RAID卡技术简析

    经过一段时间的折腾，工作的事终于解决了，新工作一上来的第一件事就要熟悉RAID卡存储机制，先简单了解下RAID卡吧。

    提到RAID卡就不得不提什么是RAID，RAID是英文Redundant Array of Independent Disks的缩写，翻译成中文即为独立磁盘冗余阵列，或简称磁盘阵列。简单的说，RAID是一种把多块独立的硬盘（物理硬盘）按不同方式组合起来形成一个硬盘组（逻辑硬盘），从而提供比单个硬盘更高的存储性能和提供数据冗余的技术。组成磁盘阵列的不同方式成为RAID级别（RAID Levels）。RAID技术经过不断的发展，现在已拥有了从 RAID 0 到 6 七种基本的RAID 级别。另外，还有一些基本RAID级别的组合形式，如RAID 10/01（RAID 0与RAID 1的组合），RAID 50（RAID 0与RAID 5的组合）等。不同RAID 级别代表着不同的存储性能、数据安全性和存储成本。

    数据冗余的功能是在用户数据一旦发生损坏后，利用冗余信息可以使损坏数据得以恢复，从而保障了用户数据的安全性（除RAID0外）。在用户看起来，组成的磁盘组就像是一个硬盘，用户可以对它进行分区，格式化等等。总之，对磁盘阵列的操作与单个硬盘一模一样。不同的是，磁盘阵列的存储性能要比单个硬盘高很多（主要是存取速度上），而且可以提供数据冗余。

    RAID可以通过软件或硬件来实现，软件实现RAID需要操作系统的支持。硬件实现就是使用专用的RAID卡来实现。

    1、软件RAID：一些网络操作系统可以使用标准的SCSI适配卡支持和管理驱动器。一些网络操作系统支持RAID 0，RAID 1和RAID 5。由于是操作系统下实现RAID，软RAID不能保护系统盘。亦即系统分区不能参与实现RAID。有些操作系统，RAID的配置信息存在系统信息中，而不是存在硬盘上；当系统崩溃，需重新安装时，RAID的信息也会丢失。

    当运行I/O增强应用程序，如文件服务器或应用程序服务器，可适当的使用软件RAID。RAID 5是CPU的增强方式，所以不建议使用软件RAID在增强的处理器服务器中。磁盘的容错技术并不等于完全支持在线更换，热插拔或热交换，有些操作系统不能支持系统不经过重启的在线热交换。能否支持错误硬盘的热交换与操作系统有关。

    NetWare支持RAID 1(镜像和双工)。Windows NT、Windows 2000、LINUX、OPENSERVER支持RAID 0, RAID1和RAID5。

    另一种方案是配置系统在线扩充，服务器中配置一块备用硬盘，当系统中没有硬盘错误时，它处于等待状态，当RAID5或RAID1中出现硬盘错误时，它可以自动取代坏盘，当系统确认后，即可成为阵列的一部分。

    2、硬件RAID：硬件 RAID是采用集成的阵列卡或专用的阵列卡来控制硬盘驱动器，这样可以极大节省服务器系统CPU和操作系统的资源。从而使网络服务器的性能获得很大的提高。

    RAID控制器对主系统，是借由连接至其存取接口(目前以SCSI为主)作信道。换言之，它在主系统的存取接口上，是一个独立的直接存取储存体DASD(Direct Access Storage Device)。而这个大的储存体内，可以有不只一个的逻辑磁盘LUN(Logical Unit Number)。RAID控制器，对下管理多颗数组硬盘机们。而主系统是不会看到或直接管理该硬盘的。例如：Mylex LSI、AMI、Adaptec等 ... 都有相关的产品。

    现在的RAID卡产品，都支持在线更换，热插拔或热交换。并在部分操作系统下实现软件监控和管理。

    RAID卡就是用来实现RAID功能的板卡，通常是由I/O处理器、硬盘控制器、硬盘连接器和缓存等一系列零组件构成的。不同的RAID卡支持的RAID功能不同。支持RAlD0、RAID1、RAID3、RAID4、RAID5、RAID10不等。RAID卡可以让很多磁盘驱动器同时传输数据，而这些磁盘驱动器在逻辑上又是一个磁盘驱动器，所以使用RAID可以达到单个的磁盘驱动器几倍、几十倍甚至上百倍的速率。这也是RAID卡最初想要解决的问题。可以提供容错功能，这是RAID卡的第二个重要功能。

