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磁盘阵列（DiskArray）
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1.为什么需要磁盘阵列
如何增加磁盘的存取（access）速度,如何防止数据因磁盘的故障而失落及如何有效的利用磁盘空间,一直是电脑专业人员和用户的困扰;而大容量磁盘的价格非常昂贵,对用户形成很大的负担。
磁盘阵列技术的产生一举解决了这些问题。
过去十年来,CPU的处理速度增加了五十倍有多,内存（memory）的存取速度亦大幅增加,而数据储存装置--主要是磁盘（harddisk）--的存取速度只增加了三、四倍,形成电脑系统的瓶颈,拉低了电脑系统的整体性能（throughput）,若不能有效的提升磁盘的存取速度,CPU、内存及磁盘间的不平衡将使CPU及内存的改进形成浪费。
目前改进磁盘存取速度的的方式主要有两种。
一是磁盘快取控制（diskcachecontroller）,它将从磁盘读取的数据存在快取内存（cachememory）中以减少磁盘存取的次数,数据的读写都在快取内存中进行,大幅增加存取的速度,如要读取的数据不在快取内存中,或要写数据到磁盘时,才做磁盘的存取动作。
这种方式在单工环境（single-taskingenvironment）如DOS之下,对大量数据的存取有很好的性能（量小且频繁的存取则不然）,但在多工（multi-tasking）环境之下（因为要不停的作数据交换（swapping）的动作）或数据库（database）的存取（因为每一记录都很小）就不能显示其性能。
这种方式没有任何安全保障。
其二是使用磁盘阵列的技术。
磁盘阵列是把多个磁盘组成一个阵列,当作单一磁盘使用,它将数据以分段（striping）的方式储存在不同的磁盘中,存取数据时,阵列中的相关磁盘一起动作,大幅减低数据的存取时间,同时有更佳的空间利用率。
磁盘阵列所利用的不同的技术,称为RAIDlevel,不同的level针对不同的系统及应用,以解决数据安全的问题。
一般高性能的磁盘阵列都是以硬件的形式来达成,进一步的把磁盘快取控制及磁盘阵列结合在一个控制器（RAIDcontroller）或控制卡上,针对不同的用户解决人们对磁盘输出入系统的四大要求:
（1）增加存取速度,
（2）容错（faulttolerance）,即安全性
（3）有效的利用磁盘空间;
（4）尽量的平衡CPU,内存及磁盘的性能差异,提高电脑的整体工作性能。
2.磁盘阵列原理
磁盘阵列中针对不同的应用使用的不同技术,称为RAIDlevel,RAID是RedundantArrayofInexpensiveDisks的缩写,而每一level代表一种技术,目前业界公认的标准是RAID0~RAID5。
这个level并不代表技术的高低,level5并不高于level3,level1也不低过level4,至于要选择那一种RAIDlevel的产品,纯视用户的操作环境（operatingenvironment）及应用（application）而定,与level的高低没有必然的关系。
RAID0及RAID1适用于PC及PC相关的系统如小型的网络服务器（networkserver）及需要高磁盘容量与快速磁盘存取的工作站等,因为比较便宜,但因一般人对磁盘阵列不了解,没有看到磁盘阵列对他们价值,市场尚未打开;RAID2及RAID3适用于大型电脑及影像、CAD/CAM等处理;RAID5多用于OLTP,因有金融机构及大型数据处理中心的迫切需要,故使用较多而较有名气,但也因此形成很多人对磁盘阵列的误解,以为磁盘阵列非要RAID5不可;RAID4较少使用,因为两者有其共同之处,而RAID4有其先天的限制。
