（计算机应用技术专业论文）磁盘阵列技术的性能与应用研究.pdf

摘要硕一 上 论文 a b s t r a c t t h em a j o rc o m p o n e n to fc o m p u t e rm e m o r ys y s t e mi sh a r dd i s k ，b e c a u s ei t s m e c h a n i s ma s p e c tr e a s o n ，i t s p e r f o r m a n c ef o r m anyy e a r s h a s n tb e e ng r e a t l y 1 即r o v e d s o t h a ti t h a s b e c o m e t h e c o m p u t e r p e r f o r m a n c e s b o t t l e n e c k . i n o r d e r t oi m p r o v et h ee x t e r n a l m e m o r y sp e r f o r m a n c e ，a tp r e s e n tt h ef e a s i b l em e t h o d m a i n l ys e t su pt h er a i d r a i dh a sm a n yk i n d so fr e a l i z a t i o np l a n ，f o re x 胡p l e ， r a i do ，r a i di ，r a i d1 0 ，r a i d5a n ds oo n .t h es e t t i n gc a nb ea c h i e v e db yn o t o n l yt h e h a r d 砰 a r e c o n t r o l c h i p ， b u t a l s ot h e e m b e d d e d s o f t 份 a r e 夕s r a i df u n c t i o n o fo p e r a t i n gs y s t e m ，ord i n a r i l y ，i nt h eh ard w a r er a i dr e a l i z a t i o np l an，t h e i d e n t i c a 1g r o u ph a r dd i s ko n l yc a nr e a l i z eo n ek i n do fr a i dp 1 a n ，b u t以t r i x r a 1 dt h a tp r o m o t e db yi n t e 1c o r p o r a t i o nm a ys i m u l t a n e o u s l yr e a 1 i z eral d0a n d r a i dlo nt 甲 oh a r dd i s k s ，h a ss i mul t a n e o u s l ys a t i s f i e dt h eu s e r s v a r i o u s r e q u e s t sb yt h et o 份 e s tp r i c e .t h i sp 即e rh a sm a i n l yr e s e a r c h e de a c hk i n do f r a i dp l a n s p e r f o r 服n c e .i th a ss e tu pm a n yk i n d so fr a i dp 1 a nt h r o u g ht 贾 。 t e s tp l a t f o r m s ，t h r o u g hr i g o r o u se x p e r i m e n t s ，i th a sa n a l y z e de a c hp l a n 5 p e r f o r m a n c ec a r r i e do nt h e a n a 1 y s i s b yt h ed e t a i l e dd a t a . a l s ot h er e l i a b i l i t y o fe a c hp 1 a nh a sb e e np r o v e db yd i f f e r e n tw a y s .t h ep a p e rh a sa l s oc a r r i e d o nt h et h e o r e t i c a 1c a 1 c u l a t i o nt oe a c hk i n do fc o mmo nr a i dp l a nr e l i a b i l i t y ， 1 a y st h ef o u n d a t i o nf o ru s e r sc h o o s i n gt h ec o r r e c tp 1 a nb yt a k i n gt h e q u a n t i f i c a t i o nd a t a ，f i n a l l y ，t h ep 即e rh a ss u m m a r i