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          網絡存儲技術

          2014-10-29 09:49:51 www.pb939.com

           廉價磁盤冗余陣列

              廉價磁盤冗余陣列(Redundant Arrays of Inexpensive Disk, RAID)是美國加利福尼亞大學伯克萊分校在1987年提出的,它是利用一臺磁盤陣列控制器管理一組(幾臺到幾十臺)磁盤驅動器,組成一個可靠的、快速的大容量磁盤系統。

              冗余磁盤陣列技術最初的研制目的是為了組合小型的廉價磁盤來代替大容量的昂貴磁盤,以降低大批量數據存儲的費用,同時也希望采用冗余技術提高磁盤數據的可靠性,并能適當提升數據傳輸的速率。RAID有時也被稱為獨立磁盤冗余陣列(Redundant Array of Independent Disk),以強調其可作為一臺虛擬的大容量硬盤使用的特點。

              RAID的重要特性是所謂的EDAP (Extended Data Availability and Protection)概念,強調了這種系統的可擴充性和容錯機制。RAID在不停機的情況下可支持以下功能。

              (1)自動檢測硬盤故障。

              (2)重建硬盤的壞道信息。

              (3)硬盤熱備份。

              (4)硬盤熱替換。

              (5)擴充硬盤容量。

              過去RAI]〕一直作為高檔SCSI硬盤的配套技術在高檔服務器中使用,近年來隨著技術的發展和產品成本的下降,IDE硬盤性能有了很大提升,加之RAID芯片的普及,使得RAID也逐漸應用到個人計算機上.

              RAID規范包含RAID 0--RAID 7多個等級,它們的技術特點各不相同,目前投入商業應

          用的有下列幾種。

            1.RAID 0

              RAID 0需要兩個以上硬盤驅動器,每個磁盤劃分為不同的區塊,如圖9-67所示。數據按區塊A1. A2, A3, A4…的順序存儲,數據訪問采用交叉存取、并行傳輸的方式。將數據分布在不同驅動器上,可以提高傳輸速度,平衡驅動器的負載。但這種系統沒有差錯控制措施,如果一個盤上的數據出現錯誤,其他盤上的數據也無用了。RAID 0不能用于對數據穩定性要求較高的場合。如果進行圖像編輯,或其他要求傳輸速度比較高的場合,使用RAID 0比較合適。在所有級別中,RAID 0的速度是最快的。

          2 .RAID 1

              具有磁盤鏡像功能,可利用并行讀寫特性,將數據分塊并同時寫入主磁盤和鏡像盤,磁盤容量的利用率只有50%,它是以犧牲磁盤容量為代價換取可靠性的提高。在圖9-68中,磁盤1是主磁盤,磁盤2是鏡像盤。

              RAID 1控制器能夠同時對兩個盤進行讀寫操作,通過鏡像技術提高系統的容錯能力。當主硬盤損壞時,鏡像硬盤就可以代替主硬盤工作,鏡像硬盤相當于一個備份盤,這種硬盤控制模式的安全性是非常高的。RAID 1的差錯校驗功能對系統的處理能力有很大影響,通常的RAID功能由軟件實現,在服務器負載比較重時會影響其工作效率。當系統需要極高的可靠性時,如進行數據統計,使用RAID 1比較合適。RAID 1技術支持熱替換,即在不斷電的情況下對故障磁盤進行更換,更換完畢后只要從鏡像盤上恢復數據即可。

          3 .RAID 2RAID 3

              RAID 2RAID 3類似,兩者都是將數據分塊存儲在不同的硬盤上實現多模塊交叉存取,并在數據訪問時提供差錯校驗功能。RAID 2使用海明碼進行差錯校驗,需要單獨的磁盤存放校驗與恢復信息。RAID 2的實現技術代價昂貴,在商業環境中很少使用。

          RAID 3采用奇偶校驗方式,只能查錯不能糾錯。這種技術需要三個以上的驅動器,一個磁盤專門存放奇偶校驗碼,其他磁盤作為數據盤實現多模塊交叉存取,如圖9-69所示。RAID 3訪問數據時一次處理一個區塊,這樣可以提高讀取和寫入的速度,奇偶校驗碼在寫入數據時產生并保存在校驗盤上。RAID 3主要用于圖形圖像處理等要求吞吐率比較高的場合,對于大量的連續數據可提供良好的傳輸速率,但對于隨機數據,奇偶校驗盤會成為寫操作的瓶頸。利用單獨的奇偶校驗盤來保護數據使磁盤的利用率提高到(n-1) /n.

