ＲＡＩＤ存储设备的发展及其应用

    摘要：介绍了近年来计算机用于ＲＡＩＤ的存储设备接口的发展，陈述了ＲＡＩＤ设备应用中应当考虑的因素，并在最后指出了目前许多客户在使用ＲＡＩＤ盘阵列时存在的误区。

    关键词：廉价的冗余磁盘阵列（ＲＡＩＤ）  小型计算机系统接口总线（ＳＣＳＩ）  串行存储结构总线（ＳＳＡ）  光纤通道  Ｉ／Ｏ

    随着数字化革命的推进，对计算机存储系统在存储数据量、可靠性和存取速度上都提出了严峻的挑战。外存储设备成为多媒体、ＣＡＤ、数据库等应用不可避免的瓶颈。虽然ＳＬＥＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｌａｒｇｅ Ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ Ｄｉｓｋ）在数据存储容量和读写速度上有较大幅度的提高，但是与ＣＰＵ以及内存的发展速度相比较，其性能的提高却显得很有限。从ＰＣ机磁盘技术上发展起来的ＲＡＩＤ（廉价冗余磁盘阵列）提供了另一个解决方案。和ＳＬＥＤ相比，其存储速度，数据可靠性，低功耗和可扩展性等都有很大的优势，因而已经成为目前高速、大容量、关键数据存储解决方案的主流。而正是由于ＲＡＩＤ的诸多优点，工业界在这十几年中开发出了一系列可应用于ＲＡＩＤ的存储设备接口。本文按照技术的发展顺序，对各种ＲＡＩＤ应用存储设备接口作了综合性的介绍。最后，作者分析了现在用户挑选ＲＡＩＤ存储设备中存在的误区。

１ 存储设备接口

１.１ 并行ＳＣＳＩ和ＳＣＳＩ２

    并行ＳＣＳＩ（ＳＣＳＩ１）标准是在１９８６年建立的。时至今日，一些高端服务器和工作站所采用的存储设备接口多数仍然使用的是ＳＣＳＩ。它支持最多可达７个８位设备，最大传输速度可以达到５ＭＢ／ｓ。诞生于１９９２年的ＳＣＳＩ２实际上在并行ＳＣＳＩ基础上进行了改善，目前的标准实现有两种，Ｆａｓｔ（传输峰值速度为１０ＭＢ／ｓ）和Ｗｉｄｅ（２０ＭＢ／ｓ）。虽然它可以进行３２位的传输，但到目前只用１６位进行传输。它支持同步传输模式，差分信号，命令队列和奇偶校验。与ＳＣＳＩ１相比较，它的接头也要小的多。图１为其逻辑框图。

    从图１可见，构成一个并行ＳＣＳＩ系统的关键部分是ＳＣＳＩ接口适配卡、数据线，采用菊花链模式连接的驱动器以及端接器（并行ＳＣＳＩ总线要求在总线两端有端接器）。

    在此类系统中，要求每个组成设备（包括接口卡和磁盘驱动等）都有一个０～７的唯一ＩＤ。为了提高扩展性能，使之可以用于规模更大的系统，ＳＣＳＩ２的ＬＵＮ支持使之能允许多个逻辑或虚拟设备共享一个物理ＩＤ号，而每个逻辑或虚拟设备则通过一个唯一的子地址来标识。

    虽然此类ＳＣＳＩ存储设备多用于单一主机的访问，但采用一定的设置技巧，它也可以被用于集群系统中。

    由于传输过程中不可避免地存在着噪声和信号衰减，使并行ＳＣＳＩ总线的传输距离不可能太长，通常来说它只能用于传输距离小于３ｍ的应用。为了提高传输距离，业界在系统中引入高电压信号差分（ＨＶＤ）以增大抗干扰能力，从而使总线的传输距离可以进一步扩展至２５ｍ左右，但是差分信号的引入使接口的引脚数目增大了一倍。

    由于并行ＳＣＳＩ总线应用的广泛性，在一定时期内其不可能被完全淘汰。而新一代的存储设备接口为了提供对这些ＳＣＳＩ设备的后向兼容，一般都提供了和ＳＣＳＩ总线进行转换的接口桥。

１.２ ＳＣＳＩ３

    ＳＣＳＩ３进一步在ＳＣＳＩ２的功能上进行了完善，力图使之有更好的兼容性以拓展其应用空间。和ＳＣＳＩ２相比较，ＳＣＳＩ３支持Ｕｌｔｒａ ＳＣＳＩ和光纤通道，ＳＣＡＭ支持（一种即插即用的系统自动配置协议）。它支持ＳＣＡ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ Ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ）接口，ＳＣＡ２接口（也就是有热插拔功能的ＳＣＡ接口）和ＶＨＤＣＩ（Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｃａｂｌｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）接口。