z e dt h er e s e a r c h份 o r k ，a n d p u tf o r w a r dt h ep r o p o s a lf o r1 a t e rr e s e a r c h贾 o r k . k e 钾o r d s : r e d u n d a n ta r r a yo fl n d e p e n d e n t d 主 s k s d y n a m i cd i s kr e l i a b i l i t y m a t r i x r a i d n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知， 在本 学位论文中，除了 加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人己经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用 过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作 了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 葺真解年 / 月 匆 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以 借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授 权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的 有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 暮未 褚 年 1/ 月 抑 南京理工大学硕士论文磁盘阵列技术的 性能与 应用研究 1 绪论 l l概述 计算机界有一个著名的摩尔定律，就是半导体集成电路里晶体管的个数每十八个 月会翻一番， 其性能也会提升一倍。 到目 前为止， c p u的主频基本上是按照这一规则 在提高，显卡的运算能力，内存的性能也在不断地快速提升。然而，计算机内的另一 重要部件硬盘，由于其机械结构方面的原因，其性能多年来一直难以得到明显的 提升，现在硬盘的性能己成为计算机整机性能的瓶颈。 硬盘性能的主要指标是硬盘数据传输率，硬盘数据传输率又包括外部传输率和内 部传输率。前者指硬盘接口的数据传输率，后者指硬盘本身的数据传输率。目前硬盘 外部数据传输率高于硬盘内部数据传输率，一般达 10 0 m bls 以上， a l ，a l oo 即指其外 部数据传输率为100 mb/s 。 而硬盘内部数据传输率尚不超过60mb/s ， 故而硬盘的性能 主要由内部数据传输率决定。因此，要想提高硬盘的性能，就要提高硬盘的内部数据 传输率，一般而言可以采取的措施包括提高硬盘的转速、硬盘的单碟容量等。硬盘的 单碟容量的提升速度较快，但硬盘的转速的提高则没有这么容易，因为涉及到机械部 件。转速提高后会带来诸多负面影响，如硬盘噪声加大，特别是硬盘发热量也会明显 增大， 会严重影响硬盘的稳定性和安全性，台式机硬盘的转速多年来一直维持在 720 0 转/ 分钟，这实际上就是硬盘性能不能迅速提升的主要原因。 近来， 硬盘技术有了一些新的发展，比如s a i a 、 r a i d等。s a t a( seri ala i a) 是串行 a i a接口的意思， s a t ai . 0 版本的数据传输率为 15o mb z s ，而 s a i a n的数 据传输率达到了惊人的300 mb /s 。但这都是指外部数据传输率，该速率的提升只能加 快硬盘缓存的存取速度， 而目 前绝大部分硬盘的缓存充其量只有区区s m b 。 因此， 从 理论上讲，在目前硬盘内部数据传输率还不到60mbis的情况下，采用s a i a并不能 对硬盘的性能改善起到多大的作用。那么，在目前情况下.能有效提高硬盘性能的做 法就是组建 r a i d ( 磁盘阵列) 。 l z论文的研究内容 本论文内容上主要包括对各种r a id 技术进行研究，分析测试各种r a i d的优缺 点，并通过实际应用环境来进行验证，力求找到最适用的r a i d应用方案。具体内容 有如下几个方面: 1 、各种r a i d方案的原理: 2 、常见r a i d方案的实现及其性能分析; 3 、ma t r i x r a i d的应用与研究; 4 、r a i ds 的应用与研究; 5 、r a id 10的应用与研究; 绪论硕 一 l 论 文 6 、s o f t r a i d的应用与 研究; 7 、常见r a i d方案的可靠性分析。 1 .3论文的组织 论文正文分为七章， 主要介绍了目 前常用r a i d方案的理论基础、 实现及其性能， 并进行了各方案的可靠性分析。 第一章，绪论，介绍了本文研究的课题背景。 第二章，r a i d技术综述，介绍了常见r a i d方案的理论基础。 第三章，多种r a i d控制芯片的比较，介绍了常见r a i d控制芯片及其所能提供 的r a i d方案。 