          4. RAID 5

          這是一種分布式奇偶校驗的獨立磁盤結構。與RAID 3不同的地方是,用來進行糾錯的校驗信息分布在各個數據盤上,沒有專門的校驗盤,圖9-70中的P01表示區塊0和區塊I按位異或運算后得到的校驗和,其余類推。這種校驗方式允許任何一臺磁盤機損壞,例如磁盤3壞了,則可以用區塊0和區塊1進行異或運算重新得到P01,用P23和區塊3進行異或運算重新得到區塊3,依此類推。


              RAID 5的讀出效率很高,寫入效率一般,對區塊式的聚集訪問效率不錯。由于奇偶校驗碼分布在不同的磁盤上,允許單個磁盤出錯,所以提高了可靠性,也提高了磁盤的利用率。但是它對數據傳輸的并行性解決得不好,而且控制器的設計也相當復雜。對于RAID 5來說,大部分數據傳輸只對一塊磁盤操作,可進行并行訪問。

          5 .RAID 0+1

          正如其名字所暗示的一樣,RAID 0+1RAID 0RAID 1的組合形式,也稱為RAID 10。以4個磁盤組成的RAID 0+1為例,其數據存儲方式如圖9-71所示。RAID0+1是存儲性能和數據安全兼顧的方案。它在提供與RAID 1同樣的數據安全保障的同時,也提供了與RAID 0

          近似的訪問速率。

              由于RAID 0+1通過數據的100%備份提供數據安全保障,因此RAID 0+1的磁盤空間利用率與RAID 1相同,存儲成本很高。

              RAID 0+1的特點使其特別適用于既有大量數據需要存取,同時又對數據安全性要求嚴格的領域,例如銀行、金融、商業超市、倉儲庫房和各種檔案管理等。

              6. MOD模式

              JBOD代表Just a Bunch of Drives,它是在邏輯上將幾個物理磁盤連接起來,組成一個大的邏輯磁盤。MOD不提供容錯,其容量等于所有磁盤容量的總和。嚴格意義上說,MOD不屬于RAID的范圍,不過現在很多IDE RAID控制芯片都帶有這種模式。JBOD就是簡單的硬盤容量疊加,但系統處理時并沒有采用并行的方式,寫入數據的時候是先寫一塊硬盤,寫滿了再寫第二塊硬盤。

              實際應用中最常見的是RAID 0. RAID 1, RAID 5RAID 10。由于在大多數場合,RAID5包含了RAID 2-4的優點,所以RAID 2-4基本退出市場,一般認為RAID 2^-4只用于RAID的開發研究領域。

          9.9.2網絡存儲

              基于Windows. LinuxUNIX等操作系統的服務器稱為開放系統。開放系統的數據存儲

          方式分為內置存儲和外掛存儲兩種,而外掛存儲又根據連接的方式分為直連式存儲和網絡化存儲,目前應用的網絡化存儲方式有兩種,即網絡接入存儲和存儲區域網絡,如圖9-72所示。下面介紹開放系統的外掛存儲方式。

            直連式存儲

          開放系統的直連式存儲(Direct-Attached Storage, DAS)如圖9-73所示,即在服務器上外掛了一組大容量硬盤,存儲設備與服務器主機之間采用SCSI通道連接,帶寬為I OMbps. 20Mbps.40Mbps80Mbps等。

              直連式存儲直接將存儲設備連接到服務器上,這種方法難以擴展存儲容量,而且不支持數據容錯功能,當服務器出現異常時,會造成數據丟失。

              隨著服務器CPU處理能力的不斷增強,磁盤存儲空間越來越大,硬盤數量越來越多,SCSI通道將會成為I/O瓶頸。同時,這4個階段之間有一定的重疊,保證了兩個階段之間的交接工作,同時也賦予了網絡工程設計的靈活性。

