磁盤陣列
磁盤陣列是一種把若干硬磁盤驅動器按照一定要求組成一個整體，整個磁盤陣列由陣列控制器管理的系統。
1．1．2 磁盤陣列的工作原理與特徵
RAID的基本結構特徵就是組合(Striping)，捆綁2個或多個物理磁盤成組，形成一個單獨的邏輯盤。組合套(Striping Set)是指將物理磁盤組捆綁在一塊兒。在利用多個磁盤驅動器時，組合能夠提供比單個物理磁盤驅動器更好的性能提升。
數據是以塊(Chunks)的形式寫入組合套中的，塊的尺寸是一個固定的值，在捆綁過程實施前就已選定。塊尺寸和平均I/O需求的尺寸之間的關係決定了組合套的特性。總的來說，選擇塊尺寸的目的是爲了最大程度地提高性能，以適應不同特點的計算環境應用。
實際的計算環境依據其不同的特點，可被劃分爲轉換速率密集(Transfer Rate Intensive)環境或需求速率密集(Request Rate Intensive)，
一個計算環境若通常服務於小的用戶數量和大的I/O需求，可以被認爲是轉換速率密集環境，工程學和科學應用屬於轉換速率密集，例如CAM/CAD、圖象處理和數據集合等。
一個計算環境，如果它是自然存在的多用戶或在線交易系統(OLTP)，可以被認爲是一個標準的需求速率密集, 交互式的數據庫應用能產生大量的小的I/O需求，由這些應用產生的I/O負荷可被稱爲需求速率密集。具備獨立驅動器操作功能的組合套可提供對於需求速率密集環境來說高的性能。
對於轉換速率密集，I/O需求的尺寸比塊尺寸大得多，這樣可導致每一個I/O需求分佈於所有驅動器，數據由組合套轉換的速率可以增加，因爲所有的驅動器可並行地傳輸數據，這樣，組合套就象一個單磁盤一樣有非常高的容許速度。
需求速率密集中I/O需求尺寸比塊尺寸小很多，這將導致每一個I/O需求落於一個單個的驅動器中， 在這種情況下，由於有數個驅動器，陣列可同時處理數個需求，或者說比單磁盤快數倍。
一個單磁盤某一時刻只能滿足一個處理業務，一個轉換速率密集應用的陣列某一時刻雖也滿足一個處理業務，但能比單磁盤轉換數據速度快X倍(X是磁盤數)，一個需求速率密集應用的陣列可滿足的需求爲單一磁盤的X倍，而其轉換數據的速率與單磁盤相同。
RAID的另一特徵是具備數據校驗(Parity)功能，校驗可被描述爲用於RAID級別2，3，4，5的額外的信息，當磁盤失效的情況發生時，校驗功能結合完好磁盤中的數據，可以重建失效磁盤上的數據。對於RAID系統來說，在任何有害條件下絕對保持數據的完整性(Data Integrity)是最基本的要求。數據完整性指的是陣列面對磁盤失效時保持數據不丟失的能力，由於數據的破壞通常會帶來災難性的後果，所以選擇RAID陣列的基礎條件是它能提供什麼級別的數據完整性。
此外，數據可用性(Data Availability)也是RAID系統的指標之一，數據可用性指的是陣列內部容錯能力的水平，數據可用性程度越高，可被理解爲當發生越多的部件失效時而數據訪問仍不丟失。一個RAID陣列能提供的高可用性級別範圍可從簡單的磁盤冗餘到所有部件的冗餘性。當選擇一個陣列時，重要的是瞭解所選的設備是否能夠滿足期望的可使用時間目標。
RAID陣列能夠適應不同環境，在不同類型的主機之間以及操作系統之間移動一個RAID陣列的能力越高，一般說來，可帶來更好的投資保護。
1．1．3 磁盤陣列優點
磁盤陣列有許多優點：首先，提高了存儲容量；其次，多臺磁盤驅動器可並行工作，提高了數據傳輸率；第三，由於有校驗技術，提高了可靠性：如果陣列中有一臺硬磁盤損壞，利用其它盤可以重新恢復出損壞盤上原來的數據，而不影響系統的正常工作，並可以在帶電狀態下更換已損壞的硬盤（即熱插拔功能），陣列控制器會自動把重組數據寫入新盤，或寫入熱備份盤而將新盤用做新的熱備份盤；另外磁盤陣列通常配有冗餘設備，如電源和風扇，以保證磁盤陣列的散熱和系統的可靠性。因其獨特的特徵和可靠的性能被廣泛地應用於多個行業，如：ISP、醫學影像、銀行等在線處理業務部門、影像服務器、石油工業、關鍵部門的數據中心、多媒體和數據庫應用等。
