第3章  存儲和網(wǎng)絡傳輸

3.1  存儲基礎

3.1.1  RAID基礎知識（1）

RAID（獨立冗余磁盤陣列是）指由多個獨立硬盤結合形成的一個較大的邏輯陣列。數(shù)據(jù)存儲在磁盤的此陣列并帶有附加的冗余信息。冗余信息可以是數(shù)據(jù) 本身（鏡像），也可以是從多個數(shù)據(jù)塊（RAID4或RAID5）計算出的奇偶校驗信息。使用RAID后，操作系統(tǒng)（Windows、NetWare或 UNIX）不再單獨處理單個硬盤，而是把整個磁盤陣列作為一個邏輯磁盤來處理。

RAID 的主要目標是提高數(shù)據(jù)的可用性和安全性。一旦出現(xiàn)硬盤故障，RAID可以防止停機，但是它不可以恢復用戶刪除或者由失竊或火災等重大事件破壞的數(shù)據(jù)。出于此原因，安裝 RAID后，為防止這些原因破壞系統(tǒng)，必須經(jīng)常備份數(shù)據(jù)。

實施RAID解決方案有兩種方法。其一，硬件RAID控制器是智能設備，可以自行處理所有的RAID信息。安裝這種系統(tǒng)后，主機對RAID陣列的控 制完全解除，而是由 RAID 控制器對RAID陣列進行全面控制。另一種方法是使用簡易的主適配器和RAID驅動程序實施RAID。在這種系統(tǒng)中，驅動程序被集成到操作系統(tǒng)中，如 Windows NT。此時，RAID系統(tǒng)的性能完全依賴于主 CPU 的處理負荷，在陣列重建階段負荷帶有潛在的問題，隨之會出現(xiàn)硬盤故障。

硬件RAID控制器需要關注的地方包括安裝和維護的簡便性、管理軟件的功能及制造商開發(fā)RAID組件的經(jīng)驗。RAID控制器必須支持最重要的RAID級別（0、1、4、5和10），并且能夠跨通道同時處理不同RAID級別的多個陣列。

RAID級別--驅動器是如何組織：RAID的各個層次在陣列驅動器之間以不同方式分布數(shù)據(jù)，并依具體情況進行優(yōu)化。根據(jù)目標，計劃集中在當今是最常用的RAID級別。

1．RAID 0

此RAID級別使兩個或更多硬盤驅動器以某種方式結合，如圖3-1所示，數(shù)據(jù)（深色存儲區(qū)的A、B、C、D……）從上方被分割成便于處理的塊，這些 塊以條帶形式分布于不同驅動器的RAID 0陣列。這樣，兩個或更多硬盤驅動器組合后，讀/寫（尤其是序列性訪問讀寫）性能可以改善，但是由于其中不儲存冗余信息，對于一個，RAID 0陣列，如果一個硬盤驅動器發(fā)生故障，所有數(shù)據(jù)都會丟失。因此，RAID 0通常不能在安全性較高的服務器上使用。

特點和優(yōu)點：RAID 0中，數(shù)據(jù)被分成塊，每個塊都被寫到一個驅動器中。由于I/O負載由多個通道和驅動器分擔，所以I/O性能很高。當使用多個控制器且每個控制器上只連接一個驅動器時，性能達到最高。沒有使用奇偶校驗，設計簡單、容易實現(xiàn)。

缺點：由于沒有冗余，所以并不是真正的RAID。其中任一個磁盤發(fā)生故障，所有數(shù)據(jù)將丟失。

應用：通常用于工作站臨時數(shù)據(jù)并要求高傳輸速率，如圖像或視頻等領域。

2．RAID 1

RAID 1，又稱鏡像，即每個工作盤都有一個鏡像盤，如圖3-2所示，每次寫數(shù)據(jù)時必須同時寫入鏡像盤，讀數(shù)據(jù)時只從工作盤讀出，一旦工作盤發(fā)生故障立即轉入鏡像 盤，從鏡像盤中讀出數(shù)據(jù)。當更換故障盤后，數(shù)據(jù)可以重構、恢復。這種陣列可靠性很高，但其有效容量減小到總容量的一半以下時，兩個磁盤驅動器共享一個 SCSI通道。 如果每個磁盤驅動器連接到一個獨立的 SCSI通道，稱之為"磁盤雙工"（附加安全性）。