１.３ Ｕｌｔｒａ ＳＣＳＩＦａｓｔ ２０

    Ｕｌｔｒａ ＳＣＳＩ在实现ＳＣＳＩ３协议的基础上将总线的传输带宽增至４０ＭＢ／ｓ。为了达到更高的传输速度，Ｕｌｔｒａ ＳＣＳＩ采用了新的信号和时钟技术。为了最大程度的兼容已在应用领域中占主导地位的ＳＣＳＩ２设备，Ｕｌｔｒａ ＳＣＳＩ的设计使之能和ＳＣＳＩ２设备一块使用，但这种混合使用是以峰值速度下降为总线上所挂最慢设备的传输速度为代价的。

１.４ Ｕｌｔｒａ２ ＳＣＳＩ

    Ｕｌｔｒａ２ ＳＣＳＩ是在Ｕｌｔｒａ ＳＣＳＩ基础上迈出的很自然又很重要的一步。它采用ＬＶＤ（低电平差分信号）技术以及其它的一些改良将总线传输速度进一步提高至８０ＭＢ／ｓ。同时，Ｕｌｔｒａ２ ＳＣＳＩ每个通道支持多达１６个设备，传输距离可达１２ｍ。同时，由于它是在并行ＳＣＳＩ的技术上发展起来的，使之有很好的后向兼容性，价格相对也比较便宜，因此成为目前解决新一代大容量存储系统ＩＯ瓶颈的很有竞争力的一个方案，并且也得到了许多存储设备生产厂家的大力支持。

１.５ ＳＳＡ（Ｓｅｒｉａｌ Ｓｔｏｒａｇｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）

    为了替代那些陈旧而且慢速的并行ＳＣＳＩ总线接口， ＩＢＭ牵头联合多个制造商建立了一个新的开放式存储接口标准ＳＳＡ（ＡＮＳＩ Ｘ３Ｔ０．１）。ＳＳＡ的关键技术是所谓的“空间复用技术”，这一技术允许传输在总线上并发进行从而增大传输带宽。和并行ＳＣＳＩ的链接模式相比，ＳＳＡ采用了不同的拓扑结构：环形拓扑结构，其基本构成框架可如图２所示。每个ＳＳＡ环可以支持多达１２７个设备，传输长度可达到１５ｍ。

    在图２中，ＳＳＡ控制卡可以同时控制两个数据传输环路，而每个环路上峰值传输速度可以达到８０ＭＢ／ｓ。

    图２的每一环路事实上是一个双环结构，传输指令在这个环路上挨个传递直到到达目的存储器。由于ＳＳＡ的“空间复用”技术，各个存储器之间可以以最多为２０ＭＢ／ｓ的速度进行相互备份，从而依靠这种复用达到传输速度总和的增长。但是采用这种技术，当系统需要从存储设备中读或写时，其速度却只能达到２０ＭＢ／ｓ，低于Ｕｌｔｒａ ＳＣＳＩ和Ｕｌｔｒａ２ ＳＣＳＩ。因而这种系统主要应用于集群环境。

    双环结构使其有良好的容错性能（这类似于通信中的自愈环的概念）。比如说图２中的磁盘３由于故障不能正常工作，如果磁盘２和４想进行传输，则此时传输就不能通过３来进行。在这种情况下，系统将检测到此故障而将磁盘２和４的路由改至经过控制卡。当环中的某一段磁盘出现故障，比如上图中的３和５同时出现故障，ＳＳＡ会标志３、４、５不可用，从而形成一个新的单环结构。

１.６ 光纤通道仲裁环（ＦＣ－ＡＬ）

    光纤通道是又一种开放式标准，是由ＡＮＳＩ和ＯＳＩ定义的，它是一种串行的高速数据传输技术，支持许多重要的高层协议，如ＩＰ、ＡＴＭ、ＩＥＥＥ９０２、ＨＩＰＰＩ（Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）、ＳＣＳＩ等。ＦＣ并没有它自己的指令集，而仅仅是用来实现在各个ＦＣ设备间传输数据。同时，ＦＣ并不如它的名字所说局限于用光纤作为其传输介质，事实上它允许采用廉价的铜缆（比如双绞线或者同轴线）按照协议规范来传输（当然此时传输的是电信号）。总之，它是一种规范而非实现的定义。

    ＦＣ的诸多优点是有目共睹的。它可以有高达１００ＭＢ／ｓ的传输速度，可以支持多达１６兆个设备，传输距离可大于一万米。对多种拓扑结构的支持使它有很好的灵活性，应用范围广阔，结构简单（串行缆线，没有端结器，能够自动分配ＩＤ），内置的校验算法使之格外可靠，而对众多协议的支持使它的集成尤为容易。