第四章， i c h 7 r集成的r a i d ， 介绍了i n t e l 在i c h 7 r中提供的mat ri x r a i d方案 及其所支持的r a i ds 、r a i d1 0 。 第五章， s o f t r a i d的应用与研究， 介绍了不使用r a i d控制芯片， 而由 操作系 统所提供的软r a i d功能。 第六章， r a i d的可靠性分析，对各种常见r a i d方案的可靠性进行了理论分析。 第七章，结束语，对所做的研究工作进行总结。 南京理工大学硕士论文磁盘阵列技术的 性能与应用研究 z r a i d技术综述 z j 弓 1 言 r a i d全称为red u n d ant a rr a y o f d i s ks，是 “ 独立磁盘冗余阵列” ( 最初为 “ 廉价 磁 盘 冗 余 阵 列” ) 的 缩略 语 19【 10) . 19 87年由p att er s on， gi b so n 和k a t z 在 加州 大学 伯 克利分院的一篇文章中定义。 r a i d阵列技术允许将一系列磁盘分组，以实现为数据 保护而必需的数据冗余，以及为提高读写性能而形成的数据条带分布。r a i d最初用 于高端服务器市场，不过随着计算机技术的快速发展，r a i d技术已 经渗透到计算机 遍布的各个领域。 利用r a i d 方式，人们能够以 低廉的价格将众多的高速磁盘组成一个容量大、速度 高的存储系统。 这样， 既避免了 采用大容量的磁带带来的低速， 又节省了 研发超大容量 磁盘的昂贵费用。人们根据各种应用系统不同的需求设计了几种基本的r a i d 结构，称 之为r a i d级别，一般分5级， r a i d i 、 r a i dz、 r a i d 3 、r a i d 4 、 r a i d s 等， 其中 rai d z和 rai d 3业界 较少采用11 tl zi 。 基于这几 种基本级别， 又 拓 展出 一些 r a i d 组合 以 适应更广泛的需求， 从而产生了一系列的r a i d 方案， 各种r a i d 方案都有自已的优缺 点。 本章以下内容主要是对各种主要r a i d 的方案及其衍生产品进行介绍，并对其性能 进行简要分析。 2 . z r a i do和 r ai di r a ido 和r a i di 是最基本的r a i d 方案，这两种方案最少用两个硬盘就能实现。 2 . 2 . i r ai do r a i do如图2. 2 . 1 . 1所示。 在计算机系统中， 输入输出永远是性能的瓶颈，因为磁 盘的主体是机械构件， 而机械构件的速度是无法达到电子设备那么高的， 因此人们一方 面努力提高输入输出的性能，另一方面合理分配c p u ， 协调各子系统之间的配合， 籍此 来提高系统的整体性能。r a ido 将数据合理分配到不同的磁盘上，这样单位时间内的 读写速度便会大大提高。 图2 . 2 . 1 . ir a i do r 八 i d技术综述硕十论文 raid。方式至少由两块磁盘组成，它使用一 种称为“ 条带” ( st r i p in g )的技术把 数据分布到各个磁盘上。在那里每个 “ 条带” 被分散到连续 “ 块” ( b l ock) 上，数据被 分成从5 12字节到数兆字节的若于块后，再交替写到磁盘中。第1 块被写到磁盘a 中，第 2 块被写到磁盘b 中， 如此类推， 使磁盘的逻辑存储顺序按照图2. 2 1 . 1 中字母顺序来存储 数据。当系统到达阵列中的最后一个磁盘时，就写到磁盘a 的下一分段。 这样一来，所 有的1/ 0访问将会被分担到每个磁盘驱动器上，从而大大提高了输入输出的效率。 r a i do 方式是一种无容错机制的盘组方式，因此它结构简单，易于实施，但同时 也带来了它几乎没有容灾性能的致命弱点。在r a i do 盘组中，任何一块磁盘的损坏都 将导致整个存储子 系统无法工作，这在很多大型系统中几乎是不能容忍的。 2 . 2 . zrai d i r a id i( 镜像和双工阵列)如图2 .2.2 . 1 所示。 r a id i也至少需要两块磁盘来组 成。与r a i do截然不同的是r a i di 采用了镜像方式，将磁盘两两配对，形成全冗 余的组合， 确保数据的稳定可靠 113 1 122 1 。因为一个磁盘上的数据被完全复制到另一个 磁盘上。如果一个磁盘的数据发生错误，或者硬盘出现了坏道，那么另一个硬盘可以 补救回磁盘故障而造成的数据损失和系统中断。因此，r a id i最多可以容忍一半的 磁盘发生故障 ( 当然，不能有同一镜像的两块磁盘同时发生故障) 。 图2 ， 2 . 2 . ir a i di 另外， r a i di 还可以实现双工即可以复制整个控制器， 这样在磁盘故障或控 制器故障发生时，数据都可以得到保护。镜象和双工的缺点是需要多出一倍数量的驱 动器来复制数据，但系统的读写性能并不会由此而提高。 r a i di方式在增加数据的可靠性的同时，其全冗余结构也降低了 整体系统的效 率。 r a i di 一般应用在金融、财务以及其他要求高 数据可靠性的领域。 2 . 