對於磁盤失效的保護通過RAID技術已經成功地實現，但RAID陣列降低數據存儲費用的目的沒有達到，實際上，RAID陣列的價格通常比標準的磁盤驅動器更高一些。
儘管如此，RAID技術確實提供了比通常的磁盤存儲更高的性能指標、數據完整性和數據可用性，尤其是在當今面臨的I/O總是滯後於CPU性能的瓶頸問題越來越突出的情況下，RAID解決方案能夠有效地彌補這個缺口。
1．2 SCSI技術
1．2．1 概述
SCSI直譯爲小型計算機系統專用接口(Small Computer System Interface)是一種連結主機和外圍設備的接口，支持包括磁盤驅動器、磁帶機、光驅、掃描儀在內的多種設備。它由SCSI控制器進行數據操作，SCSI控制器相當於一塊小型CPU，有自己的命令集和緩存。要了解SCSI，必須先了解它的類型，以下是STA（SCSI Trade Association，SCSI同業公會）的標準分類。
1．2．2 SCSI接口類型
SCSI連接器分爲內置和外置兩種，內置數據線的外型和IDE數據線一樣，只是針數和規格稍有差別，主要用於連接光驅和硬盤。40針IDE線有40根導線，40針ATA66有80根導線，SCSI內置則分爲50針、68針和80針。至於SCSI外置數據線，就有以多種規格，它們的密度均不相同，千萬別弄錯了。
1．2．3 SCSI ID
相信許多SCSI用戶都有這種經歷，插上設備之後，操作系統怎樣也不認，後來檢查總線，才發現是終結和ID沒有設置好。ID（identify）作爲SCSI設備在SCSI總線的唯一識別符，絕對不允許重複，可選範圍從0到15，SCSI主控制器通常佔用id 7，即是說我們可以用在設備上的ID號共有15個。
在SCSI總線中，控制器也算一個設備， 即實際最大可連接設備數目 = 理論最大支持設備數目-1。
1．2．4 總線終結器
總線終結器能告訴SCSI主控制器整條總線在何處終結，併發出一個反射信號給控制器，必須在兩個物理終端作一個終結信號才能使用SCSI總線。常見的錯誤是把終結設置在ID號最高或最低的地方，而不是設置在物理終端的SCSI設備上。其實，SCSI設備總是以鍊形來連接的，按順序就能分辨出哪一個是終結設備。
終結的方式有三種：自終結設備、物理總線終結器和自終結電纜。大多數新型SCSI設備都有自終結跳線，只要把非終結設備的自終結跳線設置成OFF即可避免衝突問題；物理總線終結器是一種硬件接頭，又分爲主動型和被動型兩種，主動型使用電壓調整器來進行操作，被動型利用總線上的能源信號來操作，被動型比主動型更爲精確；自終結電纜可以代替物理總線終結器，也是一種硬件，它的價格非常昂貴，常用於兩個主機連接同一個物理設備，如：兩個服務器存取同一個物理SCSI硬盤。
通過檢查SCSI ID和總線終結器，我們可以找出大多數衝突現象的解決方法，這是SCSI設備用戶必須重視的一點。
1．2．5 SCSI規格公用的幾個標準術語解釋：
SCSI-1：它是最早SCSI，特點是：支持同步和異步SCSI外圍設備，支持7臺8位的外圍設備，使用8位的通道寬度，傳輸速率爲4MB/s，這現在通常是掃描儀在用的
SCSI-2：類似SCSI-1，但是可以支持同時連接7個裝置，傳輸速率爲 10-20MB/s，目前有CD-R、CD-ROM在使用。
Fast SCSI：8位的通道寬度，使用雙倍的頻率，傳輸速率爲 10MB/s。
Wide SCSI：16位的通道寬度，傳輸速率爲20MB/s。
ULTRA SCSI：8位的通道寬度，傳輸速率爲20MB/s，其允許接口電纜的最大長度爲1.5米。
Ultra Wide SCSI：16位的通道寬度，傳輸速率爲40MB/s，其允許接口電纜的最大長度爲1.5米。
