基于多模塊的RAID的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、基于多模塊的RAID的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)【摘要】本文在多模塊結(jié)構(gòu)性能評(píng)估模型的根底上，設(shè)計(jì)了一個(gè)RAID的I/O請(qǐng)求處理性能的模擬測(cè)試軟件，隨機(jī)產(chǎn)生一組I/O請(qǐng)求，通過計(jì)算各級(jí)RAID的數(shù)據(jù)傳輸率，測(cè)試出其性能的上下。論文關(guān)鍵詞：RAID,多模塊結(jié)構(gòu),模擬,數(shù)據(jù)傳輸率磁盤陣列將多個(gè)磁盤進(jìn)行組合，通過I/O并行性和數(shù)據(jù)冗余機(jī)制，提供高性能、高可靠度的數(shù)據(jù)存取效勞，已成為構(gòu)建大規(guī)模存儲(chǔ)系統(tǒng)的根本組成局部。對(duì)陣列性能的評(píng)估，假設(shè)是直接通過對(duì)硬盤性能的測(cè)試來評(píng)估的話，所消耗的時(shí)間和工作量是很大的。如果采用一個(gè)通用、可配置的評(píng)估測(cè)試模型，可以評(píng)價(jià)所有的磁盤陣列，那么就有利于設(shè)計(jì)和配置更適合給定存儲(chǔ)應(yīng)用類型的磁盤

2、陣列。本文給出一個(gè)基于多模塊結(jié)構(gòu)模型的磁盤陣列的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，支持RAID0、RAID1、RAID3、RAID5和RAID10等主流RAID技術(shù)【1】。首先，給出RAID多模塊結(jié)構(gòu)模型的模塊劃分、功能分配；然后，將各級(jí)RAID所涉及的內(nèi)容進(jìn)行具體分析；最后，采用MFC編程實(shí)現(xiàn)，并將各級(jí)RAID的I/O性能測(cè)試結(jié)果比照分析。1磁盤陣列級(jí)別和多模塊結(jié)構(gòu)RAID是有美國加州大學(xué)伯克利分校的D.A. Patterson教授1988年提出的，通過多個(gè)磁盤，多個(gè)獨(dú)立的I/O請(qǐng)求可以并行地進(jìn)行處理，只要他們所需的數(shù)據(jù)駐留在不同的磁盤中，這樣可以提高系統(tǒng)的性能，通過增加冗余度來提高信息可靠性【2】。本文所涉及的

3、RAID如下：1 RAID 0 ：RAID 0是由一塊以上的硬盤組成，每塊硬盤被等分成容量相同的條帶集，數(shù)據(jù)也被分割成條帶，在同一時(shí)間內(nèi)向多塊磁盤寫入。2 RAID 1 ：RAID 1又被稱為磁盤鏡像，由兩個(gè)以上偶數(shù)個(gè)硬盤組成，每一個(gè)磁盤都具有一個(gè)對(duì)應(yīng)的鏡像盤，對(duì)寫入任何一個(gè)磁盤的數(shù)據(jù)都會(huì)被復(fù)制鏡像盤中，同時(shí)系統(tǒng)可以從這一組鏡像盤中的任何一個(gè)磁盤讀取數(shù)據(jù)。3 RAID 3 ：RAID3至少由三塊以上硬盤組成，以其中一塊特定的硬盤來存放數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位由真實(shí)數(shù)據(jù)通過一定的算法得出，真實(shí)數(shù)據(jù)那么分段存儲(chǔ)于其余硬盤中。4 RAID 5 ：RAID5是在RAID 3的根底上進(jìn)行了一些改良，同樣也是由三

4、塊以上的硬盤組成，也是以數(shù)據(jù)的校驗(yàn)位來保證數(shù)據(jù)的平安，但它不是以特定硬盤來存放數(shù)據(jù)的校驗(yàn)位，而是將數(shù)據(jù)段的校驗(yàn)位交互存放于各個(gè)硬盤上。5 RAID 10 ：RAID10也被稱為鏡象陣列條帶由至少四塊硬盤組成，像RAID0一樣，數(shù)據(jù)被分割成條帶，在同一時(shí)間內(nèi)向多塊磁盤寫入；像RAID1一樣，每個(gè)磁盤都有一個(gè)鏡象磁盤。其目的是在保證數(shù)據(jù)平安的情況下，提高數(shù)據(jù)的讀寫性能。同時(shí)，經(jīng)過許多存儲(chǔ)技術(shù)的分析，我們可以給出一個(gè)通用的、可配置、多模塊結(jié)構(gòu)模型。從存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的角度我們引出以下幾個(gè)根本模塊：主機(jī)模塊H、陣列控制器模塊C、帶寬模塊B、控制模塊C、磁盤模塊D、轉(zhuǎn)換模塊T、無關(guān)模塊X【3】。/：用來表示模塊

