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如何运用光纤通道实现RAID系统架构

Watchstor.com  佚名丨2009-10-04 13:41 标签:存储网络 光纤通道 RAID 

本文将向您介绍一款采用光纤通道协议实现RAID控制器的系统设计方案。我们将重点讨论如何使用安捷伦Tachyon 4Gb/s 4端口光纤通道协议IC,把多个磁盘通道加入在一个提供RAID应用的计算系统中,并对使用RAID存储技术的整个系统进行简单介绍(包括光纤通道拓扑及选项、FC终端、磁盘通道和处理器功能)。

RAID系统架构概述

数据存储的应用越来越广泛。过去的单一设备现在容纳或产生大量的数字信息。海量数据时代的到来加速了人们对信息安全存储的需求。光阴荏苒,人们保存了大量的数据,但是重新获得丢失的数据却要耗资巨大。为此,人们部署了可靠的数据存取系统来保存或存储数据。随着保护数据安全呼声的高涨,对RAID解决方案的需求也日益增加。RAID解决方案提供有多种有助于提高数据检索成功率的选择方案。尽管RAID技术现在已可以应用于实现可靠检索所需的任何数字存储介质上,当前人们还是普遍把数据存储在物理介质上。

在一个实施RAID技术的完备系统中,需要考虑下列事项:

* 带一个或多个CPU的控制处理机。

* 需要将一些磁盘与控制处理机相连接。通常采用专门用于附加驱动器的特殊协议实现磁盘连接。目前,有好几种流行的磁盘协议。这里我们将重点介绍在大多数高端存储阵列设计中使用的光纤通道协议。

* 驱动器和处理器间无法直接实现高效连接。为此,人们使用了协议转换器为一个接口上的处理器提供API,并实现与另一个接口上驱动器的连接。

图1:RAID控制器功能最简单架构的典型系统示例

典型RAID系统示例

图1为典型RAID系统示例,其中包括四个CPU,一个由内存控制器和接口设备组成的处理器组(Processor Complex)、一个协议控制器和多个光纤通道链路组成的阵列。对磁盘控制器架构的多样性和利弊,本文不作讨论。图1所示系统为最简单的通用架构,我们将用它来介绍RAID控制器的一般功能。
RAID概述

RAID实施方案这一概念并不仅仅包括以后检索所需的储存数据,它还涉及到采用下文介绍的一级或多机RAID架构。

RAID-0:数据分割(Striping)。数据分割不能增加系统安全性,但可以提高系统性能。一个文件被存储在多个驱动器上。文件被分成若干块,并被依次写入连续的磁盘中,这样就可以分摊单个驱动器的写反应时间并使多个写操作重迭进行。

RAID-1:磁盘镜像(Mirroring)。将一个磁盘上的所有数据完全复制到另一个磁盘中。这需要将数据写入不同的磁盘中,涉及到两个单独的写操作。这两个磁盘无主次之分,一个磁盘是另一个磁盘100%的备份。已完成的写操作,必须是已同时在两个磁盘上完成了同样的写操作。如果一个磁盘故障,与之镜像的磁盘保持正常操作,不会造成中断。RAID-1提供了较好的管理能力,而且在正常操作或系统恢复时不需要占用太多的CPU。但这种方式成本很大:磁盘上需要保护的每千兆字节都会需要一个完全一模一样的千兆字节。换句话说,RAID-1所需要的磁盘空间是无保护磁盘空间的两倍。

RAID-2:汉明码纠错(Hamming code error correction)。与ECC内存一样,RAID-2也使用了汉明码方法校验磁盘数据的正确性。

RAID-3、RAID-4和RAID-5都使用了不同的奇偶校验方法。与RAID-1完全复制数据不同,这些等级的RAID通过添加一个附加磁盘将数据分散在几个磁盘上。附加磁盘上的数据是用其它磁盘的数据计算出来(使用Boolean XORs)。当磁盘组中任一个丢失时,可以用磁盘组中其它磁盘上的数据通过计算来恢复丢失的数据。由于这几种方法不需要RAID-1 100%磁盘备份的费用,因此它们所需成本比RAID-1要低。然而,由于磁盘上的数据是计算出来的,磁盘丢失后会影响与写操作和数据恢复相关的性能。

