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2008年4月26日 星期六

磁碟陣列的優點 原理

磁碟陣列的優點
A. 高傳輸速率
B. 高線上儲存容量
C. 高每秒I/O交易數量
D. 增加的資料可用性及高度系統穩定性
E. 大量資料快速及簡易管理
F. 降低維護及增加可用運時間


參. 磁碟陣列的原理
磁碟陣列為一群硬碟以單一虛擬硬碟的形式出現於系統中。於RAID控制
器中的軟體可以達成這種虛擬形式。
RAID的硬碟排列方式是使用部分的陣列儲存容量來儲存冗餘訊息。當陣
列中有一顆硬碟故障時該冗餘訊息能恢復使用者的資料。根據不同的陣列
型式,虛擬硬碟具有容錯、成本、性能方面、或這些因素結合的優勢。
肆. 磁碟陣列的型式
根據RAID層級而定,從0到5,較高的RAID層級不一定代表較高的性
能或容錯力。
RAID應用:RAID 0、1、10(也稱為鏡射)、3、4和5。
A. RAID 0 - 解裝(Striping)硬碟
於RAID 0陣列中,整個陣列中硬碟的資料是被分散、或解裝的。對伺
服器而言,陣列被視為一顆大型硬碟,其容量大約等於實體硬碟容量的
總和。由於可以並行的方式操作多重讀取及寫入,所以陣列的輸入/輸出
性能要比單一實體硬碟好得多。
RAID 0陣列不儲存冗餘資料,所以並不算是真正的RAID應用。如果一
顆硬碟損壞,整個陣列亦將故障,所有陣列資料也將遺失。因此,RAID 0
的容錯能力低於陣列中的任何單一硬碟。然而RAID 0一詞還是廣泛被
用來指稱這些陣列,因為基本觀念類似於真正的RAID應用。

硬碟最低需求數: 2
優點 :最高的性能。
缺點 :沒有資料保護,一顆硬碟故障,所有資料喪失。
適用領域 :讀寫強而集中的應用領域(如影音播放系統), 可藉
RAID level 0得到較佳的輸出效率及品質。

B. RAID 1 鏡射(Mirroring)硬碟
RAID1陣列中硬碟是成對的,兩兩成對的硬碟包含相同的資料。當資料
寫入鏡射陣列時會寫入兩次,每顆硬碟各一次,鏡射陣列具有高度可靠
性,因為成對的硬碟必需同時故障,陣列才會故障。例如,在一個含有
五對鏡射硬碟的陣列中,即使有五台硬碟都故障,陣列也能維持資料的
完整性,只要每一對都有一顆硬碟是好的。

硬碟最低需求數:2
優點 :性能、資料保護、寫入性能的損失最少。
缺點 :高冗餘成本負擔,因為所有資料都有複製,需要兩倍
的儲存容量。
適用領域 :常應用於高安
全要求的多人
使用環境,例
如作業系統磁
碟。




C. RAID 0+1(解裝+鏡射)硬碟
RAID10陣列中硬碟是成對的,兩兩成對的硬碟包含相同的資料。當資
料寫入鏡射陣列時,會寫入兩次-每顆硬碟各一次。RAID10陣列有多
組成對的硬碟,而資料為解裝分配於各組成對硬碟中。

於RAID10陣列中,讀取和寫入的性能都比單一硬碟好,具有高度可靠
性,因為成對的硬碟必需同時故障,陣列才會故障。例如,在一個含有
五對鏡射硬碟的陣列中,即使有五台硬碟都故障,陣列也能維持資料的
完整性,只要每一對都有一台硬碟是好的。

硬碟最低需求數: 4
優點 :最高的性能及資料保護(能容忍多硬碟故障)。
缺點 :高冗餘成本負擔,因為所有資料都有複製,需要兩倍
的儲存容量;至少需要四台硬碟高冗餘成本負擔。
適用領域 :常應用於高安全要求的多人使用環境 例如作業系統
磁碟OS Disk。