3 r ai d3 和 r a i ds rai d3 和r a i ds 都是带奇偶校验的rai d方案 11 2 ，所不同的是， rai d3 有一 个专门的校磁盘，而r a i ds 则将校验数据分布在所有磁盘上。 南京理工大学硕士论文磁盘阵列技术的性能与 应用研究 2 . 3 . ir ai d 3 r a i d3( 带奇偶校验的并行传输阵列)如图2. 3 . 1 . 1所示。 r a i d3 采用相对简单 的校验码来保证数据的完整性，校验盘数减至1 ，冗余度为1 加 ，数据以位交叉方式 存放。显然， r a i d3 至少需要3 块磁盘来组成。数据块被分割成条带化 ( 按位交叉) 分别存储在各个数据盘上，在每次1 1 0写操作后，其校验码写入一块专用的校验磁盘 上。每次读操作的时候进行校验。 由于r a i d3采用了并行机制，因此具有很高的读写数据传输速度，但同时也造 成了控制器设计比较复杂的问题。由于采用了奇偶校验码，单个磁盘的故障不会导致 存储系统的故障。当单盘失效时，可从剩余的磁盘和校验盘上读出相应单元的数据再 异或而得到失效磁盘上的数据. 由于对单块校验盘进行最后的校验和计算工作，其读写事务处理能力不会高于单 盘。因为r a i d3对系统资源消耗较大，因此基本不用软件方式来实现。另外，由于 r a i d3按条带存储，无逻辑单元，因此不论u o操作的数据量大小，都必须对整个 条带进行校验位的计算，并写入校验盘。每次读写要牵动整个组，每次只能完成一次 f o，这是r a i d3 的最大弊端。 r a i d3比较适合如视频编辑、硬盘播出机、大型数据库等安全性要求较高、数 据吞吐量大的应用。 2 3. zrai d s r a i ds( 分布式奇偶校验阵列)见图2. 3 .2 . 1 。r a i ds 把奇偶位信息也分布在所 有的磁盘上，而并非一个磁盘上，大大减轻了奇偶校验盘的负担，构成阵列的磁盘不 再有校验盘与数据盘之分。这种方式很好地保证了阵列的负载平衡，因此具有很好的 集合数据传输率。 r a i ds结构同样支持多盘的并发读写。 r a i ds也具有良 好的容灾 性能，在单盘发生故障的情况下，可以根据校验数据计算故障盘上的相关数据，更换 磁盘后重新进行数据重建，但同时性能也会受到一定影响。 r a i d技术综述硕士论 文 图 2 . 3 . 2 . ir a i ds r a i ds 能提供较为完美的整体性能，因而也是被广泛应用的一种磁盘阵列方案。 它适合于输入1 输出密集、高读j 写比率的应用程序，如事务处理等。大部分文件服务 器、应用服务器、数据库服务器、www、 e m ai l 、新闻服务器等都适用于r a i ds 。 为了具有r a id s 级的冗余度，至少需要三个磁盘组成的磁盘阵列。r a i ds可以 通过磁盘阵列控制器硬件实现， 也可以通过某些网络操作系统软件实现。 但r a i ds对 控制器的要求很高，控制器除了要具备快速传输能力外，还要有很强的计算能力，而 且r a i ds的容灾性能只能保证单盘的故障不影响整个存储系统，一旦发生两块磁盘 的故障，数据便无法恢复。 2 . 4 r ai do + 1 、r a i d1 0及 r ai di . 5 r a i do + 1 、r a i d1 0及 r ai di . 5 又改善了数据读写的性能。 r a i do +l 试图以两个硬盘来实现这一功能。 都是既提供了镜像的功能以保证数据的安全性， 和r a i d10 需要四个硬盘才能实现， 而r a i d1 5 2 . 4 o i r ai do + 1 r a id o +l 是高数据传输性能的磁盘阵列， 见图2 :41 . 1 。 组建r z 、 i do +i 需要至少 4 个磁盘， 它实际上是将2个r a i do 系统进行镜像，综合了r a i do和r a i di的 技术。 其容灾性能 等同于r a i ds， 冗余度等同于r a i di 。 由于具有r a i do的性能， 它具有很高的1/ 0速度。 t ， 百 护 石 . 匆劝d ， 奋 . f . 扮 伟d 二 图 2 4 . 1 . ir a i do+ l 南京理工大学硕士论文磁盘阵列技术的性能与应用研究 r a i do 十 1和下面要介绍的r a i d10的概念比较接近，但是它们是不相同的。在 r a i do + 1结构中，如果任何一块磁盘失效，则该磁盘所在的镜像就失效，整个存储 系统就演变成为一个r a i d。 系统。 在有磁盘失效的情况下通过改变系统的体系结构， 牺 牲部分系 统性能来保障系 统 运转.因 此， 它是一种能 够达到很 好的u o性能， 但无 需达到最高系统可靠性的解决方案。 r a id o +1 同时也具有所有镜像系统和条带化系统共有的弱点:冗余代价大，扩 展 性不好， 磁头的并 行定 位导 致持续性性能的下降 等。 r a i do+1 适用于一些基于图 像的应用或者一般的文件服务器。 2 . 4 . 2rai d 1 0 r a i d10 也被称为镜象阵列条带115 1 ，见图 2. 4. 2 . 1 . r a i d10 提供1 00% 的数据冗余， 支持更大的卷尺寸。