磁盤陣列技術(shù)白皮書
目 錄
磁盤陣列基本知識 4
1．1 磁盤陣列技術(shù) 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(yōu)點 5
1．2 SCSI技術(shù) 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(jié)器 7
1．2．5 SCSI規(guī)格公用的幾個標準術(shù)語解釋： 7
1．2．6 SCSI的優(yōu)點與缺點 9
1．3 Fibre 技術(shù) 9
1．3．1 概述 9
1．3．2 光纖的特點 9
1．3．3 光纖的優(yōu)點與缺點 10
1．4 RAID技術(shù) 11
1．4．1 概述 11
1．4．2 RAID類型 11
1．4．2．1 邏輯驅(qū)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(shù)的應用 17
1．4．3．1 DAS –direct access storage device 直接訪問存儲設(shè)備 17
1．4．3．2 NAS --Network Attached Storage 網(wǎng)絡(luò)附加存儲設(shè)備 17
1．4．4．3 SAN --Storage Area Networks 存儲區(qū)域網(wǎng) 17
磁盤陣列基本知識
1．1 磁盤陣列技術(shù)
1．1．1 什么是磁盤陣列
磁盤陣列是一種把若干硬磁盤驅(qū)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(tǒng)。
冗余磁盤陣列RAID(Redundant Array of Independent Disks)技術(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的訪問受損失，從而開發(fā)出一定水平的數(shù)據(jù)保護技術(shù)。
1．1．2 磁盤陣列的工作原理與特征
RAID的基本結(jié)構(gòu)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(qū)動器時，組合能夠提供比單個物理磁盤驅(qū)動器更好的性能提升。
數(shù)據(jù)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(guān)系決定了組合套的特性�？偟膩碚f，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(huán)境應用。
實際的計算環(huán)境依據(jù)其不同的特點，可被劃分為轉(zhuǎn)換速率密集(Transfer Rate Intensive)環(huán)境或需求速率密集(Request Rate Intensive)，
一個計算環(huán)境若通常服務(wù)于小的用戶數(shù)量和大的I/O需求，可以被認為是轉(zhuǎn)換速率密集環(huán)境，工程學和科學應用屬于轉(zhuǎn)換速率密集，例如CAM/CAD、圖象處理和數(shù)據(jù)集合等。
一個計算環(huán)境，如果它是自然存在的多用戶或在線交易系統(tǒng)(OLTP)，可以被認為是一個標準的需求速率密集, 交互式的數(shù)據(jù)庫應用能產(chǎn)生大量的小的I/O需求，由這些應用產(chǎn)生的I/O負荷可被稱為需求速率密集。具備獨立驅(qū)動器操作功能的組合套可提供對于需求速率密集環(huán)境來說高的性能。
對于轉(zhuǎn)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(qū)動器，數(shù)據(jù)由組合套轉(zhuǎn)換的速率可以增加，因為所有的驅(qū)動器可并行地傳輸數(shù)據(jù)，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(qū)動器中， 在這種情況下，由于有數(shù)個驅(qū)動器，陣列可同時處理數(shù)個需求，或者說比單磁盤快數(shù)倍。
一個單磁盤某一時刻只能滿足一個處理業(yè)務(wù)，一個轉(zhuǎn)換速率密集應用的陣列某一時刻雖也滿足一個處理業(yè)務(wù)，但能比單磁盤轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)速度快X倍(X是磁盤數(shù))，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(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的速率與單磁盤相同。
RAID的另一特征是具備數(shù)據(jù)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(fā)生時，校驗功能結(jié)合完好磁盤中的數(shù)據(jù)，可以重建失效磁盤上的數(shù)據(jù)。對于RAID系統(tǒng)來說，在任何有害條件下絕對保持數(shù)據(jù)的完整性(Data Integrity)是最基本的要求。數(shù)據(jù)完整性指的是陣列面對磁盤失效時保持數(shù)據(jù)不丟失的能力，由于數(shù)據(jù)的破壞通常會帶來災難性的后果，所以選擇RAID陣列的基礎(chǔ)條件是它能提供什么級別的數(shù)據(jù)完整性。
此外，數(shù)據(jù)可用性(Data Availability)也是RAID系統(tǒng)的指標之一，數(shù)據(jù)可用性指的是陣列內(nèi)部容錯能力的水平，數(shù)據(jù)可用性程度越高，可被理解為當發(fā)生越多的部件失效時而數(shù)據(jù)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(shè)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(huán)境，在不同類型的主機之間以及操作系統(tǒng)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(yōu)點
