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               解析磁盘阵列的关键技术

        存储技术在计算机技术中受到广泛关注，服务器存储技术更是业界关心的热点。一谈到服务器存储技术，人们几乎立刻与SCSI（Small Computer Systems Interface）技术联系在一起。尽管廉价的IDE硬盘在性能、容量等关键技术指标上已经大大地提高，可以满足甚至超过原有的服务器存储设备的需求。但由于Internet的普及与高速发展，网络服务器的规模也变得越来越大。同时，Internet不仅对网络服务器本身，也对服务器存储技术提出了苛刻要求。无止境的市场需求促使服务器存储技术飞速发展。而磁盘阵列是服务器存储技术中比较成熟的一种，也是在市场上比较多见的大容量外设之一。
        在高端，传统的存储模式无论在规模上，还是安全上，或是性能上，都无法满足特殊应用日益膨胀的存储需求。诸如存储局域网（SAN）等新的技术或应用方案不断涌现，新的存储体系结构和解决方案层出不穷，服务器存储技术由直接连接存储（DAS）向存储网络技术（NAS）方面扩展。在中低端，随着硬件技术的不断发展，在强大市场需求的推动下，本地化的、基于直接连接的磁盘阵列存储技术，在速度、性能、存储能力等方面不断地迈上新台阶。并且，为了满足用户对存储数据的安全、存取速度和超大的存储容量的需求，磁盘阵列存储技术也从讲求技术创新、重视系统优化，以技术方案为主导的技术推动期逐渐进入了强调工业标准、着眼市场规模，以成熟产品为主导的产品普及期。
        回顾磁盘阵列的发展历程，一直和SCSI技术的发展紧密关联，一些厂商推出的专有技术，如IBM的SSA（Serial Storage Architecture）技术等，由于兼容性和升级能力不尽如人意，在市场上的影响都远不及SCSI技术广泛。由于SCSI技术兼容性好，市场需求旺盛，使得SCSI技术发展很快。从最原始5MB/s传输速度的SCSI-1，一直发展到现在LVD接口的160MB/s传输速度的Ultra 160 SCSI，320MB/s传输速度的Ultra 320 SCSI接口也将在2001年出现（见表1）。从当前市场看，Ultra 3 SCSI技术和RAID（Redundant Array of Inexpensive Disks）技术还应是磁盘阵列存储的主流技术。