D. RAID 3同位(Parity)硬碟
RAID3陣列是以同位位元資料的形式包含冗餘訊息,其中使用者所有資
料是透過逐次區塊計算來取得。使用者的資料是以位元或位元組解裝於
陣列的各個硬碟而非單一硬碟。同位位元資料單獨寫入同位位元硬碟(也
稱做查核硬碟)。在一顆硬碟故障的事件中,資料能從陣列中剩餘硬碟的
相對的資料條來進行重建。

硬碟最低需求數: 3
優點 :針對大量、連續資料的要求具有極佳的性能。
缺點 :不是非常適合以交易導向的網路應用;單一同位位元
硬碟不支援多重同時的寫入要求。
適用領域 :隨選視訊、數位廣告插播、數位剪輯、3D動畫、影
像處理、衛星遙測、石油探勘、CAD/CAM。
E. RAID 4 同位(Parity)硬碟
RAID4類似於RAID3,其冗餘訊息都是藉著同位位元資料的形式達成。
使用者資料是以區段為單位解裝於所有硬碟,而非單一硬碟,並使用一
個專屬的同位位元硬碟做資料的保護。
RAID4最適合需要高讀取要求的交易處理應用,不適合寫入要求的應用,
例如查詢就比更新來的合適。
RAID4不被建議應用於需要高資料傳輸速度的I/O密集應用。

硬碟最低需求數: 3
優點 :資料解裝支援多重同時讀取要求。
缺點 :寫入要求同RAID 3,一樣為需忍受單一同位位元硬碟
瓶頸;RAID 5以同樣成本提供相等的資料保護及更佳
的性能。
適用領域 :電腦繪圖,非線性剪接,動畫處理,數位圖書館。

G. RAID 5 同位(Parity)硬碟
RAID 5陣列是以同位位元資料的形式包含冗餘訊息,其中使用者所有
資料是透過逐次區塊計算來取得。同位位元訊息分散於陣列的各個硬碟
而且大約佔據相當一顆硬碟容量的空間。一般資料與同位位元訊息散布
在一起。如果陣列中有一台硬碟故障,故障硬碟上的資料可以根據剩餘
硬碟的同位位元資料和使用者資料來加以重建。如有兩台硬碟同時故障
就會導致整個陣列故障。
與RAID 0陣列相比,RAID 5陣列的讀取性能極佳。但因為寫入作業
牽涉到計算和寫入新的同位位元資料,以及寫入新的使用者資料所以
RAID5陣列的寫入性能會低於RAID 0陣列。

硬碟最低需求數: 3
優點 :非常高的性能與資料保護;支援多重同時的讀取及寫
入。
缺點 :寫入性能低於RAID 0或RAID 1。
適用領域 :對交易導向的網路應用具有最佳的成本 /性能比;
也能對大量的連續資料讀寫要求做最佳化應用如銀
行交易處理。



伍. 磁碟陣列的種類
以目前的技術, 磁碟陣列可分為下列三種 :
A. 傳統式磁碟陣列
B. NAS(Network Attached Storage)磁碟陣列
C. SAN(Storage Area Network)磁碟陣列

A. 傳統式碟陣磁列 -
這種陣列是直接連在伺服器上,網路上任何Client需做資料存取時,必須經由此伺服器。

優點 :
1. 價格便宜;
目前國內自行
生產的碟陣磁
列皆是這種類型。
2. 設定容易;因是隨附於伺服器,其設定亦只須考量單一伺服器的操作系統即可,不需考量跨平台的需求。
缺點 :
1. 資料無法共享;由於每一台碟陣磁列皆附屬於不同的伺服器,因此,當一個環境有不同的操作系統時,如Unix與NT,如需要達成資料共享,勢必得借助其他協力廠商的應用軟體,這亦將帶來新的成本與管理的問題。
2. 資料規劃不良. 當一個環境有多個伺服器與碟陣磁列時,往往有可能將同一份資料儲存於不同的碟陣磁列,或是儲存不同版本的資料而造成管理上的混淆及儲存空間的浪費。
3. 需佔用伺服主機的資源. 由於是附屬於主機,因此,資料的存取皆需佔用主機的資源,CPU、RAM、I/O、….,降低主機的效能,甚至於當主機當機時,亦將無法提供其他系統對碟陣磁列的資料存取。