其他如RAID6,RAID7,乃至RAID10等,都是厂商各做各的,并无一致的标准,在此不作说明。
介绍各个RAIDlevel之前,先看看形成磁盘阵列的两个基本技术:
译为磁盘延伸,能确切的表示diskspanning这种技术的含义。
如下图所示,DFTraid磁盘阵列控制器,联接了四个磁盘:
这四个磁盘形成一个阵列（array）,而磁盘阵列的控制器（RAIDcontroller）是将此四个磁盘视为单一的磁盘,如DOS环境下的C:
盘。
这是diskspanning的意义,因为把小容量的磁盘延伸为大容量的单一磁盘,用户不必规划数据在各磁盘的分布,而且提高了磁盘空间的使用率。
DFTraid的SCSI磁盘阵列更可连接几十个磁盘，形成数十GB到数百GB的阵列,使磁盘容量几乎可作无限的延伸;而各个磁盘一起作取存的动作,比单一磁盘更为快捷。
很明显的,有此阵列的形成而产生RAID的各种技术。
我们也可从上图看出inexpensive（便宜）的意义,因为四个250MBbytes的磁盘比一个1GBytes的磁盘要便宜,尤其以前大磁盘的价格非常昴贵,但在磁盘越来越便宜的今天,inexpensive已非磁盘阵列的重点,虽然对于需要大磁盘容量的系统,仍是考虑的要点。
磁盘 因为磁盘阵列是将同一阵列的多个磁盘视为单一的虚拟磁盘（virtualdisk）,所以其数据是以分段（blockorsegment）的方式顺序存放在磁盘阵列中,如下图:
磁盘0
磁盘1
磁盘2
磁盘3
A0-A1
B0-B1
C0-C1
D0-D1
A2-A3
B2-B3
C2-C3
D2-D3
A4-A5
B4-B5
C4-C5
D4-C5
A6-A7
B6-B7
C6-C7
D6-D7
数据按需要分段,从第一个磁盘开始放,放到最後一个磁盘再回到第一个磁盘放起,直到数据分布完毕。
至于分段的大小视系统而定,有的系统或以1KB最有效率,或以4KB,或以6KB,甚至是4MB或8MB的,但除非数据小于一个扇区（sector,即521bytes）,否则其分段应是512byte的倍数。
因为磁盘的读写是以一个扇区为单位,若数据小于512bytes,系统读取该扇区后,还要做组合或分组（视读或写而定）的动作,浪费时间。
从上图我们可以看出,数据以分段于在不同的磁盘,整个阵列的各个磁盘可同时作读写,故数据分段使数据的存取有最好的效率,理论上本来读一个包含四个分段的数据所需要的时间约=（磁盘的accesstime+数据的transfertime）X4次,现在只要一次就可以完成。
若以N表示磁盘的数目,R表示读取,W表示写入,S表示可使用空间,则数据分段的性能为:
R:
N（可同时读取所有磁盘）
W:
N（可同时写入所有磁盘）
S:
N（可利用所有的磁盘,并有最佳的使用率）
Diskstriping也称为RAID0,很多人以为RAID0没有甚么,其实这是非常错误的观念,因为RAID0使磁盘的输出入有最高的效率。
而磁盘阵列有更好效率的原因除数据分段外,它可以同时执行多个输出入的要求,因为阵列中的每一个磁盘都能独立动作,分段放在不同的磁盘,不同的磁盘可同时作读写,而且能在快取内存及磁盘作并行存取（parallelaccess）的动作,但只有硬件的磁盘阵列才有此性能表现。
从上面两点我们可以看出,diskspanning定义了RAID的基本形式,提供了一个便宜、灵活、高性能的系统结构,而diskstriping解决了数据的存取效率和磁盘的利用率问题,RAID1至RAID5是在此基础上提供磁盘安全的方案。
RAID1
RAID1是使用磁盘镜像（diskmirroring）的技术。
磁盘镜像应用在RAID1之前就在很多系统中使用,它的方式是在工作磁盘（workingdisk）之外再加一额外的备份磁盘（backupdisk）,两个磁盘所储存的数据完全一样,数据写入工作磁盘的同时亦写入备份磁盘。
