磁盘阵列的原理及相关知识

1. 为什么需要磁盘阵列？
　　如何增加磁盘的存取（access）速度，如何防止数据因磁盘的故障而失落及如何有效的利用磁盘空间，一直是电脑专业人员和用户的困扰；而大容量磁盘的价格非常昂贵，对用户形成很大的负担。磁盘阵列技术的产生一举解决了这些问题。

　　过去十年来，CPU的处理速度几乎是几何级数的跃升，内存（memory）的存取速度亦大幅增加，而数据储存装置——主要是磁盘——的存取速度相较之下，较为缓慢，整个I/O吞吐量不能系统匹配，形成电脑系统的瓶颈，拉低了电脑系统的整体性能（throughput），若不能有效的提升磁盘的存取速度，CPU、内存及磁盘间的不平衡将使CPU及内存的改进形成浪费。

　　目前改进磁盘存取速度的方式主要有两种：一是磁盘快取控制（disk cache controller），它将从磁盘读取的数据存在快取内存（cache memory）中以减少磁盘存取的速度，如要读取的数据在在快取内存中，或要写数据到磁盘时，才做磁盘的存取动作。这种方式在单工环境如DOS之下，对大量数据的存取有很好的性能（量小且频繁的存取则不然），但在多工(multi-tasking)环境之下（因为要不停的作数据交换——swapping——的动作）或数据库的存取（因为每一记录都很小）就不能显示其性能。这种方式没有任何安全保障。

　　其二是使用磁盘阵列的技术。磁盘阵列是把多个磁盘组成一个阵列，当作单一磁盘使用，它将数据以分段（striping）的方式储存在不同的磁盘中，存取数据时，阵列中的相关磁盘一起动作，大幅减低数据的存取时间，同时有更佳的空间利用率。磁盘阵列所利用的不同的技术，称为RAID Level，不同的level针对不同的系统及应用，以解决数据安全的问题。

　　一般高性能的磁盘阵列都是以硬件的形式来达成，进一步地把磁盘快取控制及磁盘阵列结合在一个控制器（RAID Controller）或控制卡上，针对不同的用户解决众对磁盘输出输入系统的四大要求：

　　（1） 增加存取速度；

　　（2） 容错（fault tolerance），即安全性；

　　（3） 有效地利用磁盘空间；

　　（4） 尽量地平衡CPU、内存及磁盘的性能差异，提高电脑的整体工作性能。

　　2．磁盘阵列原理
　　1987年，加州柏克大学的三位人员发表了名为“磁盘阵列研究”的论文，正式提到了RAID也就是磁盘阵列，论文提出廉价的5.25"及3.5"的硬盘也能如大机器上的8"盘般提供大容量、高性能和数据的一致性，并详述了RAID 1至5的技术。

　　磁盘阵列针对不同的应用使用不同技术，称为RAID Level, RAID是Redundant Array of Inexpensive Disks的缩写，而每一Level代表一种技术，目前业界公认的标准是RAID 0~RAID 5。这个level并不代表技术的高低，level 5并不高于level 3，level 1也不低过level 4，至于要选择那一种RAID level的产品，纯视用户的操作环境及应用而定，与level的高低没有必然的关系。RAID 0没有安全的保障，但其快速，所以适合高速I/O的系统；RAID 1适用于需安全性又要兼顾速度的系统，RAID 2及RAID 3适用于大型电脑及影像、CAD/CAM等处理；RAID 5多用于OLTP，因有金融机构及大型数据处理中心的迫切需要，故使用较多而较有名气，但也因此形成很多人对磁盘阵列的误解，以为磁盘阵列非要RAID 5不可；RAID 4较少使用，各RAID 5有其共同之处，但RAID 4适合大量数据的存取。其他如RAID 6，RAID7，乃至RAID 10，50，100等，都是厂商各做各的，并无一致的标准，在此不作说明。介绍各个RAID level之前，先看看形成磁盘阵列的两个基本技术：

　　磁盘延伸（Disk Spanning）:

　　译为磁盘延伸，能确切地表示disk spanning这种技术的含义。如下图所示，Oaraid?;磁盘阵列控制器，联接了四个磁盘：

　　磁盘1 磁盘2 磁盘3 磁盘4

　　这四个磁盘形成一个阵列，而磁盘阵列的控制器是将此四个磁盘视为单一的逻辑磁盘，如DOS环境下的C：盘。这是disk spanning的意义，把小容量的磁盘延伸为大容量的单一磁盘。因为电脑本身只把硬盘当作一储存空间，并不安排管理数据在硬盘的方式，磁盘阵列控制器会决定如何使用储存空间以得到最好的性能和数据的一致性。所以用户不必规划数据在磁盘的分布，而且提高磁盘空间的使用率。Oaraid?;的SCSI磁盘阵列更可连接几十个磁盘，形成数十GB到数百GB的阵列，使磁盘容量几乎可作无限的延伸；而各个磁盘一起作存取的动作，比单一磁盘更为快捷。很明显地由此阵列形成而产生RAID的各种技术。我们也可从上图看出inexpensive（便宜）的意义，四个500MB的磁盘比一个2GB的磁盘要便宜，因为以前大磁盘的价格非常昂贵，但在磁盘越来越便宜的今天，inexpensive已非磁盘阵列的重点，虽然对于需要大磁盘容量的系统，仍是考虑的要点。