來越突出的情況下，RAID解決方案能夠有效地彌補這個缺口。
1．2 SCSI技術
1．2．1 概述
SCSI直譯為小型計算機系統專用接口(Small Computer System Interface)是一種連結主機和外圍設備的接口，支持包括磁盤驅動器、磁帶機、光驅、掃描儀在內的多種設備。它由SCSI控制器進行數據操作，SCSI控制器相當于一塊小型CPU，有自己的命令集和緩存。要了解SCSI，必須先了解它的類型，以下是STA（SCSI Trade Association，SCSI同業公會）的標準分類。
1．2．2 SCSI接口類型
SCSI連接器分為內置和外置兩種，內置數據線的外型和IDE數據線一樣，只是針數和規格稍有差別，主要用于連接光驅和硬盤。40針IDE線有40根導線，40針ATA66有80根導線，SCSI內置則分為50針、68針和80針。至于SCSI外置數據線，就有以多種規格，它們的密度均不相同，千萬別弄錯了。
1．2．3 SCSI ID
相信許多SCSI用戶都有這種經歷，插上設備之后，操作系統怎樣也不認，后來檢查總線，才發現是終結和ID沒有設置好。ID（identify）作為SCSI設備在SCSI總線的唯一識別符，絕對不允許重復，可選范圍從0到15，SCSI主控制器通常占用id 7，即是說我們可以用在設備上的ID號共有15個。
在SCSI總線中，控制器也算一個設備， 即實際最大可連接設備數目 = 理論最大支持設備數目-1。
1．2．4 總線終結器
總線終結器能告訴SCSI主控制器整條總線在何處終結，并發出一個反射信號給控制器，必須在兩個物理終端作一個終結信號才能使用SCSI總線。常見的錯誤是把終結設置在ID號最高或最低的地方，而不是設置在物理終端的SCSI設備上。其實，SCSI設備總是以鏈形來連接的，按順序就能分辨出哪一個是終結設備。
終結的方式有三種：自終結設備、物理總線終結器和自終結電纜。大多數新型SCSI設備都有自終結跳線，只要把非終結設備的自終結跳線設置成OFF即可避免沖突問題；物理總線終結器是一種硬件接頭，又分為主動型和被動型兩種，主動型使用電壓調整器來進行操作，被動型利用總線上的能源信號來操作，被動型比主動型更為精確；自終結電纜可以代替物理總線終結器，也是一種硬件，它的價格非常昂貴，常用于兩個主機連接同一個物理設備，如：兩個服務器存取同一個物理SCSI硬盤。
通過檢查SCSI ID和總線終結器，我們可以找出大多數沖突現象的解決方法，這是SCSI設備用戶必須重視的一點。
1．2．5 SCSI規格公用的幾個標準術語解釋：
SCSI-1：它是最早SCSI，特點是：支持同步和異步SCSI外圍設備，支持7臺8位的外圍設備，使用8位的通道寬度，傳輸速率為4MB/s，這現在通常是掃描儀在用的
SCSI-2：類似SCSI-1，但是可以支持同時連接7個裝置，傳輸速率為 10-20MB/s，目前有CD-R、CD-ROM在使用。
Fast SCSI：8位的通道寬度，使用雙倍的頻率，傳輸速率為 10MB/s。
Wide SCSI：16位的通道寬度，傳輸速率為20MB/s。
ULTRA SCSI：8位的通道寬度，傳輸速率為20MB/s，其允許接口電纜的最大長度為1.5米。
Ultra Wide SCSI：16位的通道寬度，傳輸速率為40MB/s，其允許接口電纜的最大長度為1.5米。
ULTRA 2 SCSI：8位的通道寬度，其采用了LVD（Low Voltage Differential，低電平微分）傳輸模式,傳輸速率為40MB/s，允許接口電纜的最長為12米，大大增加了設備的靈活性，支持同時掛接15個裝置。
WIDE ULTRA 2 SCSI：它跟Ultra 2 SCSI差不多，也是采用LVD傳輸模式，允許最長接口電纜為12米，可同時掛接15個裝置，不同于Ultra 2 SCSI，它有16位的通道寬度，因此傳輸速度為80MB/s。
Ultra 160 SCSI：支持最高數據傳輸率為160MB/s。
Ultra320 SCSI：支持最高數據傳輸達到了320MB/s，是目前最新的SCSI接口類型。
Single Ended（單終結）：許多舊式設備都是單終結設備，它們限制于 SCSI-1協議的6米長度。注意：此距離包括設備內部電纜的距離。
Differential（分差動）：SCSI總線和設備可借助它來延長傳輸的距離，附加線的最大長度為25米。缺點是與單終結設備不兼容。
STA術語 最大總線速度
MB/秒 總線寬度
單位：bit 最大總線長度
單位（米） 最大支持設備設備數目
單終結 LVD HVD
SCSI–1 5 8 6 - 25 8
Fast SCSI 10 8 3 - 25 8
Fast Wide SCSI 20 16 3 - 25 16
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