RAID技术的实现.ppt

RAID是RedundantArrayIndependentDisks的缩写 直译是 独立冗余磁盘阵列 简称 磁盘阵列 即多块独立的硬盘 物理硬盘 按不同方式组合起来形成一个硬盘组 逻辑硬盘 从而提供比单个硬盘更高的储存性能和提供更安全的数据冗余的技术 1 写入数据 RAID控制器把主机要写入的数据分解为多个数据块 然后并行写入磁盘阵列 2 读取数据时 RAID控制器并行读取分散在磁盘阵列中各个硬盘上的数据 把它们重新组合后提供给主机 3 采用并行读写操作 从而提高了存储系统的存取速度 4 RAID磁盘阵列还可以采用镜像 奇偶校验等措施 来提高系统的容错能力 保证数据的可靠性 易操作 功耗小 传输速率高 工作原理 优点 可以提供容错功能 容量更大 成本更低 RAID实现方式 软RAID与硬RAID RAID也有软件与硬件之分 全软RAID就是指RAID的所有功能都是操作系统 OS 与CPU来完成 没有第三方的控制 处理 业界称其为RAID协处理器 与I O芯片 这样 有关RAID的所有任务的处理都由CPU来完成 可想而知这是效率最低的一种RAID 由于全软RAID是在操作系统下实现RAID 不能保护系统盘 亦即系统分区不能参与实现RAID 有些操作系统 RAID的配置信息存在系统信息中 而不是存在磁盘上 当系统崩溃 需重新安装时 RAID的信息也会丢失 尤其是全软RAID5是CPU的增强方式 会导致30 40 的I O功能降低 所以在服务器中不建议使用全软RAID 软RAID演示硬RAID演示 磁盘在存储数据之前 必须被分成一个或多个区域 这就叫磁盘分区分区是由各操作系统的分区程序完成的 1 基本磁盘WindowsServer2003基本磁盘分区又分为 主分区和扩展分区 主分区用来存放操作系统的引导记录 在该主分区的第一扇区 和操作系统文件 每个基本磁盘最多可以分成4个主分区 扩展分区一般用来存放数据和应用程序 无法用来启动操作系统 也无法直接存储数据 必须先在扩展分区中建立 逻辑磁盘 才能将文件保存在逻辑磁盘 每个磁盘只能有一个扩展分区 其中包含多个逻辑驱动器 扩展分区是一个容器 不能用一个具体的驱动器盘符表示 必须要在其中划分逻辑驱动器之后才可以使用 2 动态磁盘 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动态磁盘是用 卷 来命名的 不受卷数目的限制 磁盘类型 1 简单卷 2 跨区卷 3 带区卷 4 镜像卷 5 RAID5卷 RAID是英文RedundantArrayofInexpensiveDisks的缩写 中文简称为廉价磁盘冗余阵列 RAID就是一种由多块硬盘构成的冗余阵列 虽然RAID包含多块硬盘 但是在操作系统下是作为一个独立的大型存储设备出现 利用RAID技术于存储系统的好处主要有以下三种 1 通过把多个磁盘组织在一起作为一个逻辑卷提供磁盘跨越功能 2 通过把数据分成多个数据块 Block 并行写入 读出多个磁盘以提高访问磁盘的速度 3 通过镜像或校验操作提供容错能力 动态磁盘 创建分区和卷 创建磁盘主分区并格式化 创建磁盘主分区并格式化 创建磁盘主分区并格式化 创建磁盘扩展分区 创建磁盘扩展分区 创建磁盘逻辑驱动器并格式化 基本磁盘与动态磁盘 3 基本磁盘 与 动态磁盘 转换从 基本磁盘 升级到 动态磁盘 磁盘数据是不会改变的 但是从 动态磁盘 返回到 基本磁盘 必须对驱动器进行重新分区 这将导致磁盘中的数据会全部丢失 基本磁盘升级为动态磁盘 基本磁盘升级为动态磁盘 创建和扩展简单卷 动态磁盘的管理是基于卷的管理 卷是由一个或多个磁盘上的可用空间组成的存储单元 可以将它格式化为一种文件系统并分配驱动器号 动态磁盘上的卷可以是下列 简单卷 跨区卷 带区卷 镜像卷或RAID 5 简单卷可以在同一物理磁盘内扩展 创建和扩展简单卷 创建和扩展简单卷 创建和扩展简单卷 如果建立的简单卷的空间不能满足我们的需要 可以将邻近的未指派空间加入到该简单卷中 也就是扩大简单卷的磁盘容量 创建和扩展简单卷 创建和扩展简单卷 跨区卷由多个物理磁盘上的可用空间组成 也就是将多个物理磁盘的未指派空间合并为一个逻辑盘 用一个逻辑驱动器表示 