5、的合并作用。例如，H/C表示網(wǎng)絡(luò)磁盤陣列中的客戶主機(jī)兼有陣列控制器的局部功能。2設(shè)計(jì)分析該設(shè)計(jì)模擬實(shí)現(xiàn)了磁盤陣列的I/O請(qǐng)求性能測(cè)試。支持RAID0、RAID1、RAID3、RAID5、RAID10，涉及的模塊有主機(jī)模塊H、磁盤模塊D以及控制模塊C。主機(jī)模塊H的主要功能是I/O請(qǐng)求生成；控制模塊C的主要功能是集中了陣列技術(shù)的控制功能，涉及數(shù)據(jù)布局的冗余信息處理操作、邏輯磁盤請(qǐng)求的分解與合并；磁盤模塊D的主要功能是磁盤調(diào)度和處理時(shí)間計(jì)算。而對(duì)于帶寬模塊B、控制模塊C、轉(zhuǎn)換模塊T、無關(guān)模塊X的影響，這里未考慮。首先，會(huì)根據(jù)用戶輸入的請(qǐng)求個(gè)數(shù)和請(qǐng)求類型，隨機(jī)生成一組請(qǐng)求，這組請(qǐng)求的邏輯地址和請(qǐng)求大小

6、都是隨機(jī)產(chǎn)生。然后，根據(jù)用戶輸入的磁盤個(gè)數(shù)、陣列級(jí)別以及條狀塊大小，進(jìn)行冗余信息處理并把請(qǐng)求分配到磁盤上，即地址映射。接下來，就是請(qǐng)求在磁盤上的調(diào)度，在此次設(shè)計(jì)中選擇的是掃描算法SCAN。最后，就是根據(jù)用戶選擇的磁盤轉(zhuǎn)速，由時(shí)間計(jì)算函數(shù)計(jì)算出磁盤陣列處理這組請(qǐng)求分別所用的總時(shí)間和該組請(qǐng)求的總數(shù)據(jù)大小，從而得出傳輸效率，到達(dá)模擬仿真的目標(biāo)。該設(shè)計(jì)的核心局部就是控制模塊C，集中了陣列技術(shù)的控制功能，數(shù)據(jù)布局的冗余信息處理操作、邏輯磁盤請(qǐng)求的分解與合并。圖1 RAID物理數(shù)據(jù)布局由圖1可知各級(jí)RAID技術(shù)的物理數(shù)據(jù)布局，下面，將對(duì)各級(jí)RAID進(jìn)行分析；RAID0：不同磁盤的相同偏移處的塊組合成str

7、ipe，以stripe為單位，數(shù)據(jù)分成多塊同時(shí)寫入多個(gè)磁盤。優(yōu)點(diǎn)是，并發(fā)寫，并發(fā)讀，威力巨大；缺點(diǎn)是，一損俱損，無備份。處理時(shí)間最長的那個(gè)磁盤所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為請(qǐng)求的處理時(shí)間。編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，只需將邏輯請(qǐng)求分解或合并，只計(jì)算起始盤的時(shí)間，其它盤不考慮【4】。RAID1：一個(gè)工作盤，其余的作為備份盤，僅增加讀并發(fā)性?？傮w性能取決于所有盤中性能最差的。編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，寫請(qǐng)求處理時(shí)間取第一個(gè)磁盤的處理時(shí)間；讀請(qǐng)求處理時(shí)間，每個(gè)盤的請(qǐng)求數(shù)取該組讀請(qǐng)求的1/ndisk個(gè)，再計(jì)算第一個(gè)盤的處理時(shí)間。RAID3：數(shù)據(jù)盤的每個(gè)對(duì)應(yīng)位之間做異或運(yùn)算，將結(jié)果寫入校驗(yàn)盤的對(duì)應(yīng)位置。連續(xù)讀寫時(shí)，為單盤的ndisk-1倍；隨機(jī)讀寫