ULTRA 2 SCSI：8位的通道寬度，其採用了LVD（Low Voltage Differential，低電平微分）傳輸模式,傳輸速率爲40MB/s，允許接口電纜的最長爲12米，大大增加了設備的靈活性，支持同時掛接15個裝置。
WIDE ULTRA 2 SCSI：它跟Ultra 2 SCSI差不多，也是採用LVD傳輸模式，允許最長接口電纜爲12米，可同時掛接15個裝置，不同於Ultra 2 SCSI，它有16位的通道寬度，因此傳輸速度爲80MB/s。
Ultra 160 SCSI：支持最高數據傳輸率爲160MB/s。
Ultra320 SCSI：支持最高數據傳輸達到了320MB/s，是目前最新的SCSI接口類型。
Single Ended（單終結）：許多舊式設備都是單終結設備，它們限制於 SCSI-1協議的6米長度。注意：此距離包括設備內部電纜的距離。
Differential（分差動）：SCSI總線和設備可藉助它來延長傳輸的距離，附加線的最大長度爲25米。缺點是與單終結設備不兼容。
1．2．6 SCSI的優點與缺點
SCSI接口優點：
<> 適應面廣，在一塊SCSI控制卡上就可以同時掛接15個設備
<> 高性能（具有很多任務、寬帶寬及少CPU佔用率等特點）
<> 具有外置和內置兩種
SCSI接口缺點：
<> 價格較IDE產品昂貴
<> 安裝複雜
1．3 Fibre 技術
1．3．1 概述
光纖通道是一種跟SCSI或IDE有很大不同的接口，它很像以太網的轉換開頭。以前它是專爲網絡設計得，後來隨着存儲器對高帶寬的需求，慢慢移植到現在的存儲系統上來了。光纖通道通常用於連接一個SCSI RAID（或其它一些比較常用的RAID類型），以滿足高端工作或服務器對高數據傳輸率的要求。
1．3．2 光纖的特點
光纖現在能提供100MBps的實際帶寬，而它的理論極限值爲1.06GBps。不過現在有一些公司開始推出2.12Gbps 的產品，它支持下一代的光纖通道（即Fibre Channel II）。不過爲了能得到更高的數據傳輸率，市面的光纖產品有時是使用多光纖通道來達到更高的帶寬。
不像SCSI，光纖通道的配線非常柔韌。如果帶有光纖光學電纜(Fiber Optic Cabling)，它支持最長的長度超過了10公里，所以可以說SCSI在接口電纜長度的限制上跟光纖是沒法比得，因爲SCSI最長接口電纜不得超過12米。
1．3．3 光纖的優點與缺點
光纖通道優點：
<> 具有很好的升級性
<> 可以用非常長的光纖電纜（帶有Fiber Optic Cabling時，光纖長度可以超過10公里）
<> 具有非常寬的帶寬（現在一般的光纖都具有1.06GBps，而如果採用多光纖通道可以達到更寬的帶寬）
<> 具有很強的通用性
光纖通道缺點：
<> 價格非常昂貴
<> 組建複雜
1．4 RAID技術
1．4．1 概述
RAID，爲Redundant Arrays of Independent Disks的簡稱，中文爲廉價冗餘磁盤陣列。作爲高性能的存儲系統，已經得到了越來越廣泛的應用。RAID的級別從RAID概念的提出到現在，已經發展了多個級別，有明確標準級別分別是0、1、2、3、4、5等。但是最常用的是0、1、3、5四個級別。其他還有6、7、10、30、50等
RAID技術採用若干硬磁盤驅動器按照一定要求組成一個整體，整個磁盤陣列由陣列控制器管理。磁盤陣列有許多特點：首先，提高了存儲容量；其次，多臺磁盤驅動器可並行工作，提高了數據傳輸率；第三，由於有校驗技術，提高了可靠性：如果陣列中有一臺硬磁盤損壞，利用其它盤可以重新恢復出損壞盤上原來的數據，而不影響系統的正常工作，並可以在帶電狀態下更換已損壞的硬盤（即熱插拔功能），陣列控制器會自動把重組數據寫入新盤，或寫入熱備份盤而將新盤用做新的熱備份盤；另外磁盤陣列通常配有冗餘設備，如電源和風扇，以保證磁盤陣列的散熱和系統的可靠性。