跨区卷还可以扩展到其他磁盘 不能对跨区卷进行镜像 当数据被存到跨区卷时 先存到跨区卷成员中的第1个磁盘内 待空间用尽后 才将数据存到第2块磁盘 以此类推 跨区卷没有容错功能 当成员磁盘中任何一个发生故障 整个跨区卷的数据都将丢失 创建跨区卷和带区卷 创建跨区卷和带区卷 创建跨区卷和带区卷 创建跨区卷和带区卷 带区卷是指数据交错分布于两个或更多物理磁盘的卷 此类型卷上的数据交替且平均地分配到各个物理磁盘中 带区卷不能镜像或扩展 带区又称为RAID 0 带区卷的每个成员其容量大小相同 并且数据写入时是以64KB为单位 平均地写到每个磁盘内 创建跨区卷和带区卷 创建跨区卷和带区卷 镜像卷和RAID5卷 镜像卷是一种容错卷 可以由一个基本磁盘上的简单卷和另一个动态磁盘上的未指派空间组成一个镜像卷 还可以由两个动态磁盘的 未指派空间 组成一个镜像卷 系统将给这两块空间赋予一个驱动器号 存储在镜像卷的数据被复制到两个物理磁盘上 如果其中一个磁盘发生故障 则还可以从剩下的磁盘中访问数据 镜像又称为RAID 1 镜像卷一旦被建立 就无法再被扩展 镜像卷的磁盘空间利用率只有50 磁盘空间利用率较低 1 创建镜像卷 镜像卷和RAID5卷 2 中断 删除镜像卷 1 中断镜像卷的具体步骤 中断后 镜像卷的成员都会独立成简单卷 且其中的数据都被保留 但是驱动器号会有变化 其中一个沿用原来的驱动器号 另一个卷的驱动器号会被自动分配一个 镜像卷和RAID5卷 2 删除镜像的具体步骤右击磁盘1的G 卷 删除镜像 G 卷及其数据都被删除 并且将释放所占有的空间为未指派空间 另一成员的数据保存下来 镜像卷和RAID5卷 3 删除镜像卷的具体步骤 右击镜像卷 删除卷 结果将删除两个成员的数据 且两个成员都被指定为未指派空间数据都被删除 并且将释放所占有的空间为未指派空间 镜像卷和RAID5卷 RAID 5卷是一种容错卷 其数据条带状分布于三个或更多磁盘组成的磁盘阵列中 奇偶效验 可用于在出现故障后重建数据的计算值 也是条带状分布于磁盘阵列中 如果一个物理磁盘发生故障 可以使用剩余数据和奇偶效验重建该故障磁盘上的RAID 5卷部分 RAID 5卷的磁盘空间利用率 n 1 n n为磁盘数 因为要用1 n个磁盘来存储奇偶校验数据 镜像卷和RAID5卷 硬件RAID技术 内置阵列卡 外置磁盘阵列 内置式raid系统已成为许多pcserver的标准配置或选件 外置式系统多用于双机容错系统中 作为服务器的大容量高可靠外存 IDERAID 基于IDE接口的RAID应用产品称为IDERAID与SCSIRAID相比有及具竞争力的性价比为中低端应用的服务器产品提供更强的数据处理和数据保护以及较高的性能价格比支持RAID0 1 0 1 5 SCSIRAID 基于SCSI接口的RAID应用产品称为SCSIRAID多个I O并行操作 设备传输速度快 可扩展性好 最多可连接15个外部scsi设备 支持RAID级别多 RAID0 RAID1 RAID10 RAID3 RAID5 RAID30 RAID50 JBOD等 支持Hotspare 在线热插拔 性能更稳定 可靠性更好 IDERAID卡 将若干IDE硬盘做成一个或几个阵列盘 提高了系统中磁盘I O的性能 并且使磁盘系统具有数据镜像的安全保护功能 具有可管理性 在操作系统支持下 管理软件可监控阵列的状态 添加和删除阵列 在线数据恢复等 最多支持4个硬盘 可实现RAID0 1 0 1QW1060 1600B应用了IDERAID卡 2100主板集成IDERAID控制器 SCSIRAID卡 将若干硬盘做成一个或几个阵列盘 提高了系统中磁盘I O的性能 并且使磁盘系统具有容错的安全保护功能 通过磁盘Cache的运用 提高系统的存取速度 结合SAF TE SCSIAccessFaultTolerantEnclosure 对磁盘阵列中的磁盘进行监控管理 管理的人机接口有 1 RAID卡本身的指示报警 2 具有SAF TE功能的热插拔背板 3 操作系统上安装的监控软件 IDERAID与SCSIRAID技术及应用 RAID技术及应用 SCSIRAID卡的结构 SCSI控制器 RAID处理器 Firmware CACHEMEMORY 指示报警 