第3章 存储和网络传输

第3章  存储和网络传输

3.1  存储基础

3.1.1  RAID基础知识（1）

RAID（独立冗余磁盘阵列是）指由多个独立硬盘结合形成的一个较大的逻辑阵列。数据存储在磁盘的此阵列并带有附加的冗余信息。冗余信息可以是数据 本身（镜像），也可以是从多个数据块（RAID4或RAID5）计算出的奇偶校验信息。使用RAID后，操作系统（Windows、NetWare或 UNIX）不再单独处理单个硬盘，而是把整个磁盘阵列作为一个逻辑磁盘来处理。

RAID 的主要目标是提高数据的可用性和安全性。一旦出现硬盘故障，RAID可以防止停机，但是它不可以恢复用户删除或者由失窃或火灾等重大事件破坏的数据。出于此原因，安装 RAID后，为防止这些原因破坏系统，必须经常备份数据。

实施RAID解决方案有两种方法。其一，硬件RAID控制器是智能设备，可以自行处理所有的RAID信息。安装这种系统后，主机对RAID阵列的控 制完全解除，而是由 RAID 控制器对RAID阵列进行全面控制。另一种方法是使用简易的主适配器和RAID驱动程序实施RAID。在这种系统中，驱动程序被集成到操作系统中，如 Windows NT。此时，RAID系统的性能完全依赖于主 CPU 的处理负荷，在阵列重建阶段负荷带有潜在的问题，随之会出现硬盘故障。

硬件RAID控制器需要关注的地方包括安装和维护的简便性、管理软件的功能及制造商开发RAID组件的经验。RAID控制器必须支持最重要的RAID级别（0、1、4、5和10），并且能够跨通道同时处理不同RAID级别的多个阵列。

RAID级别--驱动器是如何组织：RAID的各个层次在阵列驱动器之间以不同方式分布数据，并依具体情况进行优化。根据目标，计划集中在当今是最常用的RAID级别。

1．RAID 0

此RAID级别使两个或更多硬盘驱动器以某种方式结合，如图3-1所示，数据（深色存储区的A、B、C、D……）从上方被分割成便于处理的块，这些 块以条带形式分布于不同驱动器的RAID 0阵列。这样，两个或更多硬盘驱动器组合后，读/写（尤其是序列性访问读写）性能可以改善，但是由于其中不储存冗余信息，对于一个，RAID 0阵列，如果一个硬盘驱动器发生故障，所有数据都会丢失。因此，RAID 0通常不能在安全性较高的服务器上使用。

特点和优点：RAID 0中，数据被分成块，每个块都被写到一个驱动器中。由于I/O负载由多个通道和驱动器分担，所以I/O性能很高。当使用多个控制器且每个控制器上只连接一个驱动器时，性能达到最高。没有使用奇偶校验，设计简单、容易实现。

缺点：由于没有冗余，所以并不是真正的RAID。其中任一个磁盘发生故障，所有数据将丢失。

应用：通常用于工作站临时数据并要求高传输速率，如图像或视频等领域。

2．RAID 1

RAID 1，又称镜像，即每个工作盘都有一个镜像盘，如图3-2所示，每次写数据时必须同时写入镜像盘，读数据时只从工作盘读出，一旦工作盘发生故障立即转入镜像 盘，从镜像盘中读出数据。当更换故障盘后，数据可以重构、恢复。这种阵列可靠性很高，但其有效容量减小到总容量的一半以下时，两个磁盘驱动器共享一个 SCSI通道。 如果每个磁盘驱动器连接到一个独立的 SCSI通道，称之为"磁盘双工"（附加安全性）。