1．4．2 RAID類型
1．4．2．1 邏輯驅動器（logical drives）：
邏輯驅動器：是一個簡單的由獨立的物理硬盤組成的隊列
1．4．2．2 邏輯容量（logical volume）:
邏輯容量是由一個或多個邏輯驅動器組成，其成員邏輯驅動器可以是相同RAID集也可以是不同的RAID集
1．4．2．3 RAID的級別
RAID Level
Description
Minimum
Data Availability
Performance Sequential
Performance Random
NRAID
Non- RAID
1
Drive
Drive
RAID 0
Disk Striping
N
== NRAID
R:Highest
W:Highest
R:High
W:Highest
RAID 1(0+1)
Mirroring Plus
Striping(if N>1)
N+1
NRAID
== RAID5
R:High
W:Medium
R:Medium
W:Low
RAID 3
Striping with Parity on dedicated disk
N+1
NRAID
== RAID5
R:High
W:Medium
R:Medium
W:Low
RAID 5
Striping with interspersed parity
N+1
NRAID
== RAID5
R:High
W:Medium
R:High
W:Low
Ø NRAID
硬盤連續使用
NRAID
最少需要的硬盤數目
1
容量
N
備餘
No
NRAID 意思是不使用RAID功能。它使用硬盤的總容量組成邏輯碟（不使用條塊讀寫）。換句話說，它生成的邏輯盤容量就是物理盤容量的總和。此外，NRAID 不提供資料的備餘。
Ø JBOD
JBOD
最小需要的硬盤數
1
容量
1
備餘
No
JBOD 的含意是控制器將機器上每顆硬盤都當作單獨的硬盤處理，因此每顆硬盤都被當作單顆獨立的邏輯盤使用。此外，JBOD並不提供資料冗餘的功能。
Ø RAID 0
亦稱爲帶區集。可以把多塊硬盤（至少2塊）連接在一起而組成一個容量更大的存儲設備。處理數據時把數據分塊並且同時讀寫入組成RAID的磁盤，從而大大提高I/O速率。RAID0設計簡單且實現成本較低，但RAID0沒有冗餘或錯誤修復能力，並且只要組成RAID的磁盤中有一塊出現故障，整個RAID系統的數據將丟失，無法進行任何補救。RAID 0可以提供更多的可用空間和更好的性能，但是整個系統是非常不可靠的，所以，在所有的級別中，RAID 0的速度是最快的。但是RAID 0沒有冗餘功能的，
如果一個磁盤（物理）損壞，則所有的數據都無法使用。
Ø RAID 1
也稱爲磁盤鏡像，至少需要2塊硬盤。每一個磁盤都具有一個對應的鏡像盤。對任何一個磁盤的數據寫入都會被複制到鏡像盤中，並且系統可以從一組鏡像盤中的任何一個磁盤讀取數據。RAID 1下，任何一塊硬盤的故障都不會影響到系統的正常運行，而且只要在任何一對鏡像盤中有一塊磁盤可以使用，系統便可以正常運行；當一塊硬盤失效時，系統會忽略該硬盤，轉而使用相應的鏡像盤讀寫數據，RAID 1甚至可以在一半數量的硬盤出現問題時不間斷地工作。在RAID 1下，我們所能使用的空間只是所有磁盤容量總和的一半，增加了系統的成本，是所有RAID上磁盤利用率最低的一個級別。
Ø RAID 3
