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第三章 磁盘阵列和RAID 课程目标 磁盘阵列和RAID 1. 磁盘存储 当今数据中心的存储架构至少有几百个硬盘 硬盘驱动器非常容易发生故障 无数据保护的存储阵列的平均寿命MTBF： 设一个存储阵列由100块硬盘组成 每块硬盘平均寿命750000小时 整个阵列的平均寿命＝？ 如何将多块硬盘形成整体，使之能在硬盘故障时提供数据保护的技术？ 1.1 磁盘阵列概念 1.2 磁盘阵列分类 1）JBOD磁盘框 JBOD（Just a Bunch of Disks）：是在逻辑上把几个物理磁盘一个接一个的串联在一起，其目的是为了增加磁盘的容量，并不提供数据安全保障。 2）RAID RAID（Redundant Array of Independent Disks）：独立冗余磁盘阵列，简称磁盘阵列。RAID是按一定的形式和方案组织起来的存储设备，它比单个存储设备在速度、稳定性和存储能力上都有很大提高，并且具备一定的数据安全保护能力。 1987 年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的 Patterson、Gibson 和 Katz 发表了一篇文章，名为《A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID)》（廉价磁盘冗余阵列 (RAID) 案例）。这篇文章介绍了如何使用价格低廉的小容量磁盘驱动器来替代大型机通用的大容量驱动器。术语 RAID 已经重新定义为独立磁盘，以反映存储技术的进步。RAID 技术目前已从学术概念发展成为一种行业标准，并且成为当今存储阵列中的常见实现。 磁盘阵列和RAID 2.1 RAID的基本概念 1）RAID的数据组织方式 分块：将一个分区分成多个大小相等的、地址相邻的块，这些块称为分块。它是组成分条的元素。 分条：同一个磁盘阵列中的多个磁盘驱动器上的相同“位置”（或者说是相同编号）的分块。 RAID的数据组织方式: 分块Strip与分条Stripe 分条深度－影响存储性能的因素 分条深度（Stripe Depth）：在使用分条数据映射的磁盘阵列中，条带“分块”的尺寸。块是阵列中写数据的最小单元。 分条深度的选择方式通常如下： 分条宽度（Stripe Width）：一个分条所包含的数据条带的数量。 2）RAID数据存取方式 并行存取模式：是把所有磁盘驱动器的主轴马达作精密的控制，使每个磁盘的位置都彼此同步，然后对每一个磁盘驱动器作一个很短的I/O数据传送，使从主机来的每一个I/O指令，都平均分布到每一个磁盘驱动器，将阵列中每一个磁盘驱动器的性能发挥到最大。 适用范围：大型的、数据连续的以长时间顺序访问数据为特征的应用 独立存取模式：对每个磁盘驱动器的存取都是独立且没有顺序和时间间隔的限制，可同时接收多个I/O Requests，每笔传输的数据量都比较小。 适用范围：数据存取频繁，每笔存取数据量较小的应用 3）镜像和校验冗余 镜像冗余：使用磁盘镜像技术来实现冗余，将相同数据存储在两台不同的磁盘驱动器上，从而生成两个数据拷贝的技术 3）镜像和校验冗余 校验冗余：通过计算保存在阵列中成员磁盘驱动器上数据的校验值，并将计算出来的校验值保存在另外的磁盘资源上。 3）镜像和校验冗余 校验冗余： 校验算法有很多种，比较常见的算法有XOR异或校验算法。 和镜像冗余相比较，校验冗余占用的磁盘空间小。 通过计算保证数据可靠性。 对于校验RAID，条带大小计算不包括校验条块。例如，在条块大小为 64 KB、包含五个 (4 + 1) 磁盘的奇偶校验 RAID 集中，条带大小将为 256 KB (64 KB x 4)。 3）镜像和校验冗余 校验冗余与镜像区别： 校验冗余大幅减少了与数据保护成本。如四个磁盘的奇偶校验 RAID，其中三个磁盘用于保存数据，第四个磁盘用于保存校验信息。镜像则需要 100% 的额外磁盘空间，两个磁盘保存数据，两个磁盘用于镜像。 但是，校验信息是从数据磁盘上的数据生成的，每次数据发生更改时都会重新计算校验值。这种重新计算十分耗时，并且会影响 RAID 阵列的性能。 补：XOR异或校验法 XOR校验的算法——相同为假，相异为真： 0⊕0=0 ; 0 ⊕1=1 ; 1 ⊕0=1 ; 1 ⊕1=0 ; XOR的逆运算仍为XOR： 如果A为1，B为0，则校验值P为1：A(1) ⊕B(0)=P(1)，则有逆运算：B(0) ⊕P(1)=A(1) ; A(1) ⊕P(1)=B(0) ; 4）热备、热换、重构 热备（Hot Spare）：当冗余的RAID阵列中某个磁盘失效时，在不干扰当前RAID系统正常使用的情况下，用RAID系统中另外一个正常的备用磁盘顶替失效磁盘。 热备通过配置热备盘实现，热备盘分为全局热备盘和局部热备盘 热换（Hot Swap