组建r a i d10需要4 个磁盘，它实际是r a i do 十 r a i di ， 同时采用分 块和镜像技术，即同时使用了r a ido 和r a i di ， 通过分块镜像集实现。 采用分块技术， 多个磁盘可并行读写，磁盘1/ 0 性能很高，能够达到r a i do 的水平;采用镜像存储使得 可靠性能够达到r a i di的水平，成为所有磁盘阵列中最高的。由于集中了 r a i do 和 r a i di 的优点，r ai d10 的性能是所有r ai d类型中最好的，但冗余代价较高。 . lr ，.d 二. ir ，d 二 图2 . 4 . 2 . ir a i d1 0 r a i d10 的可扩展性不强， 而且，由于工作中所有的驱动器必须并行地将磁头移 动到适当的位置，因此降低了系统的持续性性能。r z 、 i d10适用于对可靠性和性能都 有很高要求的数据库系统。 2 . 4 3r ai d i . 5 r a i di . 5 是一个新生的磁盘阵列方式，它具有r a i d份1 的特性。不同的是，它 的实现只需要2 个硬盘。 从表面上来看， 组建r a i di . 5 后的磁盘， 两个都具有相同的 数据。当然， r a i di . 5 也是一种不能完全利用磁盘空间的磁盘阵列模式，因此，两个 8 0 g b的硬盘在组建r a i di . 5 后，和r a i di 是一样的，即只有80g b的实际使用空 r a i o技术综述 硕一 t 论文 间，另外s o g b是它的备份数据。如果把两个硬盘分开，分别把他们运行在原系统， 也是没有问 题的. 在r a i d1 5 的模式下， 由于在写的过程中， 所有的驱动器并行地将磁头移动到适当 的位置， 因此降低了系统的持续性性能。 而 在读的过程中， 两个驱动器的磁头不在同一 个位置， 因此降低了系统的读取数据的性能， 但由于读取数据时， 系统是从两个硬盘各 读取一部分数据，从理论上讲，其性能应比从一个驱动器中读取数据的效率要高。 2. 5小结 本章主要介绍了各种r a i d方案的构建原理及其性能的优缺点。以上所列举的方 案虽多，但由于其中一些方案要求有较多数量的硬盘，或者对r a i d控制芯片有较高 的要求， 致使实现的成本较高， 限制r ai d技术的普及。 在日常应用中， r a i do 、 r a i d 1 、 r a id 10、 r a id i . 5 是构建成本较低， 应用面较广的几种方案， 我们特列表对这几 种方案进行进一步的分析。 表2. 5 ， 1常见r a i d方案的比较 r a i d级别rai d orai d irai d 1 0rai d i . 5 名称条带镬像条带十 镜像条带十 镜像 允许故障否是是是 冗余类型无副本副本副本 热备用操作不可可以可以。 1 以 硬盘数量2个以 上2个4个2个 可用容量最人j 、中间小 减少容量无 5 0 % 2个磁盘5 0 % 读性能高 ( 盘的数晕决定， 较低较高 中间 写性能最高中间较高中间 典型应用无故障的迅速读写 允许故蹄的小文 件、 随机数据写入 允许故障的小文 件、 连续数据传输 允许故哪的小文 件、 随机数据传输 纵观各种r a i d方式，我们可以 看出，r a i d级别的选择有几个主要因素:可靠 性 ( 数据冗余) 、 性能、 成本和可扩展性。 如果不要求可靠性， 选择r a i do以 获得最 佳性能。如果可靠性和性能是重要的而成本不是一个重要因素，则根据硬盘数量选择 r a i d1 0 。 如果可靠性和成 本是重要的而性能不是一个主要因素，则根据硬盘数量选 择raidi 或raid1 5 。 如 果 可 靠性、 成 本 和 性 能 都同 样重 要 ， 则 根 据一 般 的 数 据传 输和硬盘的数量可考虑选择r a i ds 。 南京理工大学硕士论文磁盘阵列技术的性能与应用研究 3多 种r a i d控制芯片的比 较 3. 1引言 上一章主要讲述了各种r a i d技术的特点，那么，使用r a i d后，硬盘性能究竟 能提升多少，各种硬盘的r a i d组合性能究竟如何，需要通过其在实际应用环境下的 表现来说明。在以下第3 章、第4 章、第5 章中，作者实际组建了 各种r a i d应用环 境， 并采用同一测试软件， 获取其实际性能数据， 以表明各种r a i d方案性能的优劣。 为了增加数据的可比性，第一个应用环境选用了e p o x4 p d a z + 主板。这块主板 内建s i l i c o ml m 昭e s i l 3 l l z a芯片，可支持s a t a r a i oo 、1 ;集成h p t 3 7 2 芯片，支 持户 j ar a i do 、1 、1 . 5 、 小1 ， 使用i c h s r芯片， 支持5 户 li ar a i do( 需win d o w s x p 配合) ，基本上包括了市面上常见的几种r a i d芯片。 为使 测试结果更 具说服力， 研究中 还尽可能 使 用了 同 种规格的 硬盘: 两 个s eg at e 7 2 0 0 .7 8 o g b硬盘( p a i a接口， z m a缓存) 和两个s c g a t e 7 2 0 0 . 