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磁盤(pán)陣列的原理及相關(guān)知識(shí)

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【磁盤(pán)陣列的原理及相關(guān)知識(shí)】
1. 為什么需要磁盤(pán)陣列？
如何增加磁盤(pán)的存?。╝ccess）速度，如何防止數(shù)據(jù)因磁盤(pán)的故障而失落及如何有效的利用磁盤(pán)空間，一直是電腦專(zhuān)業(yè)人員和用戶的困擾；而大容量磁盤(pán)的價(jià)格非常昂貴，對(duì)用戶形成很大的負(fù)擔(dān) 。磁盤(pán)陣列技術(shù)的產(chǎn)生一舉解決了這些問(wèn)題 。
過(guò)去十年來(lái)，CPU的處理速度幾乎是幾何級(jí)數(shù)的躍升，內(nèi)存（memory）的存取速度亦大幅增加，而數(shù)據(jù)儲(chǔ)存裝置——主要是磁盤(pán)——的存取速度相較之下，較為緩慢，整個(gè)I/O吞吐量不能系統(tǒng)匹配，形成電腦系統(tǒng)的瓶頸，拉低了電腦系統(tǒng)的整體性能（throughput），若不能有效的提升磁盤(pán)的存取速度，CPU、內(nèi)存及磁盤(pán)間的不平衡將使CPU及內(nèi)存的改進(jìn)形成浪費(fèi) 。
目前改進(jìn)磁盤(pán)存取速度的方式主要有兩種：一是磁盤(pán)快取控制（disk cache controller），它將從磁盤(pán)讀取的數(shù)據(jù)存在快取內(nèi)存（cache memory）中以減少磁盤(pán)存取的速度，如要讀取的數(shù)據(jù)在在快取內(nèi)存中，或要寫(xiě)數(shù)據(jù)到磁盤(pán)時(shí)，才做磁盤(pán)的存取動(dòng)作 。這種方式在單工環(huán)境如Dos之下，對(duì)大量數(shù)據(jù)的存取有很好的性能（量小且頻繁的存取則不然），但在多工(multi-tasking)環(huán)境之下（因?yàn)橐煌５淖鲾?shù)據(jù)交換——swapping——的動(dòng)作）或數(shù)據(jù)庫(kù)的存?。ㄒ?yàn)槊恳挥涗浂己苄。┚筒荒茱@示其性能 。這種方式?jīng)]有任何安全保障 。
其二是使用磁盤(pán)陣列的技術(shù) 。磁盤(pán)陣列是把多個(gè)磁盤(pán)組成一個(gè)陣列，當(dāng)作單一磁盤(pán)使用，它將數(shù)據(jù)以分段（striping）的方式儲(chǔ)存在不同的磁盤(pán)中，存取數(shù)據(jù)時(shí)，陣列中的相關(guān)磁盤(pán)一起動(dòng)作，大幅減低數(shù)據(jù)的存取時(shí)間，同時(shí)有更佳的空間利用率 。磁盤(pán)陣列所利用的不同的技術(shù)，稱(chēng)為RAID Level，不同的level針對(duì)不同的系統(tǒng)及應(yīng)用，以解決數(shù)據(jù)安全的問(wèn)題 。
一般高性能的磁盤(pán)陣列都是以硬件的形式來(lái)達(dá)成，進(jìn)一步地把磁盤(pán)快取控制及磁盤(pán)陣列結(jié)合在一個(gè)控制器（RAID Controller）或控制卡上，針對(duì)不同的用戶解決眾對(duì)磁盤(pán)輸出輸入系統(tǒng)的四大要求：
（1） 增加存取速度；
（2） 容錯(cuò)（fault tolerance），即安全性；
（3） 有效地利用磁盤(pán)空間；
（4） 盡量地平衡CPU、內(nèi)存及磁盤(pán)的性能差異，提高電腦的整體工作性能 。
2．磁盤(pán)陣列原理
1987年，加州柏克大學(xué)的三位人員發(fā)表了名為“磁盤(pán)陣列研究”的論文，正式提到了RAID也就是磁盤(pán)陣列，論文提出廉價(jià)的5.25"及3.5"的硬盤(pán)也能如大機(jī)器上的8"盤(pán)般提供大容量、高性能和數(shù)據(jù)的一致性，并詳述了RAID 1至5的技術(shù) 。
磁盤(pán)陣列針對(duì)不同的應(yīng)用使用不同技術(shù)，稱(chēng)為RAID Level, RAID是Redundant Array of Inexpensive Disks的縮寫(xiě)，而每一Level代表一種技術(shù)，目前業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)是RAID 0~RAID 5 。這個(gè)level并不代表技術(shù)的高低，level 5并不高于level 3，level 1也不低過(guò)level 4，至于要選擇那一種RAID level的產(chǎn)品，純視用戶的操作環(huán)境及應(yīng)用而定，與level的高低沒(méi)有必然的關(guān)系 。RAID 0沒(méi)有安全的保障，但其快速，所以適合高速I(mǎi)/O的系統(tǒng)；RAID 1適用于需安全性又要兼顧速度的系統(tǒng)，RAID 2及RAID 3適用于大型電腦及影像、CAD/CAM等處理；RAID 5多用于OLTP，因有金融機(jī)構(gòu)及大型數(shù)據(jù)處理中心的迫切需要，故使用較多而較有名氣，但也因此形成很多人對(duì)磁盤(pán)陣列的誤解，以為磁盤(pán)陣列非要RAID 5不可；RAID 4較少使用，各RAID 5有其共同之處，但RAID 4適合大量數(shù)據(jù)的存取 。其他如RAID 6，RAID7，乃至RAID 10，50，100等，都是廠商各做各的，并無(wú)一致的標(biāo)準(zhǔn)，在此不作說(shuō)明 。介紹各個(gè)RAID level之前，先看看形成磁盤(pán)陣列的兩個(gè)基本技術(shù)：
磁盤(pán)延伸（Disk Spanning）:
譯為磁盤(pán)延伸，能確切地表示disk spanning這種技術(shù)的含義 。如下圖所示，Oaraid?;磁盤(pán)陣列控制器，聯(lián)接了四個(gè)磁盤(pán)：

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