RAID 3使用一個專門的獨立磁盤存放所有的校驗數據，而在剩餘的磁盤中以與RAID0相似的方式分割並讀寫數據，即可視爲“RAID3=RAID0+校驗盤”。雖然RAID 3具有容錯能力，但整個系統會因校驗而受到影響，當一塊磁盤失效時，該磁盤上的所有數據塊必須使用校驗信息重新建立；當我們更換了損壞的磁盤之後，系統必須一個數據塊一個數據塊地重建壞盤中的數據：整個過程包括讀取帶區，計算丟失的數據塊和向新盤寫入新的數據塊等；所以，重建活動最好是在RAID系統空閒的時候進行，否則整個系統的性能就會受到嚴重的影響；鑑於這種原因，RAID 3更加適用於那些寫入操作較少，讀取操作較多的應用環境，例如數據庫和WEB服務器等。利用單獨的校驗盤來保護數據雖然沒有鏡像的安全性高，但是硬盤利用率得到了很大的提高，爲n-1。不過，如果校驗盤（物理）損壞的話，則全部數據都無法使用，故爲了解決這一缺陷，產生了RAID5技術。
Ø RAID 5
在運行機制上，RAID 5和RAID 3完全相同，也是由幾個數據塊共享一個校驗塊。RAID 5和RAID 3的最大區別在於RAID 5不是把所有的校驗塊集中保存在一個專門的校驗盤中，而是分散到所有的數據盤中。RAID 5使用了一種特殊的算法，可以計算出任何一個校驗塊的存放位置。這樣就可以確保任何對校驗塊進行的讀寫操作都會在所有的RAID磁盤中進行均衡，從而消除了產生瓶頸的可能，並避免了像RAID3那樣因校驗盤損壞而導致系統失去容錯能力的嚴重故障。硬盤的利用率爲n-1。
RAID 5
Minimum Disks required
3
Capacity
N-1
Redundancy
Yes
RAID (0+1)
結合了RAID 0 和 RAID 1 – 條塊化讀寫的同時使用鏡像操作。 RAID (0+1) 允許多個硬盤損壞，因爲它完全使用硬盤來實現資料備餘。如果有超過兩個硬盤做RAID 1，系統會自動實現RAID (0+1)。
RAID (0+1)
最少需要的硬盤數目
4
容量
N/2
備餘
Yes
Ø RAID 30
實施情況同Level 0數據條陣列，其中，每一段都是一個RAID 3陣列。它的冗餘與容錯能力同RAID 3。這對需要具有高數據傳輸率的RAID 3配置的IT系統有益，但是它價格較貴。
RAID 0
RAID 3 RAID 3
Ø RAID 50
是建立在RAID0與RAID5基礎上形成的，先用3塊或更多的硬盤做成RAID5，然後將形成的低級陣列做RAID0
RAID 0
RAID 5 RAID 5
Ø 其他RAID類型
RAID 2是爲大型機和超級計算機開發的。它可在工作不中斷的情況下糾正數據，但是，RAID 2傾向於較高的數據校驗和糾錯率。
RAID 4包括較大的數據條，這樣，就可以從任何驅動器讀取記錄。由於這種類型缺乏對多種同時寫操作的支持，因而，幾乎不使用。
RAID 6幾乎沒有進行商用。它使用一種分配在不同的驅動器上的第二種奇偶方案，它能承受多個驅動器同時出現故障，但是，性能——尤其是寫操作卻很差，而且，系統需要一個極爲複雜的控制器。
RAID 7有一個實時嵌入操作系統用作控制器，一個高速總線用於緩存。它提供快速的I／O，但是價格昂貴。
1．4．3 RAID技術的應用
1．4．3．1 DAS –direct access storage device 直接訪問存儲設備
DAS是磁盤存儲設備的術語，以前被用在大、中型機上。使用在PC機上還包括硬盤設備DAS的最新形式是RAID。“直接訪問”指訪問所有數據的時間是相同的。
1．4．3．2 NAS --Network Attached Storage 網絡附加存儲設備
一種特殊目的的服務器,它具有嵌入式的軟件系統,可以通過網絡對個種的系統平臺提供文件共享服務
1．4．4．3 SAN --Storage Area Networks 存儲區域網
一種高速的專用網絡，用於建立服務器、磁盤陣列和磁帶庫之間的一種直接聯接。它如同擴展的存儲器總線，將專用的集線器、交換器以及網關或橋路互相連接在一起。 SAN 常使用光纖通道。一個 SAN 可以是本地的或者是遠程的，也可以是共享的或者是專用的。SAN 打破了存儲器與服務器之間的束縛，允許你獨立地選擇最佳的存儲器或者是最佳的服務器，從而提高可擴性和靈活性。