第4讲 存储子系统-RAID (1)

分区1A 分区1B 分区1C A B C 分区2A
分区3A
分区3B
分区3C 分区4A A B C 分区4B 分区4C 分区4D
分区2B
分区2C 分区2D A B C D
磁盘1
一种组合方式： 1A~4A，1B~4B 分别组合成2个 阵列。
磁盘3
A B C D
磁盘2
分区1C+3C、2C+4C 及2D+4D组合形成镜 像对。
主机I/O控制器
主机 系统
存储总线/网络
RAID控制器
RAID控制器
到设备
缓存内存
到设备
图4-11 从主机I/O到RAID子系统控制器的双路径
热交换和热备用
当系统需要247操作时，冗余本身不能充分地维持高可用 性，需要在没有断电和撤除连接的情况下，使冗余部分立即投 入使用。 1．热备用用于及时的失败切换：当某一部分失败时，用 另一部分立即替代它。优点是不需要花费等待时间，是一 种最快的保护。 2．热交换用于不停机撤除和置换失败部分：无论是否有 热备用，都需要一种方法撤离失败的组件，并用正常的组 件替代它。在这个过程中，假如没有干扰子系统的操作， 则称之为热交换。常见的热交换组件有磁盘驱动器、电源 和风扇。 3．热交换磁盘驱动器
T=4 驱动器4写数据
驱 动器2等就绪 驱动器2缓冲接受 驱动器3缓冲接受 驱动器4缓冲接受 驱动器1缓冲接 受
图4-5 写数据到连锁访问的分条阵列
并行访问阵列的应用
并行访问分块阵列适用于长时间、顺序访问数据，如： • • • • 多媒体：音频、视频数据； 电影、图形、动画； 数据仓库 CAD
评价：在I/O事物处理量很高的环境下，由于阵列每次只处 理单一的I/O操作，因而总的效果不够好。虽然并行访问可 能加快单个事物处理的速度，但操作不能重叠。再由于各 磁盘转动和磁盘臂的延迟，所以并行访问阵列可能比单个 磁盘更慢。
①
数据磁盘
XOR XOR
失败磁盘
②
校验磁盘
使用XOR功能在校验 磁盘上建立校验数据
XOR功能使用校验 数据恢复失败磁盘
图4-7 使用XOR功能建立校验数据和恢复丢失的数据
当用新的磁盘代替阵列中的失败磁盘时，校验恢复进程读出 其它所有磁盘上的数据，并用XOR功能在置换后的磁盘上恢 复数据。
使用校验恢复在置 换磁盘上重建数据 ① XOR ② 置换磁盘
主机系统
带有RAID 能力的卷 管理器 主机RAID软件
或
主机系统
带有RAID能 力的主机I/O 控制器
子系统RAID 控制器
磁盘
磁盘 磁盘 磁盘 磁盘
磁盘
JBOD：每个磁盘由主机 内的RAID单独寻址
RAID子系统： 单 个的虚拟设备
图 4-1 RAID磁盘系统和JBOD磁盘子系统
RAID的优势：
同步成员磁盘驱动器中的转动介质，使得单个的I/O请求在每个成员驱动器上执 行相等、短时的操作。该方式，每个I/O请求都发往多个成员磁盘。它要求阵列 中的驱动器必须精确工作（转动、读写速度等），成本相对昂贵。
①
②
③
④
T=0 驱动器1缓冲接受
T=1 驱动器1写数据
T=2 驱动器2写数据
T=3 驱动器3写数据
• RAID研究开始于80年代，它是伯克利分校的一个研究 项目。 • 内嵌CPU的磁盘子系统通常称为RAID系统，它具有设 备虚拟化的能力，使许多内部的磁盘驱动器看上去就 像一台更大的虚拟设备。缺乏这种能力的磁盘子系统 称为JBOD。
• RAID子系统应包含微处理器、分离电源、冷却系统、 存储和网络管理、即插即用封装等。
使用分区划分磁盘
RAID咨询委员会（RAB）定义分区概念为：一组地址 连续的成员磁盘存储块，单个磁盘可有一个或多个分区。 一个磁盘上的多个分区可以有不同的大小。多个可能不连 续的分区可以通过虚拟磁盘到成员磁盘的映射，成为同一 虚拟磁盘的一部分。分区也称为逻辑盘，对于操作环境， 它们通常不是直接可见。 分区的组合可以形成RAID子系统的阵列、镜像和虚 拟驱动器。
• 什么是RAID？ • RAID如何提高磁盘的访问速度？
• RAID如何提高磁盘的和容错能力？
• RAID的标准是什么？ • 如何选择适合的RAID？
• RAID : Redundant Array of Independent Disks • JBOD：Just a Bunch Of Disks
分 分 分 分 块1 块2 块3 块4
分区4
分区 3
分区2 分区1
组合分块成分条
分条是同阵列中的两 个或更多分区上的一 组位置相关的分块， 位置相关意味着每个 分区的第一分块属于 第一分条，第二分块 属于第二分条，以此 类推。
分条2 分条3 分条4
图4-19
分条、分块及分区三者之间的关系
另一种分条的分块组合表示方式
分区1