磁盤陣列有許多優(yōu)點：首先，提高了存儲容量；其次，多臺磁盤驅(qū)動器可并行工作，提高了數(shù)據(jù)傳輸率；第三，由于有校驗技術(shù)，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(shù)據(jù)，而不影響系統(tǒng)的正常工作，并可以在帶電狀態(tài)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(shù)據(jù)寫入新盤，或?qū)懭霟醾浞荼P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(shè)備，如電源和風扇，以保證磁盤陣列的散熱和系統(tǒng)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(yè)，如：ISP、醫(yī)學影像、銀行等在線處理業(yè)務(wù)部門、影像服務(wù)器、石油工業(yè)、關(guān)鍵部門的數(shù)據(jù)中心、多媒體和數(shù)據(jù)庫應用等。
對于磁盤失效的保護通過RAID技術(shù)已經(jīng)成功地實現(xiàn)，但RAID陣列降低數(shù)據(jù)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(qū)動器更高一些。
盡管如此，RAID技術(shù)確實提供了比通常的磁盤存儲更高的性能指標、數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)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(shù)
1．2．1 概述
SCSI直譯為小型計算機系統(tǒng)專用接口(Small Computer System Interface)是一種連結(jié)主機和外圍設(shè)備的接口，支持包括磁盤驅(qū)動器、磁帶機、光驅(qū)、掃描儀在內(nèi)的多種設(shè)備。它由SCSI控制器進行數(shù)據(jù)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(yè)公會）的標準分類。
1．2．2 SCSI接口類型
SCSI連接器分為內(nèi)置和外置兩種，內(nèi)置數(shù)據(jù)線的外型和IDE數(shù)據(jù)線一樣，只是針數(shù)和規(guī)格稍有差別，主要用于連接光驅(qū)和硬盤。40針I(yè)DE線有40根導線，40針ATA66有80根導線，SCSI內(nèi)置則分為50針、68針和80針。至于SCSI外置數(shù)據(jù)線，就有以多種規(guī)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(jīng)歷，插上設(shè)備之后，操作系統(tǒng)怎樣也不認，后來檢查總線，才發(fā)現(xiàn)是終結(jié)和ID沒有設(shè)置好。ID（identify）作為SCSI設(shè)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(shè)備上的ID號共有15個。
在SCSI總線中，控制器也算一個設(shè)備， 即實際最大可連接設(shè)備數(shù)目 = 理論最大支持設(shè)備數(shù)目-1。
1．2．4 總線終結(jié)器
總線終結(jié)器能告訴SCSI主控制器整條總線在何處終結(jié)，并發(fā)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(jié)信號才能使用SCSI總線。常見的錯誤是把終結(jié)設(shè)置在ID號最高或最低的地方，而不是設(shè)置在物理終端的SCSI設(shè)備上。其實，SCSI設(shè)備總是以鏈形來連接的，按順序就能分辨出哪一個是終結(jié)設(shè)備。
終結(jié)的方式有三種：自終結(jié)設(shè)備、物理總線終結(jié)器和自終結(jié)電纜。大多數(shù)新型SCSI設(shè)備都有自終結(jié)跳線，只要把非終結(jié)設(shè)備的自終結(jié)跳線設(shè)置成OFF即可避免沖突問題；物理總線終結(jié)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(diào)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(jié)電纜可以代替物理總線終結(jié)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(shè)備，如：兩個服務(wù)器存取同一個物理SCSI硬盤。
通過檢查SCSI ID和總線終結(jié)器，我們可以找出大多數(shù)沖突現(xiàn)象的解決方法，這是SCSI設(shè)備用戶必須重視的一點。
1．2．5 SCSI規(guī)格公用的幾個標準術(shù)語解釋：
SCSI-1：它是最早SCSI，特點是：支持同步和異步SCSI外圍設(shè)備，支持7臺8位的外圍設(shè)備，使用8位的通道寬度，傳輸速率為4MB/s，這現(xiàn)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(shè)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(shù)據(jù)傳輸率為160MB/s。
Ultra320 SCSI：支持最高數(shù)據(jù)傳輸達到了320MB/s，是目前最新的SCSI接口類型。
Single Ended（單終結(jié)）：許多舊式設(shè)備都是單終結(jié)設(shè)備，它們限制于 SCSI-1協(xié)議的6米長度。注意：此距離包括設(shè)備內(nèi)部電纜的距離。
Differential（分差動）：SCSI總線和設(shè)備可借助它來延長傳輸?shù)木嚯x，附加線的最大長度為25米。缺點是與單終結(jié)設(shè)備不兼容。
STA術(shù)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(shè)備設(shè)備數(shù)目
單終結(jié) 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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資源大小：485.84 KB 