电池 通道B 通道A PCI总线 SCSI终结器 IDERAID与SCSIRAID技术及应用 RAID技术及应用 IOP I OProcessor 专门用于I O的处理器 市场上主要有Promise AMI Highpoint intel等厂商设计和生产 I OProcessor T8ASICPDC82830 BIOS 储存与RAID卡设置相关的程序 CacheMemory 数据交换的缓冲区及奇偶校验位的保留区以加快校验速度 8Channel 连接硬盘 工作原理 初始化RAID卡寄存器 读取NVRAM的RAID参数 与硬盘实际信息进行比较 显示结果 提供配置菜单 将用户提供的RAID卡参数 RAID参数存入NVRAM 发送配置提示 响应HOST命令进入配置界面 根据RAID参数 通过RAID控制器对硬盘进行初始化写操作 完成配置 等待Host发出读写操作命令 SCSI接口的图片 磁盘CACHE RAID卡提高磁盘读写性能的另一手段是 磁盘CACHE CPU 系统CACHE Memory Memory控制器 RAIDCPU 磁盘CACHE SCSI控制器 SCSI硬盘 IDERAID与SCSIRAID技术及应用 RAID技术及应用 磁盘CACHE的两大工作 磁盘I O 从磁盘读 写入磁盘 首先从CACHE读 首先往CACHE写 无CACHE 有CACHE 预读 回写 IDERAID与SCSIRAID技术及应用 RAID技术及应用 预读 ReadAhead Pre Fetch 预读的两种方式 CACHE预读提高了计算机系统中的硬盘读的功能 尤其是在读取含有大量文件碎片的文件时 具有良好预读功能的RAID卡能在看起来很随机的读访问中 识别出读取磁盘的规律 通过这个规律提前将系统要读取的数据放在CACHE中 IDERAID与SCSIRAID技术及应用 RAID技术及应用 Readahead Pre Fetch 当RAID卡发现系统要读的是先前已经读过的数据时 在这一次 便将这一个数据块的数据写到CACHE里 由于硬盘数据经常是以一族连续的硬盘扇区组织起来的 所以有时侯如把系统所请求的扇区随后的一个扇区里的数据同时读进来是有价值的 IDERAID与SCSIRAID技术及应用 RAID技术及应用 回写 回写是通过暂时将数据存在CACHE里 从而推迟将数据写到慢设备 如硬盘 磁带机 的一种工作方式 数据将在随后的时间 硬盘闲置的时候写到硬盘中 写的时候也是统一将CACHE内的尚未写出的数据按照数据块的在硬盘中的BLOCK序号写入 这样可以提高写的效率 IDERAID与SCSIRAID技术及应用 RAID技术及应用 系统 block7 block1 block5 block3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 block1 block3 block5 block7 注 回写需要加电池给CACHE供电 以免数据在写到硬盘之前系统断电导致硬盘数据丢失 电梯式回写 IDERAID与SCSIRAID技术及应用 RAID技术及应用 通写 通写模式下 所有数据在以命令完成状态返回到计算机之前 直接写到硬盘 IDERAID与SCSIRAID技术及应用 RAID技术及应用 磁盘Cache性能分析 容量增加CACHE大小对于预读来说 为系统提供了更多的来自CACHE的可供读取的记录 对于回写来说 允许控制卡保存更多的记录留待后期写磁盘 特别是对于电梯式回写 使得连续的回写段之间有更近的间隔 降低硬盘写操作的平均访时间并提高了吞吐率 1 当用户数很多而且不是都访问相同的数据 2 当数据文件很大时 大容量cache IDERAID与SCSIRAID技术及应用 RAID技术及应用 磁盘CACHE的类型 EDO 工作频率在33MHz RAID处理器频率低于100MHz时SDRAM 工作频率在66MHz RAID处理器频率高于100MHz时 提高系统I O的速度ECC 对CACHE数据进行校验Non ECC 不对CACHE数据进行校验 提高系统I O的可靠性 Mylex的RAID卡需要ECC的 Adaptec的RAID卡没限定 磁盘Cache性能分析 IDERAID与SCSIRAID技术及应用 