7 p l uss o g a硬盘( s a i a 接口，s mb缓存) 。这四个硬盘均属希捷 7 2 0 0 .7系列，单碟容量都是80g b ，转速同 为7 2 0 0 转，操作系统选用了windo w s 98 ( i c h s r的s a r ar a i do 除外，因为该模式 不支持win dows 9 8 ) 。 应用环境: 主板 磐正e p o x4 p d a z +( i nt e l 8 6 5 p e + i c h s r ) c p u:p e n t l u n 口 42 . 4 g hz( 8 0 0 mhz f s b) 内存:k i n s 切 n d d r40 0 2 5 6 mb xz( 双通道) 显卡:耕升银狐 5 2 0 0 d t( g e foref x 5 2 0 0 ) 操作系统:wi d d o w s 9 8 + d i re ctxs . 1 wi n d o ws xpp rofes s i o n a l 硬盘:希捷 7 2 0 0 . 7 8 0 g b2 个 ( 并行a t a接口，z mb缓存) 希捷7 2 0 0 . 7 p l us8 0 g bz 个 ( 串行a t a接口，s m b缓存) 测试软件:s i s o fts and ra2 0 0 4 3 . z i d e硬盘 1 、主板芯片组e a i a接口单硬盘应用 将一个并口 硬盘 ( p a r a 硬盘) 接在主板的 p ri m a n y l d e 接口( i d e i) 上，运行 s i softs and ra2 0 0 4 ，测得硬盘读写速度为3 6 9 5 0 k b /s( 见图3 .2 . 1 ) 。 南京理工大学硕士论文磁盘阵列技术的性能与应用研究 3. 4小结 为便于比 较，这里将所有的应用结果列表如下: 表3 :41单硬盘及r a i do /ra i di 的结果比较 硬盘类型硬盘接口操作系统读写速度 ( k b / 5 ) 并行硬盘 i d ei( i c hs )wi n d o ws9 83 6 9 5 0 i de3( h p t 3 7 2 )wi n d o wsg s3 7 2 0 9 h p t 3 7 2r a i dowi n d o ws 9 84 4 0 7 0 h p t 3 7 2r a i dlwi n d o ws 9 83 4 9 5 7 h p t 3 7 2r a i dl swi n d o ws 9 83 5】 1 6 串行硬盘 s at ai( i c hs )wi n d o ws 9 83 7 5 2 4 s a t ai( s i l 3 l l z a)wi n d o ws 9 83 7 4 4 9 s i l 3 l l z ar aidlwi n d o ws 9 83 5 8 5 4 s i l 3 l l z ar aidowi n d o ws g 忍5 0 5 5 4 s i l 3 l l z ar a i dowi n d o ws xp5 7 3 5 6 i c hs rr a l dowi n d o ws xp7 2 3 3 7 综上所述， 单个硬盘接在不同的接口， 其性能基本相当， s a i a硬盘的性能比ide 硬盘的性能略占上风，但考虑到 s a t a硬盘的缓存为 s mb ，而 i d e硬盘的缓存仅有 z m b ，有这样微弱的差距应属正常。 组建r a id 后，所有r a l dl 的成绩均较单只硬盘略低，则是因为组建r a i d ，加 重了系统负担而造成的. 而r a i d 。 模式性能提高较多， 特别是ich s r所提供的r ai d o 模式， 在si so fts and ra2 0 0 4 下所测得的成绩与单个硬盘相比， 几乎翻番， 充分反映了 r a i do 模式所带来的性能提升。 在此应用环境中， h p t372芯片所提供的r ai d 性能， 较其他两种芯片有较大差距， 特别是r a i dl . 5 的性能未能发挥，这与h p t 3 72芯片的驱动程序不够成熟有关。特别 是r a i dl . 5 ，是一种新的r a i d模式，在驱动程序改善以后，性能会有进一步提升的 空间。 从结果来看， 组建r a i do 确实带来了性能的提升， 但由于r ai do 模式将数据分 别存储在两块硬盘上，一旦其中一个硬盘出现故障，数据就会损坏，故障率几乎是一 个硬盘的两倍。 如果组建r a i di ， 数据实际上是有了一个实时的备份， 除非两个硬盘 同时出故障，否则数据就是安全的， 但其性能甚至比单个硬盘性能还差。而r a i d1 5 目 前的表现也不能让人满意。 如果同时需要性能的改善，又要保证数据的安全，是否只能用四个硬盘去组建 r a i di o 或者是使用r a i ds ，在下一章，会提出一种全新的方案。 i c l l 7 r生成的r a i o硕士论文 4 l c h ， r集成的r a i d 4. 1引言 上一章中介绍了常见的r a i d方案的实现及其性能表现，也提出了 一个问题:能 否以最低的成本在改善性能的同时，又保证重要数据的安全。 