RAID-3:虚拟磁盘块(Virtual disk blocks)。RAID 3会把数据写入操作分散到RAID阵列中的所有磁盘上进行(数据分割)。因为每次写操作要接触每个磁盘,阵列同时只能写入一块数据,因此导致整个RAID系统性能下降。RAID-3的性能因写操作性质的不同而不同:写入少量数据时因需要所有的磁盘工作,性能较差,而在写入大量数据时性能较好。

RAID-4:专用奇偶盘(Dedicated parity disk)。在RAID-4阵列中,有一组数据盘,通常是4~5个数据盘(可以有更多数据盘,但会大大影响性能)和一个专门用来管理其它磁盘上数据奇偶性的特殊磁盘。因为每次写操作都需要访问奇偶盘,奇偶盘成了系统性能的瓶颈,降低了整个阵列中所有写操作的速度。

RAID-5:磁盘分割(Striped parity)。RAID-5实际上与RAID-4一样,唯一不同的是:在RAID-4中,所有奇偶校验信息位于一个单一磁盘上,而在RAID-5中,对奇偶校验信息进行了分割,将其存放在阵列中各个磁盘上。这种共享可以均衡并减少RAID-4方法的性能影响。在常用的RAID-5软件实施方案中,由于写操作占用了15%以上的磁盘空间,系统速度会变得很慢,令人难以接受。


要实施任意RAID组合,需要考虑几个功能。在实施0级以上的RAID方案时,通常要连接多个磁盘。为了实现数据分割、镜像和奇偶校验,采用了多种磁盘存取方式或操作。例如,为了实现RAID-1,需要连续向两个驱动器写入数据。磁盘的读或写操作通常被称之为磁盘输入/输出(I/O)。这可以是可与一个或多个驱动器实现通信的任意协议。这个功能可通过系统中一个或多个处理器上运行的软件实现。方法是在通过协议控制器API实现RAID技术和进行通信时,实现高级磁盘写入功能。

最好使用一个可以管理多个磁盘通道的协议控制器,使处理控制机可以在RAID应用中和系统管理功能上工作。对于部署连接状态和多个驱动器通道的光纤通道等复杂协议而言,通常使用类似于Tachyon系列产品的高端控制器为系统提供最高等级的性能。

Tachyon架构

Tachyon光纤通道协议控制器系列产品采用了1Gb、2Gb和4Gb 光纤通道链路,并根据不同设备通过PCI、PCI-X或PCI Express接口与系统相连。

尽管不论是光纤通道技术,还是系统总线互连技术都取得了重大进展,Tachyon协议引擎系统架构却是随着半导体工艺技术的发展而拓展。这一架构以FSM(Finite State Machine)设计为基础。在FSM设计中,采用了众多独立状态机,这些状态机并行运行,因此可以获得比固件或软件解决方案更高的性能。随着频率增加,Tachyon的性能也相应提高,而在基于固件的解决方案中,电路频率并不会直接改善算法的性能。

Tachyon架构支持入局和出局数据通路独立和同步运行,因此可以在光纤通道链路全速率下实现全双工操作。此外,由于在数据移动的同时可以同步处理I/O操作的控制请求,Tachyon架构还可以实现数据移动设备的最佳利用。

FSM的性能与时钟频率密切相关。FSM设计不但可以决定每个时钟周期,而且和嵌入式微处理器一样在发布指令和数据找取时对内存存取速度没有依赖性。除了随链路性能工艺技术的发展而升级,Tachyon还利用系统接口总线的技术改进来增加每秒I/O性能。

PCI Express的适用性

过去,双向系统总线接口(如PCI和PCI-X)共享资源限制了Tachyon RAID架构中的全双工功能。Tachyon产品中两个独立的数据移动设备争相占用PCI或PCI-X系统接口。

图2:用PCI Express提供的独立Ingress和Egress通路对PCI和PCI-X的双向总线系统接口进行对比。由于Express Ingress数据通路与Tachyon 出局数据通路以及Express Egress数据通路与Tachyon入局数据通路的结合使用,数据可以同时双向自由传输。

用PCI Express提供的独立Ingress和Egress通路对PCI和PCI-X的双向总线系统接口进行对比
 
带有独立Ingress和Egress数据通路链接的PCI Express非常适用于Tachyon架构。由于Express Ingress数据通路与Tachyon出局数据通路以及Express Egress数据通路与Tachyon入局数据通路的结合使用,数据可以同时双向自由传输,这与Tachyon RAID架构的初衷一致。

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