介绍服务器中的RAID技术(1)

RAID，Redundant Array of Inexpensive Disks的缩写，中文简称为廉价磁盘冗余阵列。自从RAID这个概念提出后，RAID技术越来越多的广泛应用于芯片、控制卡、主板、磁盘阵列等诸多产品中。
按照大的种类来分，有软RAID(HostRAID)以及硬件RAID两种。软RAID没有专门的IOP运算芯片，一般是利用主机的CPU进行“兼职”校验，所以性能一般都比较低，而且附带的软件“虚拟”功能也比较少，应该算是最简单的RAID。软RAID的表现形式又可分为两种，一种是纯粹的基于上层软件的RAID，如Windows/Linux/Veritas Volume manager等中具备的RAID功能；另一种是接口芯片上板载的RAID，如Ultra320 SCSI、SAS接口芯片所具有的RAID功能。
硬件RAID最大的特征是具有专门的用于IOP运算的芯片，所以会有比较高的性能，而且一般也会附带一些高级的“虚拟”功能。我们也可以把硬 RAID分为两种，一种被广泛的应用到外部磁盘阵列中；另一种是在服务器中的RAID，例如ROMB(RAID On Motherboard)、RAID卡等，这些产品使用Intel的IOP芯片或者具有RISC运算的ROC(RAID on Chip)芯片。本文的重点在于介绍服务器中RAID技术的特性。
一、 服务器中的RAID产品介绍
服务器中的RAID技术被广泛应用是从RAID卡开始的，早期的RAID卡基于PCI总线（64bit/33MHz or 66MHz），提供Ultra160的SCSI通道。当时提供类似产品的厂家有DPT、Mylex、AMI，但随着时间的流逝，这些厂家已经被全部并购。随着新的总线、接口技术的出现，之后的RAID卡开始支持PCI-X总线（64bit/66MHz, 64bit/100MHz，64bit/133MHz）、PCI-E总线（X1、X4、X8等等），也开始支持Ultra320 SCSI、SATA1、SAS、SATA2等接口。
RAID卡最大的两大功能是提供RAID运算，以及提供数据通道，所以在一般的RAID卡上都会有两个大的核心芯片，一个是基于Intel或 IBM PowerPC的IOP芯片，另一个是提供SCSI/SATA/SAS的I/O控制器芯片。当然，最新的ROC(RAID on Chip)技术已经可以把这两大功能集成到一个单芯片中，以降低成本，并有利于小尺寸设计。另外，还有一种特殊的被称为ZCR(Zero Channel RAID)的卡，上面只有一个IOP芯片，它是通过和主板上板载的SCSI/SATA/SAS等接口控制器配合来实现两大功能的。
对于SCSI来说，属于并行通道技术，所以有零通道、单通道、双通道甚至四通道的RAID卡，每个通道支持15个有效地址。对于SATA来说，属于点对点串行通道技术，所以有双端口、四端口、八端口甚至更多端口的RAID卡。对于SAS来说，也属于点对点串行技术，并且引入了交换、虚拟端口等概念，一般有X4（即4个PHY组成的一个宽Port）、2X4(即有两个宽Port)宽端口的RAID卡。
RAID卡需要占用主机的PCI插槽，而且成本相对比较高，随着计算机集成度越来越高，ROMB(Raid on Motherboard)技术出现了，这种技术把RAID卡的RAID校验运算、数据通道两大功能集成到主板上，从而进一步降低了成本。
上面提到的不管是RAID卡，还是ROMB，都属于硬件RAID，只是硬件上的表现形式不一样，而在软件方面是统一的。RAID产品的软件分为两个部分，一个是底层的用于和主机启动交互的BIOS以及功能软体Firmware；另一个是上层的基于OS的管理软件，一般都具有图形化和命令行的管理软件。举个例子，Adaptec公司的SCSI、SATA、SAS RAID卡以及ROMB产品具有统一的Firmware版本，统一的RAID功能，而且可以通过统一的图形化管理软件进行集中管理。
二、 服务器中的RAID产品业界标准功能特性介绍
上面提到了，服务器中的RAID产品软件功能是统一的，而软件功能又决定了产品的特性。目前已经有很多厂家参与到RAID产品的市场中，而这些厂家的产品也具有一些业界“标准”的功能特性。下面逐一进行简单介绍。
1. RAID0，1，10，5，50
最初的RAID定义包括了RAID0到RAID5，但经过客户实际需求的洗礼，目前在服务器中使用的RAID级别一般都是RAID0、1、5，以及复合RAID 10、50。大家对这些标准的RAID级别应该非常熟悉了，就不多介绍了。
2. 在线RAID优化调整
现在的业务要求很少的宕机时间，所以标准的RAID卡也都具有了一些在线RAID调整功能，从而不需要重启系统就可以完成某些任务。
－ 在线扩容：例如在原来RAID5基础上增加一个或者几个盘的容量。
－ 在线RAID级别转换： 根据客户应用的变化，进行RAID级别的转换，例如从RAID10到RAID5，从而实现可用容量、冗余度、安全性的调整。
－ 在线条带大小调整：根据客户应用对性能要求的变化，对RAID的条带大小（Stripe Size）进行在线调整。
3．可配置的热备份盘（Hot Spares）
热备份技术用于对一些RAID级别进行保护，如RAID1/5等，当RAID组中的一个磁盘损坏后，热备份盘就会自动顶替损坏磁盘，在进行Rebuild(重构)后，之前的RAID组又重新恢复完整性。
热备份盘可以配置成Global全局的，每个RAID中的损坏磁盘都可以顶替；也可以配置成Dedicated专职的，只对某个RAID中的损坏磁盘进行顶替；还可以划分Pool池，从而在多个热备份盘的配置下可以有效管理。
4． 热插拔磁盘以及自动重构
上面提到，现在的业务要求更多的在线操作，所以能够支持在线插拔磁盘是非常重要的。另外，在更换完磁盘后，能够自动的进行Rebuild(重构)也是非常关键的。
5． 灵活的初始化（Initialization）方式
根据客户的需求，在做RAID的时候可以选择多种灵活的初始化（Initialization）方式，如前台Clear初始化，对所包含磁盘写0，初始化之后RAID组才可见；后台初始化，对所包含磁盘进行奇偶校验运算，边初始化边可用；立即生效初始化，只对磁盘的Metadata RAID信息区写操作，对数据区不进行任何操作。
6． 多个物理磁盘上可以创建多个虚拟RAID
之前的RAID成员都是以物理磁盘为单位的，比如3个36GB的磁盘做一个RAID5，这个RAID就包括了3块磁盘的所有容量。但现在的 RAID技术都添加了“虚拟”功能，在多个物理磁盘上可以创建多个RAID，例如3个72GB的磁盘，可以创建2个RAID5，每个RAID5都是3个 36GB的磁盘空间组成的。