in t el公司 在ich s r芯片中率先了主板芯片组内 集成r a i d功能， 大大降低了 组建 r a i d的门槛，充分展现了业界巨擎强大的开发实力。在此开创性盛举之后，i nt el公 司并未止步不前， 而是继续进行开创性的研究， 在它所开发的ich 6 r芯片中又提出了 一个创新概念:m a 示x r a i d 。 犯a do 将原本需要由一个硬盘完成的工作交由两个磁盘来分工完成， 理论上， 速 度可以提高一倍; r a i di 是将原本需要一个硬盘来保存的数据备份一份到另一个磁盘 上，提高数据安全性。对于那些对数据冗余存储要求非常高的用户来说，有其它的方 案可以选择，r a i ds 和r a i do 十 1 或r a i d10。相对于没有r a i d的方案来讲，这些 方案都可以 提供更高的 性能，在磁盘崩溃的情况下， r a i d10和r a i do +l 方案可以 瞬时将出错硬盘上的重要数据备份到另一个硬盘上，而r a i ds 可以通过奇偶校验位 恢复丢失的数据。 然而，要实现r a i do 阵列存储需要2 个硬盘， 实现r a i di 阵列存 储也需要2 个硬盘，若要同时实现r j 、 i d0 +1 则至少需要4 个硬盘，此外还需要配备 高价的r a i d控制器，对于那共既想要性能又想要安全性的用户，4个硬盘的花费再 加上高价的r a i d控制器成本太高。这是目前众多用户在家用p c计算机或者工作站 系统上构建ria d所面临的困境，也是r a i d存储方案一直无法推广的问题所在。 in tel公司的mat ri xr a i d技术在理论上非常简单，m at ri xr a i d最大的特点就是 可以在两个物理硬盘上实现两级的r a id 功能， 每级r a i d只和自己的逻辑分区有关。 假设有两个硬盘，使用m a t ri x r a i d技术之后，每个硬盘被分成两部分，一部分称为 r a id o 分区，另一部分称为r a i di 分区。m a 布 ri x 犯a d之所以能够在两个硬盘上实 现两级r a i d功能， 这要归 功于i nt el公司的m s m( m at ri xs to ra gem anager ) 软件层 的支持。 而由于m a 飞 ri x r a i d是ich 6 一 r 硬件芯片和ms m软件层的相结合产生的结果， 而m s m软件层还要依赖于特定的计算机操作系统。因此， m atrixr a i d目 前只能 在 windo w s x p ，windo w s 2 0 0 0 和win d o w s 2 0 0 3 s e rv e r 操作系统下实现。 如果使用了m at ri x r a i d ， 就可以 在计 算机系统上建立一个r a i do 阵列， 并将它 作为主要的r a i d阵列，可以 在r a i do 阵列分区上安装操作系统、应用软件以及存 放大量需要快速访问的 数据，这祥会大大加快系统启动和应用软件运行的 速度。 剩下 的磁盘空间可以作为r a i di 阵列使用，在其上安装对磁盘存取性能要求不高但非 常 重要的数据， r a i di 阵列分区上的数据会自 动地备份到另一个硬盘上， 如果其中一个 硬盘崩溃，在另 外一 个硬盘上还保存着这些重要的 数据备份。使用m at ri x rai d阵列 技术，就可以同时获得高速度和稳定性两方面的性能。 l 吕 sof 下 r mo的应爪与 研究硕士论文 s s o ftr a i d的应用与研究 s j 弓 1 言 上两章详述了目前比较常见的r a i d方案的实现以 及它们的性能和特点，并进行 对比。不过这些r a i d方案的实现除了 要使用较多的硬盘以外，无一例外的还需要有 相应的 r a i d控制芯片的支持，例如专用的 r a i d控制芯片或主板芯片组内集成的 r 人 i d控制功能。而如果没有r a i d控制芯片，也是可以使用 r a i d的，这就是本章 所要介绍的s o ftr al d 。 实际上wi n d o ws x p 、 win d o w s 2 0 0 0 s e rve r 、 win d o ws 2 0 0 3 s e rve r 都提供了内嵌的软件r a i d功能，并且应用软r a i d同样可以实现r a i do ，r a i di 和r a l n5 i 3 仍 。 要使用s o f t r a i d ，首先要了 解一些与磁盘使用相关的概念。 磁盘的使用方式可以分为两类:一类是“ 基本磁盘” 。平时使用的磁盘类型基本上 都是“ 基本磁盘” 。在“ 基本磁盘， 上只能建立四个主分区 ( 其中可以有一个扩展分区， 主分区可以直接分配盘符使用，而扩展分区不能直接分配盘符，必须在其上建立逻辑 分区后才可分配盘符使用) ; 另一种磁盘类型是“ 动态磁盘” ， 它是用“ 卷” 来命名的。 “ 动 态磁盘” 的最大优点是可以将磁盘容量扩展到非邻近的磁盘空间15111 41 121】 。 