图3-1  RAID 0原理示意图

3．RAID 2 RAID 2又称位交叉，它采用汉明码做盘错校验，采用按位交叉存取，运用于大数据的读写，但冗余信息开销太大（校验盘为多个），已被淘汰。 4．RAID 3 RAID 3为单盘容错并行传输，即采用Stripping技术将数据分块，对这些块进行异或校验，校验数据写到最后一个硬盘上。它的特点是有一个盘为校验盘，数据 以位或字节的方式存于各盘中（分散记录在组内相同扇区的各个硬盘上）。当一个硬盘发生故障时，除故障盘外，写操作将继续对数据盘和校验盘进行操作。而读操 作是通过对剩余数据盘和校验盘的异或计算重构故障盘上应有的数据来进行的。在RAID 3中，数据块被拆分写到数据盘中，在写入时计算校验和并将校验和写到校验盘中，在读取数据时同时读取校验和。 优点：并行I/O传输和单盘容错，具有很高可靠性、非常高的读取速率和非常高的写入速率。驱动器失败对数据吞吐没什么影响，ECC盘与数据盘的比率较低，意味着利用率较高。 缺点：每次读写要牵动整个组，每次只能完成一次I/O，理想处理能力与单驱动器相同。控制器的设计非常复杂，要使用软件组件非常困难，非常耗费资源。 推荐的应用：视频制作和在线视频流、图像编辑、视频编辑、印刷应用、任何需要大吞吐量的场合。 5．RAID 4 RAID 4与RAID 3相似，区别是RAID 3是按位或字节交叉存取，而RAID 4是按块（扇区）存取，如图3-3所示，可以单独地对某个盘进行操作，无须像RAID 3那样，每一次I/O操作都要涉及全组，RAID 4只需涉及组中两块硬盘（一块数据盘，一块校验盘）即可，从而提高了小量数据I/O速度。 缺点：对于随机分散的小数据量I/O，固定的校验盘又成为I/O瓶颈，例如：事务处理。做两个很小的写操作，一个写在硬盘2（drive2）的条带 1（stripe1）上，一个写在硬盘3（drive3）的条带2（stripe2）上，它们都要往校验盘上写，所以会发生争用校验盘的问题。   图3-3  RAID 4原理示意图 优点：可用性高,即使一个磁盘发生故障，逻辑硬盘上的数据依然可用；很好地利用了磁盘容量（N个磁盘的阵列，N-1用于数据存储）。 缺点：必须计算冗余信息,这样就限制了写入性能。 应用：由于安装容量与实际可用容量的比率较高，通常用于较大的数据存储系统。 6．RAID 5 RAID 5是一种旋转奇偶校验独立存取的阵列方式，它与RAID 3、RAID 4不同的是没有固定的校验盘，而是按某种规则分布在阵列所属的硬盘上，所以在每块硬盘上，既有数据信息也有校验信息，如图3-4所示。这一改变解决了争用 校验盘的问题，使得在同一组内并发进行多个写操作。所以RAID 5既适用于大数据量的操作，也适用于各种事务处理，它是一种快速、大容量和容错分布合理的磁盘阵列。可用容量为（n-1）/n的总磁盘容量（n为磁盘 数）。   图3-4  RAID 5原理示意图 RAID 5把奇偶位信息分散分布在硬盘子系统的所有硬盘上而不是使用专用的校验盘0，这就改善了上述RAID 3中的奇偶盘瓶颈效应。图3-4说明了RAID 5的一种配置，图3-4中奇偶信息散布在子系统的每个硬盘上。利用每个硬盘的一部分来组成校验盘，写入硬盘的奇偶位信息将较均匀地分布在所有硬盘上。所以 用户可能把一个数据段写在硬盘A，而将奇偶信息写在硬盘B，第二个用户可能把数据写在硬盘C，而奇偶信息写在硬盘D，从而使得RAID 5的性能得到提高。 这种方法将提高硬盘子系统的事务处理速度。所谓事务处理，是指处理不同用户的多个硬盘I/O操作，由于可能有很多用户迅速向硬盘写入数据，有时几乎是同时进行的，这种情况下，用分布式奇偶盘的方式比起用专用奇偶盘，瓶颈效应发生的可能性要小。 对硬盘操作来说，RAID 5的写性能比不上直接硬盘分段（指没有校验信息的RAID 0），因为产生或存储奇偶码需要一些额外操作。例如，在修改一个硬盘上的数据时，其他盘上对应的数据段（即使是无关的数据）也要读入主机，以便产生必要的 奇偶信息。奇偶段产生后（这要花一些时间），要将更新的数据段和奇偶段写入硬盘，这通常称为读－修改－写策略。因此，虽然RAID 5比RAID 0优越，但就写性能来说，RAID 5不如RAID 0。 优点：可用性高，即使一个磁盘发生故障，逻辑硬盘上的数据依然可用。很好地利用了磁盘容量（N个磁盘的阵列，N-1用于数据存储）。 缺点：必须计算冗余信息，这样就限制了写入性能。 应用：文件和程序服务器，数据库服务器，Web、E-mail和新闻服务器，企业内部互联网。

图3-2  RAID 1原理示意图

其特点如下。

RAID 1的每一个磁盘都具有一个对应的镜像盘，任何时候数据都同步镜像，系统可以从一组镜像盘中的任何一个磁盘读取数据。

磁盘所能使用的空间只有磁盘容量总和的一半，系统成本高。

只要系统中任何一对镜像盘中至少有一块磁盘可以使用，在一半数量的硬盘出现问题时系统都可以正常运行。

出现硬盘故障的RAID系统不再可靠，应当及时更换损坏的硬盘，否则如果剩余的镜像盘也出现问题，那么整个系统就会崩溃。

更换新盘后原有数据会需要很长时间同步镜像，外界对数据的访问不会受到影响，只是这时整个系统的性能有所下降。

RAID 1磁盘控制器的负载相当大，用多个磁盘控制器可以提高数据的安全性和可用性。

应用：通常用于对容错要求极严的应用场合，如财政、金融等领域。

7．RAID 10

RAID 10综合了RAID 0（性能）和RAID 1（数据安全）。与RAID 4和RAID 5不同,它不用计算奇偶校验信息。RAID 10磁盘阵列提供了良好的性能和数据安全性。类似于RAID 0，在较高序列负载条件下可以保证最佳性能。与RAID 1相同，50%的安装容量被用作冗余，如图3-5所示。

优点：可用性高，即使一个磁盘发生故障，逻辑硬盘上的数据依然可用；良好的写入性能。

缺点：需要偶数个磁盘，最少4个，只有一半的磁盘容量可用。

应用：通常用于需要较高序列写入性能的场合。

图3-5  RAID 10原理示意图