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磁盘阵列的原理及相关知识

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【磁盘阵列的原理及相关知识】
1. 为什么需要磁盘阵列？
如何增加磁盘的存取（access）速度，如何防止数据因磁盘的故障而失落及如何有效的利用磁盘空间，一直是电脑专业人员和用户的困扰；而大容量磁盘的价格非常昂贵，对用户形成很大的负担 。磁盘阵列技术的产生一举解决了这些问题 。
过去十年来，CPU的处理速度几乎是几何级数的跃升，内存（memory）的存取速度亦大幅增加，而数据储存装置——主要是磁盘——的存取速度相较之下，较为缓慢，整个I/O吞吐量不能系统匹配，形成电脑系统的瓶颈，拉低了电脑系统的整体性能（throughput），若不能有效的提升磁盘的存取速度，CPU、内存及磁盘间的不平衡将使CPU及内存的改进形成浪费 。
目前改进磁盘存取速度的方式主要有两种：一是磁盘快取控制（disk cache controller），它将从磁盘读取的数据存在快取内存（cache memory）中以减少磁盘存取的速度，如要读取的数据在在快取内存中，或要写数据到磁盘时，才做磁盘的存取动作 。这种方式在单工环境如Dos之下，对大量数据的存取有很好的性能（量小且频繁的存取则不然），但在多工(multi-tasking)环境之下（因为要不停的作数据交换——swapping——的动作）或数据库的存取（因为每一记录都很小）就不能显示其性能 。这种方式没有任何安全保障 。
其二是使用磁盘阵列的技术 。磁盘阵列是把多个磁盘组成一个阵列，当作单一磁盘使用，它将数据以分段（striping）的方式储存在不同的磁盘中，存取数据时，阵列中的相关磁盘一起动作，大幅减低数据的存取时间，同时有更佳的空间利用率 。磁盘阵列所利用的不同的技术，称为RAID Level，不同的level针对不同的系统及应用，以解决数据安全的问题 。
一般高性能的磁盘阵列都是以硬件的形式来达成，进一步地把磁盘快取控制及磁盘阵列结合在一个控制器（RAID Controller）或控制卡上，针对不同的用户解决众对磁盘输出输入系统的四大要求：
（1） 增加存取速度；
（2） 容错（fault tolerance），即安全性；
（3） 有效地利用磁盘空间；
（4） 尽量地平衡CPU、内存及磁盘的性能差异，提高电脑的整体工作性能 。
2．磁盘阵列原理
1987年，加州柏克大学的三位人员发表了名为“磁盘阵列研究”的论文，正式提到了RAID也就是磁盘阵列，论文提出廉价的5.25"及3.5"的硬盘也能如大机器上的8"盘般提供大容量、高性能和数据的一致性，并详述了RAID 1至5的技术 。
磁盘阵列针对不同的应用使用不同技术，称为RAID Level, RAID是Redundant Array of Inexpensive Disks的缩写，而每一Level代表一种技术，目前业界公认的标准是RAID 0~RAID 5 。这个level并不代表技术的高低，level 5并不高于level 3，level 1也不低过level 4，至于要选择那一种RAID level的产品，纯视用户的操作环境及应用而定，与level的高低没有必然的关系 。RAID 0没有安全的保障，但其快速，所以适合高速I/O的系统；RAID 1适用于需安全性又要兼顾速度的系统，RAID 2及RAID 3适用于大型电脑及影像、CAD/CAM等处理；RAID 5多用于OLTP，因有金融机构及大型数据处理中心的迫切需要，故使用较多而较有名气，但也因此形成很多人对磁盘阵列的误解，以为磁盘阵列非要RAID 5不可；RAID 4较少使用，各RAID 5有其共同之处，但RAID 4适合大量数据的存取 。其他如RAID 6，RAID7，乃至RAID 10，50，100等，都是厂商各做各的，并无一致的标准，在此不作说明 。介绍各个RAID level之前，先看看形成磁盘阵列的两个基本技术：
磁盘延伸（Disk Spanning）:
译为磁盘延伸，能确切地表示disk spanning这种技术的含义 。如下图所示，Oaraid?;磁盘阵列控制器，联接了四个磁盘：

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