    ＦＣ支持的数据包的长度是可变的，从０字节到２０４８字节。这使它特别适用于象数据库那样ＩＯ块较小的应用。同时由于它所引入的额外数据并不多，使之也能很好地用于象视频这样的场合。

    ＦＣ支持多种拓扑结构包括点对点结构，仲裁环结构和交换式结构。当用ＦＣ来架构存储系统时，一般采用的是仲裁环式的拓扑结构。因此这里有必要了解一下仲裁环拓扑结构。

    仲裁环（ＡＬ）结构如图３所示，它最多可以菊花链的方式支持达１２７个端口。在这种结构下，数据在这条链上从一个设备传送到下一个相邻设备。ＡＬ上的每个端口被标识为ＮＬ端口，在一个链中同一时刻只能有两个当前活动端口，而其它的端口只是为中继器简单地将信号传送到下一个端口。这就是说１００ＭＢ／ｓ的传输速度实际上为环上的所有设备所共享的。和令牌环一样，环上的所有端口检测经过自己的所有消息，留取属于自己的部分，然后将所有不属于自己的消息传递给下一个端口。

    ＦＣ－ＡＬ的ＲＡＩＤ控制卡一般采用单端口控制卡或双端口控制卡的形式。前者提供了一条光纤通道，而后者采用双通道的形式来提高数据传输的可靠性。图４、图５依次给出了单端口和双端口控制卡挂接磁盘存储器的基本框图。

    单端口系统成本较低，但是由于它只由单环组成，因而可靠性不高。当缆线或其它连接构件出现故障时，ＦＣ控制卡就不能正常地与ＦＣ磁盘进行通信。双端口控制卡的结构在一定程度上减少了这种不可靠。由下图可见，在一条缆线出现故障时，双环结构允许用另一条缆线进行所有通信，从而增加了系统的可靠性。

    ＦＣ硬盘驱动器使用４０针的ＳＣＡ接口，这使之可以无需转换就能直接插入配有ＳＣＡ插槽的外置式硬盘笼子中。但是ＳＣＡ接口又使得ＦＣ硬盘无法直接挂接到ＦＣ控制卡上，而必须通过一个专用的ＦＣ－ＳＣＡ到ＤＢ９的适配器进行接口转换。

    ＦＣ硬盘的笼子并不仅仅简单地提供一个固定ＦＣ硬盘的框架，同时它在一定程度上提供了功率和温度的控制。对于那些提供热插拔功能的硬盘笼子，内置有端口旁路电路，用来在环路上的某个硬盘出现故障时将此硬盘旁路，从而保证整个环路仍然畅通。

    为了向某些应用提供最高的数据安全，一些硬盘笼子上配备有两条完全独立的环路，以备在一条通路出现故障时系统能够照常运作。同时高档的硬盘笼子必须提供一个管理接口用来和主机进行控制信息的通信，如向主机报告风扇和电源故障，以及当主机检测到有一硬盘出现用指示灯标识此硬盘。由于通常情况下每个ＦＣ存储设备间的距离不是很大，因而在此类系统中一般采用铜缆，如屏蔽双绞线，代替昂贵的光缆来作为传输介质。利用铜缆在１００ＭＢ／ｓ的码率下可以达到２５ｍ的传输距离。

    如果各个ＦＣ存储设备间距超过了２５ｍ，则应用光纤替代铜缆作为传输介质。在上述码率下，采用６２．５μｍ的多模光纤传输距离可达１７５ｍ，用５０μｍ多模光纤传输距离可达５００ｍ，而用９μｍ的单模光纤更可以将传输距离增至１０ｋｍ。为了采用光纤作为传输介质，ＦＣ控制卡和硬盘笼子必须配置有ＭＩＡ（Ｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ａｄａｐｔｅｒ）来实现光电信号的转换。

２ ＲＡＩＤ应用中应注意的一些方面

    ＲＡＩＤ的一个很诱人的特点是它能将数据同时分散到数个磁盘中进行读写，从而可以几倍于单一磁盘的速度进行数据传输。由于ＦＣ－ＡＬ能够轻而易举地将传输速度提高至１００Ｍｂｙｔｅ／ｓ，而Ｕｌｔｒａ ２ ＳＣＳＩ的峰值传输速度也可以达到８０ＭＢ／ｓ，Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ ＳＣＳＩ－３的数据传输速度则为４０ＭＢ／ｓ。与这些速度相比，实际物理硬盘的读写速度则要慢的多了。７２００转的Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ ＳＣＳＩ－３读写速度只有不到１０ＭＢ／ｓ。为了进一步提高速度，制造商们费力地加快磁盘转速，并且为针对ＲＡＩＤ应用制造了转速高达１００００转的磁盘，但其读写速度仍然只能达到１２ＭＢ／ｓ。同时，伴随高转速而来的诸如功耗，散热等问题不可避免地导致了制造成本的大幅度提高，使速度上的突破相对成本来说似乎有些得不偿失。这就不难解释为什么在大多数应用方案中用户都尽可能多地在阵列控制卡上挂接磁盘，以求最大限度的利用总线带宽了。