        SCSI技术

        SCSI本身是为小型机（区别于微机而言）定制的存储接口，SCSI协议的Version 1 版本也仅规定了5MB/s传输速度的SCSI-1的总线类型、接口定义、电缆规格等技术标准。随着技术的发展，SCSI协议的Version 2版本作了较大修订，遵循SCSI-2协议的16位数据带宽，高主频的SCSI存储设备陆续出现并成为市场的主流产品，也使得SCSI技术牢牢地占据了服务器的存储市场。SCSI-3协议则增加了能满足特殊设备协议所需要的命令集，使得SCSI协议既适应传统的并行传输设备，又能适应最新出现的一些串行设备的通讯需要，如光纤通道协议（FCP）、串行存储协议（SSP）、串行总线协议等。渐渐地，“小型机”的概念开始弱化，“高性能计算机”和“服务器”的概念在人们的心目中得到强化，SCSI一度成为用户从硬件上来区分“服务器”和PC机的一种标准。
        通常情况下，用户对SCSI总线的关心放在硬件上，不同的SCSI的工作模式意味着有不同的最大传输速度。如40MB/s的Ultra SCSI、160MB/s的Ultra 3 SCSI等等。但最大传输速度并不代表设备正常工作时所能达到的平均访问速度，也不意味着不同SCSI工作模式之间的访问速度存在着必然的“倍数”关系。SCSI控制器的实际访问速度与SCSI硬盘型号、技术参数，以及传输电缆长度、抗干扰能力等因素关系密切。提高SCSI总线效率必须关注SCSI设备端的配置和传输线缆的规范和质量。可以看出，Ultra 3模式下获得的实际访问速度还不到Ultra Wide模式下实际访问速度的2倍。
        一般说来，选用高速的SCSI硬盘、适当增加SCSI通道上连接硬盘数、优化应用对磁盘数据的访问方式等，可以大幅度提高SCSI总线的实际传输速度。尤其需要说明的是，在同样条件下，不同的磁盘访问方式下获得的SCSI总线实际传输速度可以相差几十倍，对应用的优化是获得高速存储访问时必须关注的重点，而这却常常被一些用户所忽视。按4KB数据块随机访问6块SCSI硬盘时，SCSI总线的实际访问速度为2.74MB/s，SCSI总线的工作效率仅为总线带宽的1.7％；在完全不变的条件下，按256KB的数据块对硬盘进行顺序读写，SCSI总线的实际访问速度为141.2MB/s，SCSI总线的工作效率高达总线带宽的88％。
        随着传输速度的提高，信号传输过程中的信号衰减和干扰问题显得越来越突出，终结器在一定程度上可以起到降低信号波反射，改善信号质量的作用。同时，LVD（Low-Voltage Differential）技术的应用也越来越多。LVD工作模式是和SE（Single-Ended）模式相对应的，它可以很好地抵抗传输干扰，延长信号的传输距离。同时，Ultra 2 SCSI和Ultra 3 SCSI模式也通过采用专用的双绞型SCSI电缆来提高信号传输的质量。
        在磁盘阵列的概念中，大容量硬盘并不是指单个硬盘容量大，而是指将单个硬盘通过RAID技术，按RAID 级别组合成更大容量的硬盘。所以在磁盘阵列技术中，RAID技术是比较关键的，同时，根据所选用的RAID级别的不同，得到的“大硬盘”的功能也有不同。
        RAID是一项非常成熟的技术，但由于其价格比较昂贵，配置也不方便，缺少相对专业的技术人员，所以应用并不十分普及。据统计，全世界75％的服务器系统目前没有配置RAID。由于服务器存储需求对数据安全性、扩展性等方面的要求越来越高，RAID市场的开发潜力巨大。RAID技术是一种工业标准，各厂商对RAID级别的定义也不尽相同。目前对RAID级别的定义可以获得业界广泛认同的只有4种，RAID 0、RAID 1、RAID 0＋1和RAID 5。
        RAID 0是无数据冗余的存储空间条带化，具有低成本、极高读写性能、高存储空间利用率的RAID级别，适用于Video / Audio信号存储、临时文件的转储等对速度要求极其严格的特殊应用。但由于没有数据冗余，其安全性大大降低，构成阵列的任何一块硬盘损坏都将带来数据灾难性的损失。所以，在RAID 0中配置4块以上的硬盘，对于一般应用来说是不明智的。
        RAID 1是两块硬盘数据完全镜像，安全性好，技术简单，管理方便，读写性能均好。但其无法扩展（单块硬盘容量），数据空间浪费大，严格意义上说，不应称之为“阵列”。
        RAID 0＋1综合了RAID 0和RAID 1的特点，独立磁盘配置成RAID 0，两套完整的RAID 0互相镜像。它的读写性能出色，安全性高，但构建阵列的成本投入大，数据空间利用率低，不能称之为经济高效的方案。
        RAID 5是目前应用最广泛的RAID技术。各块独立硬盘进行条带化分割，相同的条带区进行奇偶校验（异或运算），校验数据平均分布在每块硬盘上。以n块硬盘构建的RAID 5阵列可以有n－1块硬盘的容量，存储空间利用率非常高（见图6）。任何一块硬盘上数据丢失，均可以通过校验数据推算出来。它和RAID 3最大的区别在于校验数据是否平均分布到各块硬盘上。RAID 5具有数据安全、读写速度快，空间利用率高等优点，应用非常广泛，但不足之处是1块硬盘出现故障以后，整个系统的性能大大降低。
        对于RAID 1、RAID 0＋1、RAID 5阵列，配合热插拔（也称热可替换）技术，可以实现数据的在线恢复，即当RAID阵列中的任何一块硬盘损坏时，不需要用户关机或停止应用服务，就可以更换故障硬盘，修复系统，恢复数据，对实现HA（High Availability）高可用系统具有重要意义。
        各厂商还在不断推出各种RAID级别和标准。例如更高安全性的，从RAID控制器开始镜像的RAID；更快读写速度的，为构成RAID的每块硬盘配置CPU和Cache的RAID等等，但都不普及。用IDE硬盘构建RAID的技术是新出现的一个技术方向，对市场影响也较大，其突出优点就是构建RAID阵列非常廉价。目前IDE RAID可以支持RAID 0、RAID 1和RAID 0＋1三个级别，最多支持4块IDE硬盘。由于受IDE设备扩展性的限制，同时，也由于IDE设备也缺乏热可替换的技术支持的原因，IDE RAID的应用还不多。