圖3-1  RAID 0原理示意圖

3．RAID 2 RAID 2又稱位交叉，它采用漢明碼做盤錯校驗，采用按位交叉存取，運用于大數(shù)據(jù)的讀寫，但冗余信息開銷太大（校驗盤為多個），已被淘汰。 4．RAID 3 RAID 3為單盤容錯并行傳輸，即采用Stripping技術將數(shù)據(jù)分塊，對這些塊進行異或校驗，校驗數(shù)據(jù)寫到最后一個硬盤上。它的特點是有一個盤為校驗盤，數(shù)據(jù) 以位或字節(jié)的方式存于各盤中（分散記錄在組內相同扇區(qū)的各個硬盤上）。當一個硬盤發(fā)生故障時，除故障盤外，寫操作將繼續(xù)對數(shù)據(jù)盤和校驗盤進行操作。而讀操 作是通過對剩余數(shù)據(jù)盤和校驗盤的異或計算重構故障盤上應有的數(shù)據(jù)來進行的。在RAID 3中，數(shù)據(jù)塊被拆分寫到數(shù)據(jù)盤中，在寫入時計算校驗和并將校驗和寫到校驗盤中，在讀取數(shù)據(jù)時同時讀取校驗和。 優(yōu)點：并行I/O傳輸和單盤容錯，具有很高可靠性、非常高的讀取速率和非常高的寫入速率。驅動器失敗對數(shù)據(jù)吞吐沒什么影響，ECC盤與數(shù)據(jù)盤的比率較低，意味著利用率較高。 缺點：每次讀寫要牽動整個組，每次只能完成一次I/O，理想處理能力與單驅動器相同?？刂破鞯脑O計非常復雜，要使用軟件組件非常困難，非常耗費資源。 推薦的應用：視頻制作和在線視頻流、圖像編輯、視頻編輯、印刷應用、任何需要大吞吐量的場合。 5．RAID 4 RAID 4與RAID 3相似，區(qū)別是RAID 3是按位或字節(jié)交叉存取，而RAID 4是按塊（扇區(qū)）存取，如圖3-3所示，可以單獨地對某個盤進行操作，無須像RAID 3那樣，每一次I/O操作都要涉及全組，RAID 4只需涉及組中兩塊硬盤（一塊數(shù)據(jù)盤，一塊校驗盤）即可，從而提高了小量數(shù)據(jù)I/O速度。 缺點：對于隨機分散的小數(shù)據(jù)量I/O，固定的校驗盤又成為I/O瓶頸，例如：事務處理。做兩個很小的寫操作，一個寫在硬盤2（drive2）的條帶 1（stripe1）上，一個寫在硬盤3（drive3）的條帶2（stripe2）上，它們都要往校驗盤上寫，所以會發(fā)生爭用校驗盤的問題。   圖3-3  RAID 4原理示意圖 優(yōu)點：可用性高,即使一個磁盤發(fā)生故障，邏輯硬盤上的數(shù)據(jù)依然可用；很好地利用了磁盤容量（N個磁盤的陣列，N-1用于數(shù)據(jù)存儲）。 缺點：必須計算冗余信息,這樣就限制了寫入性能。 應用：由于安裝容量與實際可用容量的比率較高，通常用于較大的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。 6．RAID 5 RAID 5是一種旋轉奇偶校驗獨立存取的陣列方式，它與RAID 3、RAID 4不同的是沒有固定的校驗盤，而是按某種規(guī)則分布在陣列所屬的硬盤上，所以在每塊硬盤上，既有數(shù)據(jù)信息也有校驗信息，如圖3-4所示。這一改變解決了爭用 校驗盤的問題，使得在同一組內并發(fā)進行多個寫操作。所以RAID 5既適用于大數(shù)據(jù)量的操作，也適用于各種事務處理，它是一種快速、大容量和容錯分布合理的磁盤陣列?？捎萌萘繛椋╪-1）/n的總磁盤容量（n為磁盤 數(shù)）。   圖3-4  RAID 5原理示意圖 RAID 5把奇偶位信息分散分布在硬盤子系統(tǒng)的所有硬盤上而不是使用專用的校驗盤0，這就改善了上述RAID 3中的奇偶盤瓶頸效應。圖3-4說明了RAID 5的一種配置，圖3-4中奇偶信息散布在子系統(tǒng)的每個硬盤上。利用每個硬盤的一部分來組成校驗盤，寫入硬盤的奇偶位信息將較均勻地分布在所有硬盤上。所以 用戶可能把一個數(shù)據(jù)段寫在硬盤A，而將奇偶信息寫在硬盤B，第二個用戶可能把數(shù)據(jù)寫在硬盤C，而奇偶信息寫在硬盤D，從而使得RAID 5的性能得到提高。 這種方法將提高硬盤子系統(tǒng)的事務處理速度。所謂事務處理，是指處理不同用戶的多個硬盤I/O操作，由于可能有很多用戶迅速向硬盤寫入數(shù)據(jù)，有時幾乎是同時進行的，這種情況下，用分布式奇偶盤的方式比起用專用奇偶盤，瓶頸效應發(fā)生的可能性要小。 對硬盤操作來說，RAID 5的寫性能比不上直接硬盤分段（指沒有校驗信息的RAID 0），因為產(chǎn)生或存儲奇偶碼需要一些額外操作。例如，在修改一個硬盤上的數(shù)據(jù)時，其他盤上對應的數(shù)據(jù)段（即使是無關的數(shù)據(jù)）也要讀入主機，以便產(chǎn)生必要的 奇偶信息。奇偶段產(chǎn)生后（這要花一些時間），要將更新的數(shù)據(jù)段和奇偶段寫入硬盤，這通常稱為讀－修改－寫策略。因此，雖然RAID 5比RAID 0優(yōu)越，但就寫性能來說，RAID 5不如RAID 0。 優(yōu)點：可用性高，即使一個磁盤發(fā)生故障，邏輯硬盤上的數(shù)據(jù)依然可用。很好地利用了磁盤容量（N個磁盤的陣列，N-1用于數(shù)據(jù)存儲）。 缺點：必須計算冗余信息，這樣就限制了寫入性能。 應用：文件和程序服務器，數(shù)據(jù)庫服務器，Web、E-mail和新聞服務器，企業(yè)內部互聯(lián)網(wǎng)。