              構思與規劃階段的主要工作是明確網絡設計的需求,同時由于服務器主機的SCSI ID資源有限,能夠建立的SCSI通道連接也有限。無論存儲陣列或是服務器主機的擴展,都會造成系統的停機,從而給企業帶來經濟損失,對于銀行、電信和傳媒等需要7X24小時服務的行業,這是不可接受的。

              DAS己經有近40年的使用歷史,目前正在讓位于日漸興盛的網絡化存儲。

          2.網絡接入存儲

              網絡化存儲的出現適應了網絡成為主要信息處理平臺的發展趨勢,它分攤了數據處理和存儲管理的功能,計算機負責數據處理,而存儲子系統負責數據的存儲和管理。網絡化存儲能夠提供靈活的解決方案,利用專用的存儲子系統可以實現以下功能。

              (1)在多個存儲子系統之間合理地分配存儲任務。

              (2)在多個存儲位置之間實現可靠的數據傳輸。

              (3)實現可靠的數據保護和數據恢復功能。

              (4)實現多個主機系統對數據的并行訪問。

              網絡接入存儲(Network Attached Storage, NAS )是將存儲設備連接到現有的網絡上,來提供數據存儲和文件訪問服務的設備。NAS服務器是在專用主機上安裝簡化了的瘦操作系統(只具有訪問權限控制、數據保護和恢復等功能)的文件服務器。NAS服務器內置了與網絡連接所需要的協議,可以直接聯網,具有權限的用戶都可以通過網絡來訪問NAS服務器中的文件。NAS服務器直接連接磁盤陣列,它具備磁盤陣列的所有特征:高容量、高效能、高可靠性。NAS是真正即插即用的產品,物理位置靈活,可放置在工作組內,也可放在其他地點。用戶之所以選擇NAS解決方案,原因是NAS價格合理、便于管理、靈活且能實現文件共享。

              典型的NAS都連接到普通的以太網上,提供預先配置好的磁盤容量和存儲管理軟件,成

          為完備的網絡存儲解決方案,如圖9-74所示。

          3.存儲區域網絡

              存儲區域網絡(Storage Area Network, SAN)是一種連接存儲設備和存儲管理子系統的專用網絡,專門提供數據存儲和管理功能。SAN可以被看作是負責數據傳輸的后端網絡,而前端網絡(或稱為數據網絡)則負責正常的TCP/IP傳輸。也可以把SAN看作是通過特定的互連方式連接的若干臺存儲服務器組成的單獨的數據網絡,提供企業級的數據存儲服務,其拓撲結構如圖9-75所示。

              SAN是一種特殊的高速網絡,采用光纖通道(Fibre Channel)實現互連,通過光纖通道交換機連接存儲陣列和文件服務器主機。SAN不僅可以提供大容量的存儲數據,而且地域上可以分散部署,從而緩解了大量數據傳輸對于局域網通信的影響。SAN的結構使得文件服務器可以連接到任何存儲陣列,不管數據存放在哪里,服務器都可直接訪問需要的數據。

              NAS相比,SAN具有下面的特點。

              (1) SAN具有無限的擴展能力。由于SAN采用了網絡結構,文件服務器可以訪問SAN網絡上的任何一個存儲設備,因此用戶可以自由擴展磁盤陣列、磁帶庫和服務器等設備,使得整個系統的存儲空間和處理能力可以按照用戶需求不斷擴大。

              (2) SAN采用了為大規模數據傳輸而專門設計的光纖通道技術,所以具有更高的傳輸速度和更快的處理能力。

              9-76表示的是用戶存儲文件的過程。當客戶端把要存儲的文件發送給文件服務器時,文件服務器不是把數據存儲在本地的硬盤上,而是將其發送給SAN網絡,如果光纖通道交換機存儲在適當的存儲設備上,這些文件可以自動地轉發到其他存儲設備上,以實現數據鏡像和系統容災。


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