    但是增加磁盘的速度并不能无限制地增大传输速度。以Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ ＳＣＳＩ－３为例，理论上在挂接了４个７２００转的硬盘后总线带宽就已经饱和了。此时总线带宽就成为了整个ＩＯ系统的瓶颈。为了进一步提高传输速度，不少硬件ＲＡＩＤ控制卡提供了同时利用多条内部ＳＣＳＩ总线的方法来增加传输带宽。

    在对传输速度需要求进行精确估计的时候，除了上面所说的一些数据外还需考虑ＩＯ块大小以及传输ＳＣＳＩ指令所需额外带宽的因素。通常情况下传输１Ｍ的数据，需要传送大约３２０Ｋ的ＳＣＳＩ指令数据。仍以上面所说的Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ ＳＣＳＩ－３为例，在理想情况下，如果每个Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ ＳＣＳＩ－３硬盘以１０ＭＢ／ｓ的速度进行读写，那么在挂接３个硬盘时，ＳＣＳＩ指令所引入的额外数据将达到３０ＭＢ／ｓ×３２０Ｋ＝９．６ＭＢ／ｓ，也就是说在挂接３个硬盘时，总线带宽就已经饱和了。虽然在同步突发传输方式下，指令数据比较明显地下降，但是由于多数应用并不是持续地工作在突发方式，因此在传输速度要求很高的情况下，这种额外数据的引入对传输速度的影响是不容忽视的。ＦＣ－ＡＬ采用了一种特殊的处理方法，它在传输ＳＣＳＩ指令时首先将所有的指令打成一个包，将此包在数据传输开始前进行传送。通过这种处理，很大程度地压缩了指令的额外数据，从而可以使其总线上的持续传输速度达到９０ＭＢ／ｓ。

    ＲＡＩＤ系统处理数据传输的时间可以分为以下三部分：操作系统产生ＩＯ请求包的时间，ＲＡＩＤ控制卡及磁盘驱动器处理ＩＯ请求的时间以及磁盘用于实际读写数据块的时间。和前两个速度相比较，磁盘的实际读写速度成为了瓶颈。为了提高系统的性能，一般的ＲＡＩＤ控制器上都配有大量的缓存用来暂时转储数据。由于ＲＡＩＤ控制卡能快速地将ＣＰＵ要写的数据首先存储到缓存中作为过渡，因此大幅度地减少了在写盘过程中消耗的ＣＰＵ资源。而新一代的智能型控制卡更有超前读的缓存，使读盘时的ＣＰＵ资源也在一定程度上得到了节约。因此在选择存储设备时，用户也应根据自己的应用确认系统所应采用的缓存策略。

３ 用户选购ＲＡＩＤ系统时的误区

    在各ＲＡＩＤ生产、销售商大张旗鼓地鼓吹各自产品传输速度的今天，大家似乎都忘了ＲＡＩＤ的另一个重要角色：通过数据冗余来实现对关键数据的保护。传输速度成为各家公司推销其产品的叫卖点，这造成了不少用户不从自身应用的特殊性（例如应用中数据的可靠性要求，平均ＩＯ的数据块大小以及设备的软件支持）考虑，在购买ＲＡＩＤ系统时盲目地追求厂商的标称传输速度。

    事实上，由于应用的差异，不可能存在一种对所有应用而言都是最优的方案。用户在购买ＲＡＩＤ系统时，应该从自己的应用出发，通过分析实际的ＩＯ负载和主机配置对应用有一个清楚的认识。这就意味着用户必须了解应用中典型ＩＯ块的大小，对数据容错性能的要求确定自己所应采用的ＲＡＩＤ级别。同时根据所需要达到的峰值速度以及平均速度，数据共享等一系列指标，在考虑到各个ＲＡＩＤ生产厂商在对系统定义上的差异（如有些厂商使用每秒能进行的ＩＯ请求数而不是用ＭＢ／ｓ来衡量系统速度，有些厂商对ＲＡＩＤ级别的定义又有可能和工业标准不通等等）下，通过仔细的分析和市场调研来决定最后的解决方案。