8、時(shí)，無性能提升。不能并發(fā)。編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，異或運(yùn)算時(shí)間忽略不計(jì)，只計(jì)算起始盤的計(jì)算時(shí)間。RAID5：將校驗(yàn)盤分為ndisk份，均分于各個(gè)磁盤中，實(shí)現(xiàn)了并發(fā)I/O。但寫性能極差，寫懲罰，新數(shù)據(jù)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)=老數(shù)據(jù)EOR新數(shù)據(jù)EOR老校驗(yàn)數(shù)據(jù)。編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，當(dāng)為讀請(qǐng)求時(shí)，只計(jì)算起始盤的時(shí)間；當(dāng)為寫請(qǐng)求時(shí)，要將讀老數(shù)據(jù)時(shí)間計(jì)算在內(nèi)【5】。RAID 10 ：在保證數(shù)據(jù)平安的情況下，提高數(shù)據(jù)的讀寫性能。將請(qǐng)求分為ndisk/2份，計(jì)算起始盤的處理時(shí)間。3測(cè)試分析按照上述設(shè)計(jì)思路，在VC+的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)性能測(cè)試的模擬，運(yùn)用MFC對(duì)建立好的模擬模塊具體實(shí)現(xiàn)。測(cè)試了各級(jí)RAID的I/O請(qǐng)求的性能，為了使測(cè)試結(jié)果的可信性

9、強(qiáng)，不但在對(duì)磁盤配置相應(yīng)的性能參數(shù)要符合實(shí)際，磁盤調(diào)度算法也都選擇了掃描算法SCAN。這樣測(cè)試結(jié)果才有可比性，才能對(duì)磁盤陣列性能近一步的分析和了解。一個(gè)盤面的磁道數(shù)設(shè)定為1964個(gè)，一個(gè)扇區(qū)的大小為512B，一個(gè)磁道的扇區(qū)數(shù)為72個(gè)。需要用戶輸入的參數(shù)：磁盤轉(zhuǎn)速設(shè)為5400rpm、磁盤個(gè)數(shù)設(shè)為4個(gè)、陣列級(jí)別、條狀大小、請(qǐng)求類型以及請(qǐng)求個(gè)數(shù)。這里，主要測(cè)試在指定相同參數(shù)的情況下，各級(jí)RAID的讀寫性能。圖2 各級(jí)RAID的讀寫性能測(cè)試由圖2可知，當(dāng)條狀塊大小在比擬小的范圍內(nèi)時(shí)，RAID 0的讀寫性能相對(duì)較高；但條狀塊過大，反而使RAID 0的性能降低。RAID3、RAID5和RAID10的讀寫性

10、能相當(dāng)，同時(shí)，因?yàn)镽AID5的寫懲罰，RAID5的讀性能比其寫性能好。RAID1的寫性能最差，相當(dāng)于單磁盤的性能；RAID1的讀性能很好，是所有RAID級(jí)別中最好的。4結(jié)論這個(gè)設(shè)計(jì)只是關(guān)于I/O請(qǐng)求處理性能的測(cè)試，對(duì)冗余性、磁盤利用率、帶寬和價(jià)格等因素并未考慮。磁盤陣列是按照不同的需求和設(shè)計(jì)要求分為不同的級(jí)別，各個(gè)級(jí)別的差異是根據(jù)用戶對(duì)于其需求的不同而設(shè)定的，有非常多種類的RAID模式，從最簡單的、最廉價(jià)的到極端復(fù)雜、及其昂貴的都有。RAID對(duì)于希望得到更快的傳輸性能、良好的數(shù)據(jù)冗余性、海量的存儲(chǔ)能力的公司和企業(yè)用戶是相當(dāng)適宜的解決方案?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】【1】 C. Tau and T.-I. Wang. Intuitional Decoding Algorithm in RAID Architecture Based on Dual Parity Placement Scheme. In Proceedings of IEEE International Symposium on Information Theory. 2003. 473 473【2】Young Jin Nam, Dae-Woong Kim, Tae-Young Choe, at al. Enhancing Write I/O Perfo