圖3-2  RAID 1原理示意圖

其特點如下。

RAID 1的每一個磁盤都具有一個對應的鏡像盤，任何時候數(shù)據(jù)都同步鏡像，系統(tǒng)可以從一組鏡像盤中的任何一個磁盤讀取數(shù)據(jù)。

磁盤所能使用的空間只有磁盤容量總和的一半，系統(tǒng)成本高。

只要系統(tǒng)中任何一對鏡像盤中至少有一塊磁盤可以使用，在一半數(shù)量的硬盤出現(xiàn)問題時系統(tǒng)都可以正常運行。

出現(xiàn)硬盤故障的RAID系統(tǒng)不再可靠，應當及時更換損壞的硬盤，否則如果剩余的鏡像盤也出現(xiàn)問題，那么整個系統(tǒng)就會崩潰。

更換新盤后原有數(shù)據(jù)會需要很長時間同步鏡像，外界對數(shù)據(jù)的訪問不會受到影響，只是這時整個系統(tǒng)的性能有所下降。

RAID 1磁盤控制器的負載相當大，用多個磁盤控制器可以提高數(shù)據(jù)的安全性和可用性。

應用：通常用于對容錯要求極嚴的應用場合，如財政、金融等領域。

7．RAID 10

RAID 10綜合了RAID 0（性能）和RAID 1（數(shù)據(jù)安全）。與RAID 4和RAID 5不同,它不用計算奇偶校驗信息。RAID 10磁盤陣列提供了良好的性能和數(shù)據(jù)安全性。類似于RAID 0，在較高序列負載條件下可以保證最佳性能。與RAID 1相同，50%的安裝容量被用作冗余，如圖3-5所示。

優(yōu)點：可用性高，即使一個磁盤發(fā)生故障，邏輯硬盤上的數(shù)據(jù)依然可用；良好的寫入性能。

缺點：需要偶數(shù)個磁盤，最少4個，只有一半的磁盤容量可用。

應用：通常用于需要較高序列寫入性能的場合。

圖3-5  RAID 10原理示意圖