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磁盘阵列(RAID)数据存储技术及冗余特性现状研究

  随着计算机技术和存储技术的发展,计算机存储介质的体积逐渐变小,计算机的存储系统由早期的外部存储发展为计算机内部存储。由于计算机机箱内部的物理空间有限,能挂载的存储设备也有限,远远无法满足各种存储需求,所以又将存储设备从计算机机箱内部存储转移到计算机机箱外部集中存储。但集中存储具有处理能力有限、可扩展性差等缺点,因而人们希望这种集中的数据存储仅仅只是逻辑上的集中而各种存储介质在物理位置上可以是分散的。在这种背景下,DAS、SAN、NAS等各种存储技术应运而生,它们是数据存储领域的三大主流存储架构。

  DAS(DirectAttachedStorage)即直接连接存储,它是采用SCSI或FC技术将一个或多个存储设备直接连接到服务器,其数据类型为块级,根据存储设备与服务器的位置,DAS分为内部DAS和外部DAS。内部DAS占用机箱的空间,在后期维护较困难,需要关闭服务器才能开机箱进行维护,一般家用的计算机就是典型的内部DAS存储;外部DAS是将存储介质外挂在服务器机箱外,然后统一放在一个硬盘盒子内,这种存储方式可以对数据进行集中管理和维护,一般硬盘盒子与服务器之间的连接长度在 25 米内。这种连接方式具有配置简单、部署容易和快捷等优点,具有可扩展性差、资源利用率低、异构化严重、维护成本高等缺点,主要适用于小型及个人存储环境。

  SAN(Storage Area Network)即存储区域的网络,它是一种部署在服务器与存储资源之间的专用网络,而该网络仅仅用于网络数据的存储,其数据类型为块级,能实现网络大量数据、远距离数据的传输,具备高性能、高可靠性、共享性等特点。根据使用不同的协议和封装方式,SAN 分为三种不同类型:FC-SAN、FCoE-SAN 和 IP-SAN,其中 IP-SAN 又分为基于 iSCSI 协议的 IP-SAN 和 FCIP-SAN,其典型应用于数据库技术、视频监控等。

  NAS(Network Attached Storage)即网络附加存储,它是基于一般的 IP 网络构建起来,能让网络中的存储客户端使用最小的存储管理开销访问 NAS 存储,其数据类型为文件级,它是文件级的存储解决方案中的最佳方案,适用于随机的小 I/O 读写,具备安全性、高稳定性、灾难保护、备份等特点。

  要实现基于云计算技术的 DAS、SAN、NAS 存储架构,必须先把物理硬盘整合成阵列的形式以实现更好的存储性能和冗余特性,这就需要先将位置独立且分散的硬盘进行集中存放,并将这些硬盘组织成阵列,将这些分散的硬盘抽象成一个逻辑的整体,并在这个逻辑整体上实现灾难保护,以防止单一硬盘引发的数据丢失风险。通过在磁盘整列上创建卷组形成存储容量池,在可用的存储容量池中规划逻辑单元,最终实现将逻辑单元分配给相应的服务器使用。

  在存储技术领域有一项非常传统且经典的技术—冗余独立磁盘阵列(RAID)技术。该技术被广泛应用于存储系统,它的作用是将多个物理磁盘抽象成一个逻辑整体,由一台磁盘阵列控制器来统一控制与管理,具有提高存储容量、增强读写速度、提高冗余特性等特点,这个逻辑的整体就是磁盘阵列。磁盘整列技术不仅能够对外保证广大用户对大数据访问的需求,为其提供大容量的存储空间,同时还能保证高效的并行访问性能,在 RAID 阵列中引入冗余数据,为固态硬盘提供不同程度的可靠性保障。最典型的磁盘整列包括 RAID-0、RAID-1、RAID-5 及混合式的 RAID10、RAID50 等。

一、磁盘阵列技术的研究

1.1 RAID-0带区卷

  RAID Level 0 称为带区卷或条带卷,其读写性最高。要实现 RAID-0 至少需要 2 块及 2 块以上的物理硬盘才能组成磁盘阵列。

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