分区2 分块2 分区3 分块2 分块2 分块2
分块1 分块1 分条1 分块1
分区4
分块1
分条2
图4-20
组合分块形成分条
分区组合：A1+B2，A2+B3，A3+B1，形成 3个阵列。分区中的块是按它们在分区中 的相对位置排列。
分条7
分区A1
分块7
分条3
分块3 分块7 分区B1 分区B2 分区B3 磁盘B
图4-12中的2个热备用磁盘可以代 替3个阵列中的任何失败的磁盘
RAID子系统
磁盘
阵列1
磁盘
磁盘
磁盘
磁盘
磁盘
阵列2
磁盘
磁盘
磁盘
磁盘
热备用 磁盘
阵列3 磁盘 磁盘
磁盘
磁盘
磁盘
图4-12 带有2个热备用磁盘的RAID子系统
RAID子系统中的内部I/O路径
缓存总线 RAID 控制器
内存存储总线/路线 磁盘1
容量和管理上的优势
性能上的优势
可靠性和可用性优势
RAID的容量和可管理性：
设备虚拟化；单一地址管多个设备 由许多磁盘驱动器 组成的RAID子系统
系统
设备
设备驱 动程序
主机I/O 总线
主机I/O 控制器
存储 总线
RAID子系统是 一个由多个更小 设备组成的复合 设备
图4-2 由许多磁盘驱动器构成的RAID子系统
数据磁盘
校验磁盘
图4-8
使用校验恢复在置换磁盘上重建数据
控制器和缓存冗于 有的RAID子系统具 有双内部RAID控制 器和镜像缓存。实现 方式有两种：其一， 作为备用；其二，两 个控制器实现负载平 衡与负载共享。 •负载共享：当主 路径失败时，系 统可以使用另一 条路径。 •负载平衡：每个 主机I/O控制器能 将I/O操作分散到 阵列内的任何一 个成员磁盘。
磁盘4
图4-17 在一个4个磁盘的阵列的成员磁盘上定义的分区
使用虚拟驱动器统一地址
阵列管理软件将分区组合成阵列， 并提供给主机，实现统一管理的映 像。资源的统一表示也可称为虚拟 设备。 虚拟驱动器地址 从虚拟驱动器到成员驱动器I/O操作传送
成员磁盘地址
组合在阵列 中的成员磁 盘分区 成员磁盘地址 虚拟驱动器中的成 员磁盘分区的统一
图4-4
虚拟方法和手工方法的比较
RAID的性能
RAID除了提供数据的高可靠性之外，一般还具有超过单个 磁盘 和镜像磁盘的性能
磁盘分条：通过将操作分散到各个不同的磁盘驱动器，使主机I/O
控制器能够处理更多的操作。
RAID中所使用的两种基本分条方法： 并行访问阵列 独立访问阵列
1．连锁（并行）访问阵列（通过分条提高性能）
上一讲要点
• 数据存储要解决的两类基本问题：物理错误，逻辑错误 • 两种解决方法： 镜像：它不仅提供了冗余，也提供了性能的改善 快照：使近几年发展较快的技术，适合恢复逻辑错误 • 高速缓存技术
缓存读算法（LRU算法， 预先读算法）
缓存写算法（透写算法， 回写算法） 多级缓存算法的复合应用
第四讲 存储子系统-器
磁盘缓 存内存
内部存储总线 / 路径1
磁盘1
磁盘4 磁盘3
磁盘2 磁盘5
阵列中的 双端口磁 盘驱动器
内部存储总线 / 路径2
图 4-15 带有双端口磁盘驱动器和双路径RAID控制器的RAID子系统
I/O路径A1
阵列1
双路径 RAID控 制器A
磁盘4
磁盘2 磁盘3 磁盘5
图4-18
成员磁盘地址到虚拟驱动器地址的统一
从分区到分块分条 (strip)
磁盘分区可以进一步细分 成更小的段作为单个I/O操 作对象，并称之为块（大 小相等，地址相邻）。若 分区又属于一个阵列，分 块的长度（不同分区相应 块的组合数）成为分条的 深度。在某些环境下，分 块被称为分条的元素。 分条1
磁盘1
磁盘缓 存内存
I/O路径B2 I/O路径A2
磁盘缓 存内存 双路径 RAID控 制器B 磁盘1
磁盘4
磁盘3
磁盘2
磁盘5
I/O路径B1
阵列2
图 4-16
RAID子系统中的冗余内部路径
组织RAID阵列中的数据:分区、分块和分条
阵列管理软件（磁盘本身不成阵列，而是对它们进一步划分 后组成逻辑上的阵列） 1．作用（三种功能） · 管理和控制磁盘阵列集合； · 传送I/O操作进/出被划分的磁盘； · 为了数据冗于计算校验值，使用校验值恢复校验数据。 2．使用分区划分磁盘 3．使用虚拟驱动器统一地址 4．从虚拟驱动器到成员驱动器I/O操作传送 5．划分分区：从分区到分块 6．组合分块成分条 7．分块和分条的数据写入顺序
2．校验恢复（重建） ：当RAID阵列中的一个成员磁盘 失败时，对剩余磁盘上的数据进行校验操作的逆操作 （XOR），恢复失败磁盘上的数据。 当一个成员磁盘失败时，主机发出数据请求，阵列控 制器将其余成员磁盘的数据与校验数据读出，用XOR操 作计算出丢失的数据。然后将恢复的数据发送到主机，完 成I/O请求。