磁盘镜像不见得就是RAID1,如NovellNetWare亦有提供磁盘镜像的功能,但并不表示NetWare有了RAID1的功能。
一般磁盘镜像和RAID1有二点最大的不同:
RAID1无工作磁盘和备份磁盘之分,多个磁盘可同时动作而有重叠（overlapping）读取的功能,甚至不同的镜像磁盘可同时作写入的动作,这是一种最佳化的方式,称为负载平衡（load-balance）。
例如有多个用户在同一时间要读取数据,系统能同时驱动互相镜像的磁盘,同时读取数据,以减轻系统的负载,增加I/O的性能。
RAID1的磁盘是以磁盘延伸的方式形成阵列,而数据是以数据分段的方式作储存,因而在读取时,它几乎和RAID0有同样的性能。
从RAID的结构就可以很清楚的看出RAID1和一般磁盘镜像的不同。
下图为RAID1,每一笔数据都储存两份
磁盘0
磁盘1
磁盘0
磁盘1
A0
A2
A4
B1
A1
A3
B0
B2
A0
A2
A4
B1
A1
A3
B0
B2
从上图可以看出:
R:
N（可同时读取所有磁盘）
W:
N/2（同时写入磁盘数）
S:
N/2（利用率）
读取数据时可用到所有的磁盘,充分发挥数据分段的优点;写入数据时,因为有备份,所以要写入两个磁盘,其效率是N/2,磁盘空间的使用率也只有全部磁盘的一半。
很多人以为RAID1要加一个额外的磁盘,形成浪费而不看好RAID1,事实上磁盘越来越便宜,并不见得造成负担,况且RAID1有最好的容错（faulttolerance）能力,其效率也是除RAID0之外最好的。
我们可视应用的不同,在同一磁盘阵列中使用不同的RAIDlevel,如华艺科技公司的DFTraid系列都可同一磁盘阵列中定义八个逻辑磁盘（logicdisk）,分别使用不同的RAIDlevel,分为C:
D:
及E:
三个逻辑磁盘（或LUN0,LUN1,LUN2）.
RAID1完全做到了容错包括不停机（non-stop）,当某一磁盘发生故障,可将此磁盘拆下来而不影向其他磁盘的操作;待新的磁盘换上去之后,系统即时做镜像,将数据重新复上去,RAID1在容错及存取的性能上是所有RAIDlevel之冠。
在磁盘阵列的技术上,从RAID1到RAID5,不停机的意思表示在工作时如发生磁盘故障,系统能持续工作而不停顿,仍然可作磁盘的存取,正常的读写数据;而容错则表示即使磁盘故障,数据仍能保持完整,可让系统存取到正确的数据,而SCSI的磁盘阵列更可在工作中抽换磁盘,并可自动重建故障磁盘的数据。
磁盘阵列之所以能做到容错及不停机,是因为它有冗余的磁盘空间可资利用,这也就是Redundant的意义。
RAID2
RAID2是把数据分散为位元（bit）或块（block）,加入海明码HammingCode,在磁盘阵列中作间隔写入（interleaving）到每个磁盘中,而且地址（address）都一样,也就是在各个磁盘中,其数据都在相同的磁道（cylinderortrack）及扇区中。
RAID2的设计是使用共轴同步（spindlesynchronize）的技术,存取数据时,整个磁盘阵列一起动作,在各作磁盘的相同位置作平行存取,所以有最好的存取时间（accesstime）,其总线（bus）是特别的设计,以大带宽（bandwide）并行传输所存取的数据,所以有最好的传输时间（transfertime）。
在大型档案的存取应用,RAID2有最好的性能,但如果档案太小,会将其性能拉下来,因为磁盘的存取是以扇区为单位,而RAID2的存取是所有磁盘平行动作,而且是作单位元的存取,故小于一个扇区的数据量会使其性能大打折扣。
RAID2是设计给需要连续且大量数据的电脑使用的,如大型
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