河南IBM总代 RAID各种级别的技术特征

近年来，随着IT产业的飞速发展，特别是在互联网与电子商务的驱使下，各行业对于数据存储的需求正在不断增长。据估计，平均每个商业机构所存储的数据每90天就会翻一番！在过去的一年中，售出的企业存储设备总容量从70万TB增长到了140万TB。这些数据与企业的生存和发展休戚相关，据调查，丢失100MB的数据将给公司带来100万美元的损失。由此可见，各行业对于高速、高安全性的存储解决方案的需求正变得越来越迫切。

说到存储，目前RAID已成为许多高可用计算机的必备方案。

诞生于1987年的RAID其全称为Redundant Array of Disks，即磁盘冗余阵列，是一种使用多磁盘驱动器来存储数据的数据存储系统，可以使用多种不同的存储技术来实现不同等级的冗余、错误***和性能。它是一个符合服务器大容量硬盘和数据安全性、服务器运行速度等综合要求的廉价解决方案，它提供了高速、稳定，以及可保证数据完整性与容错性的数据存储方案，尤其在资料存储量大的主机上经常可以看到。简单地说它就是利用多个磁盘同时提供数据。
根据RAID的结构、要求及数据处理特点，一般分为六个级别（即标准）：RAID 0、1、2、3、4、5及RAID 0+1（后派生的）。目前RAID 2、3、4的使用率较低，RAID 5、0、1、0+1正在被大多数企业根据各自对数据库存储系统的不同需求而广泛采用。
RAID 0
其***基本的特征是数据传输率高但安全性低。它就是将数据分割成若干块存储在两个或多个磁盘上，同时完成数据传输，其数据传输率基本上为所有硬盘传输率之和，这样整个系统的性能会得以大大提高。但由于没有冗余，所以是以牺牲RAID的安全性为代价的，其数据存储的可靠性脆弱，一旦阵列中某个硬盘出现故障，整个系统也随之瘫痪。它不适合使用在需要高安全性的数据系统中。
RAID 1
与RAID 0正好相反，是追求安全性而放弃性能的一种解决方案。它使用了磁盘镜像功能，提供了冗余容错机制，整个系统会由一个主硬盘和至少一个做实时备份的副硬盘组成，在存入任何数据时系统都要将数据完整地、实时地保存在副硬盘中，即始终保持着副盘是主盘的完全镜像。一旦某磁盘失效而另一张磁盘将马上接手工作。这种工作方式将浪费一半的磁盘空间，同时工作效率也较低，所以它只适合对紧要任务数据的存储。
RAID 0+1
吸收了上述两种标准的优点，是数据分割和镜像的结合。这种配置至少需要4块硬盘，成本也将大大高于前者。它的工作方式是数据块1写到磁盘1，数据镜像写到磁盘2；数据块2写到磁盘3，数据镜像写到磁盘4；数据块3写到磁盘1，数据镜像写到磁盘2……依此类推。在资源的占用方式上与RAID 1一样，硬盘使用率只有50%，但它是真正的“安全性”加“高性能”。
RAID 3
与RAID 0+1不同，它没有采用数据镜像，而是采用了奇偶校验信息—几个数据块的位图表示，一旦某个磁盘出现故障，可以利用奇偶校验来重建数据。它需要通过编码将数据位元分割后分别存在硬盘中，而将同位元检查后单独存在一个硬盘中，但由于数据内的位元存在了不同的硬盘上，因此读取一小段数据资料都可能需要所有硬盘进行工作，这种规格比较适合读取大量数据时使用。
RAID 5
与RAID 3不同的是，RAID 3中所有的奇偶校验块都集中在一个磁盘驱动器上，而RAID 5则采用块分割将奇偶校验块分布在多磁盘驱动器上，即磁盘3中的奇偶校验块是磁盘1、2、4和5上的数据的备份数据映像；磁盘2中的奇偶校验块是磁盘1、3、4和5上的数据的备份数据映像……依此类推。如果一块磁盘出现问题，控制器可以利用奇偶校验块来重建数据。奇偶校验块可以降低RAID 3和5数据存储的成本，如RAID 5用一块磁盘来为4块磁盘提供数据冗余，那就意味着用5块磁盘来存储4块磁盘容量的数据并为那些数据提供完全备份。
总之，不同规格的RAID的主要功能实际上就是提升系统中硬盘的传输速度或保护硬盘数据，或者两种功能兼而有之。
根据磁盘阵列的数据接口不同，一般可以分为IDE RAID、SCSI RAID、光纤通道（Fiber Channel） RAID。基于不同接口的RAID其数据传输速度的快慢、数据存储备份容量的大小、设备的成本大小、设备安装及维护技术的难易各不相同，由于他们各有优劣，各自适用不同的应用环境，可满足不同用户的应用需求，所以磁盘阵列按接口分类广泛为人们所接受。