RAID技术及应用 带RAID卡SCSI系统硬件框图 HOST RAID处理器 Firmware CacheMemory SCSI主控制器ID 7 SCSIID 0 SCSIID 5 终结器 终结器 SCSI总线 背板HSCID 6 IDERAID与SCSIRAID技术及应用 RAID技术及应用 RAID处理器 是一个PCI从设备 接受并执行来自系统的命令 同时占用PCI中断 代表SCSI磁盘子系统向系统 提出中断请求 请求占用PCI总线 返回对系统 命令的响应 如输送SCSI硬盘上的数据 作为RAID卡的CPU 通过执行闪存中的Firmware 控制SCSI控制器 CacheMemory以及指示报警电路 来实现RAID卡的功能 运作流程如流程图所示 初始化RAID卡寄存器 发送配置提示 响应HOST命令进入配置界面 提供配置菜单 将用户提供的RAID卡参数 RAID参数存入NVRAM 根据RAID参数 通过SCSI控制器对硬盘进行初始化写操作 完成配置 读取NVRAM内的上次RAID参数 与硬盘实际信息进行比较 显示结果 等待Host发出读写操作命令 处理器运作流程简图 RAID IDERAID与SCSIRAID技术及应用 RAID技术及应用 SCSIRAID卡产品介绍 Adaptec2100S单通道Ultra160SCSIRAIDi960RS 32 Bit 33MHz3200S双通道Ultra160SCSIRAIDi960RN 64 Bit 33MHz3210S双通道Ultra160SCSIRAIDIOP303 64 Bit 66MHz3410S四通道SCSIRAIDIOP303 64 Bit 66MHzRAID0 1 0 1 5 0 5支持Windows2000 WindowsNT NetWare SCOUNIX以及Linux等多种操作系统 常用RAID卡产品介绍 RAID技术及应用 Mylex IBM AcceleRAID160单通道Ultra160SCSIRAIDi960RS 32 Bit 33MHzAcceleRAID170单通道Ultra160SCSIRAIDi960RM 32 Bit 33MHzAcceleRAID352双通道Ultra160SCSIRAIDi960RN 64 Bit 33MHzRAID0 1 0 1 3 5 10 30 50 JBOD支持Windows2000 WindowsNT NetWare Solaris SCOUNIX等多种操作系统 SCSIRAID卡产品介绍 常用RAID卡产品介绍 RAID技术及应用 SCSIRAID卡产品介绍 AMI LSI Express300 Series490 单通道U2WSCSIRAIDi960RM 32 Bit 33MHzExpress500 Series475 单通道Ultra160SCSIRAIDi960RM 32 Bit 33MHzElite1600 Series493 双通道Ultra160SCSIRAIDi960RN 64 Bit 66MHzRAID0 1 3 5 10 30 50支持Windows2000 WindowsNT NetWare Solaris SCOUNIX以及Linux等多种操作系统 常用RAID卡产品介绍 RAID技术及应用 IDERAID卡产品介绍 PromiseFastTrak66双通道ATA 66RAID支持四颗硬盘RAID0 1 0 1 JBODFaseTrak100双通道ATA 100RAID支持四颗硬盘RAID0 1 0 1 JBOD支持Windows2000 WindowsNT NetWare以及Linux等多种操作系统 常用RAID卡产品介绍 RAID技术及应用 主流RAID卡品牌及控制器 LSI LSI公司最早名为LSILogic 后更名为LSI 成立于1981年 是市场上顶级的存储和网络产品供应商 提供领先的存储和网络电子产品技术 目前 LSI已经能提供从控制芯片 RAID 扩展器 硬盘控制器到存储系统等 几乎所有的SAS生态环境构成元素 并在SCSI商业协会和ANSIT10委员会中持有关键席位 此外 2009年 LSI还收购了另外一家以RAID控制器产品见长的厂商3Ware 使LS