此種磁碟陣列是適合於環境單純且磁碟容量不需太大的工作需求。

B. NAS(Network Attached Storage)磁碟陣列
顧名思義,此種磁碟陣列是裝置於網路上,是利用IP通訊協定來作檔案服務的工作,可置於網路上的任一位址,網路上的各個工作平台可自行至此作資料存取。
優點 :
1. 適合於異質平台的環境. Client端可以是NT、98/95、Apple、Unix、Linux等工作平台。
2. 支援多台伺服器同時來存取同一筆資料。
3. 容易建置,管理成本上,相對便宜。
缺點 :
1. 因資料是於主網路上傳輸,將佔用大部份的頻寬,影響整體網路傳輸效能。
2. 儲存容量不宜擴充太大,亦將影響網路傳輸效能。
3. 只能傳輸檔案,無法以區塊的方式傳送資料。

此種磁碟陣列較適合於須傳送網頁檔案給眾多使用者的網路公司,不適於需極大儲存容量的應用,將導致整體網路效能的降低。

C. SAN(Storage Area Network)磁碟陣列
此種模式是提供一個專屬網
路,並透過集中式的資源管
理,保護與分享, 將原本分
散於企業內各個伺服器的儲
存資源釋出,使伺服器能專
注於資料處理,降低伺服器
間龐大的資料流動,同時不
會影響主網路的的流量與效
能,可幫助企業節省龐大的
人力與物力。


優點 :
1. 擴充性佳,可跟據需求而增加儲存容量。
2. 可傳輸資料區塊,及不影響主網路效能。
缺點 :
1. 建置成本昂貴。
2. 不支源跨平台系統,無法與其他操作系統相互操作使用。

對於需要極大容量及需快速傳遞資料的應用,此種儲存陣列將是最佳的選擇。

註 1: 陣列能包含不同模式的SCSI硬碟及不同容量的硬碟;例如陣列可以包
含9GByte硬碟和18GByte硬碟。如果混用不同容量的硬碟,最小容量
的硬碟決定陣列內其他硬碟的邏輯容量,不論其RAID層級。為了充份
利用硬碟容量,最好使用大小一致的硬碟。

註 2: 同位(Parity)容錯基本原理每個Byte是由8個bit所構成的,如果在這八
個bit後,經由運算XOR上述的八個data bit,再加一個同位檢核位元
Parity bit,則這組九個bits所構成的Byte,就具備了容錯能力可以將此
觀念延伸到Block、Blocks、Disk,就可以了解到當一顆陣列硬碟機故
障時,其內原有的Data Blocks及不同Data Stripe中的Parity Blocks,雖
已喪失, 但是可以經由陣列控制器(通常具有獨立CPU)的XOR功能將
存在其他陣列硬碟內的Parity Blocks及不同的Data Stripe中的Data
Blocks加以計算,得出應置回的原資料。

註 3:通常在陣列使用上,會有一顆備援硬碟。當任一陣列硬碟故障時,該備
援硬碟可以自動上線,將故障硬碟立即取代,並開始依設定的"重建優
先權" 作資料重建。

註 4:SCSI Cable 的線長與最大可接數
Single-Ended Differential Ultra 2 LVD Max Device
SCSI-1 6m 25m - 8
SCSI-2 3m 25m - 8
Wide SCSI-2 3m 25m - 16
Ultra SCSI-2 1.5m 25m - 8
Ultra SCSI-2 3m - - 4
Ultra Wide SCSI-2 - 25m - 16
Ultra Wide SCSI-2 1.5m - - 8
Ultra Wide SCSI-2 3m - 12m 4
Ultra2 Wide SCSI - - 12m 16
SCSI – Small Computer System Interface

註 5:SCSI Bus的頻寬與最大流通量
Bus 頻寬 Bus Syna. 頻率 最大流通量
SCSI-1 8 bit Asynchronous 5 MB/Sec
SCSI-2 8 bit 10 MHz 10 MB/Sec
Fast Wide SCSI 16 bit 10 MHz 20 MB/Sec
Ultra Wide SCSI2 16 bit 20 MHz 40 MB/Sec
Ultra2 Wide SCSI 16 bit 40 MHz 80 MB/Sec
Ultra3 SCSI 160 MB/Sec

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