IDE是大家常见的一种接口标准的硬盘系统，目前市场上有Ultra DMA33和Ultra DMA66。Ultra DMA3的连接电缆为IDE电缆，（40线/40针），I/O传输率为32Mb/s；Ultra DMA66的连接电缆为Ultra ATA/66，其I/O传输率为66Mb/s。每个IDE的接口***多可以连接两个设备，每个主板大多有两个IDE接口，所以可连接4个设备，***大连接距离仅为二三米。由于IDE硬盘的低可靠性，使得用户经常为系统的稳定性和数据的安全性而担忧不已，采用IDE标准接口的 RAID可以很好的解决这些问题，而***关键的是它避免了RAID系统价格过高的问题。但目前IDE RAID还没有CPU和高速缓存，当用户对I/O的操作增加时，系统的处理等待时间会延长。由于IDE串接设备的数量较少，所以RAID只能做到RAID 0和RAID 1，新一代的控制卡有望做到RAID 3和RAID 5，Adaptec AAA-UDMA RAID卡即是一款支持RAID 5的用于入门级服务器和工作站的UDMA/ATA RAID卡。从IDE所能达到的性能来看，它适合于中小型企业和个人用户，但对企业级用户就有些牵强。
SCSI标准是早在1986年就有了，至今为止已发展了几代，I/O速率在不断上升，现在市场上正在被广泛使用的产品是Ultra 2 SCSI，传输速率为80Mb/s，其更新换代产品为Ultra160，它能做到在硬盘和SCSI控制卡之间以160Mb/s的速度传递数据，由于PCI总线的速率限制在133Mb/s，这样给数据的存取带来了瓶颈。目前，Adaptec公司正在以Ultra2 的价格推动更具性能优势Ultra 160 SCSI成为市场主***品。SCSI真正的飞跃应为Ultra 3 SCSI，它的速率将达到320Mb/s。Ultra 2 SCSI每个通道可连接15个外部设备，传输距离可达到10m，低压差分可达到12m。就三种接口方式而言，在RAID的实现方面SCSI RAID应用***广。在SCSI RAID控制卡上，有CPU和高速缓存两个重要部分，其中CPU和高速缓存都各分为两种。一种CPU作为SCSI的处理器，主要用于Intel的I960；另一种CPU作为RAID的处理器主要是用来完成RAID 5的异或功能。高速缓存则分为预读缓存和回写缓存。所谓预读是把经常要读的和较短的数据直接存储到缓存芯片中，下次再读时系统会直接先到缓存中读取，这样将会大大提高数据读取的速度；回写缓存则是把要写入内存的数据先写到回写缓存中，由缓存直接与SCSI控制卡上的芯片进行写入硬盘的处理，这样可以更早的释放掉内存的空间，赢得性能。
为了让SCSI RAID为更多用户所使用，目前Adaptec公司新推出三款面向中小型企业的Ultra 160 SCSI RAID控制卡，包括两款64位Ultra 160 SCSI RAID控制卡—Adaptec SCSI RAID 3200S 与3400S（拥有两个或四个通道的版本）、一款体积较小的单通道Ultra 160 RAID控制卡—SCSI RAID 2100。新款SCSI RAID控制卡是基于Adaptec Trident II Ultra160 SCSI 芯片（该芯片拥有***的可靠性与高性能），具有在线存储能力扩展、后台初始化及预测缓存等RAID功能，并支持所有主流服务器操作系统—包括Windows 95/98、NT/2000、Linux、NetWare、Unix等等。同时，新款SCSI RAID控制卡都包含了Adaptec公司新的存储管理软件—Storage Manager Pro及优质的连接电缆。Storage Manager Pro软件拥有一个动态的、可视化的图形用户界面，这种界面减轻了用户的操作难度，同时增强了本地与远程设备的可管理性。新的程序同时也提供了成熟的设备驱动，保证其与各个操作系统的兼容性。
光纤通道作为SCSI的一种替代的连接标准的解决方案目前正在被开发和使用。毋庸置疑，光纤通道是三种接口中传输速度***高的，它利用光的全反射原理进行传输，其信号失真率小。由于其带宽大，在光纤的每个结点都可以达到100Mb/s，而且可以叠加到1Gb/S，之间不受任何干扰，传输速度高。同时，光纤通道提供了多种增强的连接技术，服务器系统可以通过光缆远程连接，***大可跨越10公里，每个光纤仲裁环路***多可连接126个设备。由于光纤不需要终结器，同时它支持网络设备的连接，所以它比SCSI电缆连接更容易，但其连接技术较难实现。同时由于光纤设备的代价较高，所以目前还没有光纤通道的硬盘，FC（光纤通道）RAID适合磁盘阵列柜连接，在阵列柜上将光纤通道和SCSI转换，而阵列柜中只需要用SCSI硬盘进行连接即可，从而可降低成本。技术的发展是飞速的，目前致力于***存储解决方案的Adaptec已研究并生产出一款2Gb/s的超薄光纤通道主机适配器—Adaptec AFC9210LP，它可达到2Gb/sPCI到光纤通道的连接，从而实现了2G比特的光纤通道传输技术。