动态磁盘与基本磁盘相比，不再采用以前的分区方式，而是叫做卷集( volu m e)， 它的作用其实和分区相一致，但是具有以下区别: 1 )更改磁盘容量 动态磁盘;可以在不重新启动计算机的情况下更改磁盘容量大小，而且不会丢失 数据。 基本磁盘:分区一旦创建，就无法更改容量大小，除非借助于特殊的磁盘工具软 件， 如p q m a g i c 等。 2 )磁盘空间的限制 动态磁盘: 可被扩展到磁盘中包括不连续的磁盘空间， 还可以创建跨磁盘的卷集， 将几个磁盘合为一个大卷集。 基本磁盘:必须是同一磁盘上的连续的空间才可分为一个区，分区最大的容量也 就是磁盘的容量。 3 )卷集或分区个数 动态磁盘:在一个磁盘上可创建的卷集个数没有限制。 基本磁盘:一个磁盘上最多只能分四个区。 5. 2动态磁盘的卷 使用动态磁盘，可以不限制卷的数量，还可以随时改变卷的大小。不过，动态磁 盘无法通过w i ng忿 / x p h o m e 访问， 在w i nzo o o/ w i nxp pr 。 双操作系统的环境下也无法 使用，需要特别注意。此外，一旦升级到动态磁盘，就无法再返回到原来的基本磁盘 s o frr a i d的应用与 研究 硕十论文 5. 4小结 本章介绍了s o f t r a i d的实现和性能研究，s o f t r a i d包括了五种类型的动态 卷:简单卷、 跨区卷、带区卷、镜像卷和 r a i ds 卷。 简单卷用于只有一个动态磁盘; 跨区卷可以让你充分利用各个磁盘的剩余容量; 带区卷的性能最好， 但它不具备容错能力: 而镜像卷和r a i ds 卷则都具备容错能力。 使用 r a i di的镜像卷在读操作中要慢于r a i ds卷，但与 r a i ds卷不同的 是，丢失了 冗余性的镜像卷对系统的影响最小，因为另一个磁盘含有所有数据，从而 不需要重新计算数据来运行系统。配置镜像卷上的引导卷时，在磁盘发生故障后，不 需要重新安装 win d o w s 2 0 03 来重新启动计算机。 与 r ai ds卷相比， 镜像卷具有更低的成本， 因为它只需要两个磁盘， 而 r ai d 一 5 卷需要三个或更多的磁盘;需要的系统内存也较少:在出现故障期间还不会降低系统 性能 ( 除非进行大量的读磁盘操作) 。 但镜像卷每g b的数据量的成本更高; 空间利用 的效率更低。由于要复制数据，所以镜像卷比 r a i d 一 5要求的磁盘空间更多. r a i ds卷是包含数据和奇偶校验、跨三个或更多物理磁盘、划分带区的容错卷。 如果物理磁盘的某一部分失败，可以用余下的数据和奇偶校验重新创建磁盘上失败的 那一部分上的数据。对于多数活动由读取数据构成的计算机环境中的数据冗余来说， r a i ds卷是一种很好的解决方案。 与镜像卷相比， r a i ds卷具有更好的读性能。 然而，当其中某个成员丢失时 ( 例 如当某个磁盘损坏时) ，由于需要使用奇偶信息恢复数据，因此读取性能会降低.无 论如何，对于需要冗余和主要用于读操作的程序，建议该策略要优先于镜像卷。奇偶 校验计算会降低写性能。 而且， 在常规操作中， 读取操作需要的内存是写操作的三倍。 并且，当卷出现故障时，与发生故障之前相比，读操作至少要求三倍以上的内存。这 两种情况都是由奇偶校验计算引起的。 r a id一 5以卷的一个附加磁盘为代价提供数据冗余。但是，与镜像卷相比，从 r a i d 一 5卷中的磁盘故障中恢复所花的时间要长。 镜像卷和 r a i ds 卷可使用基于硬件或基于软件的解决方案来创建。通过基于硬 件的 r 人 id，智能磁盘控制器处理组成 r a i d卷的磁盘上的信息的创建和重新生成。 windo w sserv er2003 家族操作系统提供基于软件的 r a id卷，其中的磁盘上的信息 的创建和重新生成将由“ 磁盘管理”来处理。两种情况下数据都将跨磁盘阵列中的所 有成员 进行存储。 但一般情况下， 基于硬件的 r a i d提供的性能比基于软件的 r a i d 要好，因为基于 硬件的 r a i d不会带来系统处理器上的开销。 南京理工大学硕士论文磁盘阵列技术的性能与应用研究 6 r a id 的可靠性分析 .l 引言 在前面几章里我们介绍了各种软硬r a i d方案的实现并对其进行了性能分析，组 建阵列的目 的一是为了提高硬盘的读写性能， 还是一个目 的是为了提高硬盘系统的容 错能力，也就是要研究其可靠性. 磁盘阵列根据r a i d控制器采用的工作模式和算法不同有不同的级别，因而也具 有不同的 可靠性和性能 l 川25112 6 。 目 前， 常用的磁盘阵 列有raido 、 r a i d i 、 r a i d卜1 、 r a id s 和r a i d10等。这些磁盘阵列我们在前面几章都已 经进行了介绍，对这些磁 盘阵列的性能我们也都已经了 解。那么这些常见磁盘阵列的可靠性如何，则是本章所 要探讨的内容。 一个磁盘阵列可以 有包含多个不同的r a i d 级和磁盘容量，为简化模型，本文仅讨 论基于4 个以下相同r a i d 级硬盘驱动器组成的磁盘阵列， 假设所用硬盘为在每周七天每 天二十四小时不停运转情况下，三年内可靠性可以 达到90%的80g b 硬盘驱动器，在此 基础上进行磁盘阵列可靠性的分析和计算。 6. 2基本磁盘阵列 由两块硬盘所组成的r a i do