    来看看RAID卡的工作机制，RAID卡有自己的CPU，Cache Memory，通过集成或借用主板上的SCSI控制器来管理硬盘，可以称之为一个智能化的设备。下图为RAID卡的结构图：

    RAID卡的分类一般根据集成的SCSI控制器来划分。如果没有集成SCSI控制器，而是借用主板上的SCSI控制器来管理硬盘，则为零通道RAID卡。根据RAID卡集成的SCSI控制器的通道数量，可以分为单通道、双通道、三通道RAID卡。还可以按照SCSI控制器的标准来划分RAID卡的种类，如Ultra Wide、 Ultra2 Wide、Ultra160 Wide。下图为带RAID卡的SCSI系统结构：

    RAID处理器是一个PCI从设备，接受并执行来自系统的命令。同时占用PCI中断，代表SCSI磁盘子系统向系统提出中断请求，请求占用PCI总线，返回对系统命令的响应，如输送SCSI硬盘上的数据。

    作为RAID卡的CPU，通过执行闪存中的Firmware，控制SCSI控制器、Cache Memory以及指示报警电路，来实现RAID卡的功能，运作流程如下：
（1）初始化RAID卡寄存器
（2）读取NVRAM的上次RAID参数，与硬盘实际信息进行比较，显示结果
（3）发送配置提示、响应 HOST 命令进入配置界面
（4）提供配置菜单、将用户提供的RAID卡参数、RAID参数存入NVRAM
（5）根据RAID参数，通过SCSI控制器对硬盘进行初始化写操作
（6）完成配置
（7）等待Host发出读写操作命令

    RAID卡提高磁盘读写性能的另一手段是磁盘CACHE。对于磁盘I/O来说，如果没有CACHE，就直接从硬盘读写；如果有CACHE，则首先从CACHE读写。
    CACHE具有两大功能：
——预读：CACHE预读提高了计算机系统中的硬盘读的功能，尤其是在读取含有大量文件碎片的文件时。具有良好预读功能的RAID卡能在看起来很随机的读访问中，识别出读取磁盘的规律， 通过这个规律提前将系统要读取的数据放在CACHE中。预读的两种方式如下：
Read Ahead

    由于硬盘数据经常是以一族连续的硬盘扇区组织起来的，所以有时侯如把系统所请求的扇区随后的一个扇区里的数据 同时读进来是有价值的。对于数据文件的读取有利,特别是系统CPU的性能低时。
Pre-Fetch

    当RAID卡发现系统要读的是先前已经读过的数据时，在 这一次，便将这一个数据块的数据写到CACHE里。对于程序文件的读取有利 。
——回写：回写是通过暂时将数据存在CACHE里，从而推迟将数据写到慢设备（如硬盘、磁带机）的一种工作方式。数据将在随后的时间，硬盘闲置的时候写到硬盘中。写的时候也是统一将CACHE内的尚未写出的数据按照数据块的在硬盘中的BLOCK序号写入，这样可以提高写的效率。

    回写需要加电池给CACHE供电，以免数据在写到硬盘之前系统断电导致硬盘数据丢失。

    增加CACHE大小对于预读来说，为系统提供了更多的来自CACHE的可供读取的记录。 对于回写来说，允许控制卡保存更多的记录留待后期写磁盘。特别是对于电梯式回写，使得连续的回写段之间有更近的间隔，降低硬盘写操作的平均访时间并提高了吞吐率。
写策略
——回写（Write Back）
——通写（Write Through）

    通写模式下，所有数据在以命令完成状态返回到计算机之前，直接写到硬盘。两种写策略比较来说，写策略由通写改为回写时，可大幅度提高RAID性能。但回写具有一定的数据危险性。在突然断电的情况下，会丢失存于Cache尚未写入硬盘的数据。
    RAID卡工作在写策略为THROUGH时，缓存大小对RAID卡的性能影响很小，只有当写策略改为BACK时，缓存的作用才会发挥出来。

    影响RAID卡性能的因素很多，其中可调因素主要有RAID卡缓存（CACHE）大小、写策略（WRITE POLICY）、读策略（READ POLICY）、条带的大小（STRIPE SIZE）。不同的RAID卡虽然说法略有不同，但意思是一样的。很多设置可以在RAID卡的配置工具中调整。