磁牒陣列(RAID)常見故障與技�

磁牒陣列(RAID)常見故障與技巧 
 

磁牒陣列(Disk Array)原理
-------------------------------

1.為什麼需要磁牒陣列? 

如何增加磁牒的存取(access)速度,如何防止資料因磁牒的故障而失落及如何有效的利用磁牒空間,一直是電腦專業人員和用戶的
困擾;而大容量磁牒的價格非常昂貴,對用戶形成很大的負擔。磁牒陣列技術的產生一舉解決了這些問題。 

過去十幾年來,CPU的處理速度增加了五十倍有多,記憶體(memory)的存取速度亦大幅增加,而資料儲存裝置--主要是磁牒(hard 
disk)--的存取速度只增加了三、四倍,形成電腦系統的瓶頸,拉低了電腦系統的整體性能(through put),若不能有效的提升磁牒的存
取速度,CPU、記憶體及磁牒間的不平衡將使CPU及記憶體的改進形成浪費。 

目前改進磁牒存取速度的的方式主要有兩種。一是磁牒快取控制(disk cache controller),它將從磁牒讀取的資料存在快取記憶體
(cache memory)中以減少磁牒存取的次數,資料的讀寫都在快取記憶體中進行,大幅增加存取的速度,如要讀取的資料不在快取記憶
體中,或要寫資料到磁牒時,才做磁牒的存取動作。這種方式在單工環境(single- tasking envioronment)如DOS之下,對大量資料的存
取有很好的性能(量小且頻繁的存取則不然),但在多工(multi-tasking)環境之下(因為要不停的作資料交換(swapping) 的動作)或資料
庫(database)的存取(因為每一記錄都很小)就不能顯示其性能。這種方式沒有任何安全保障。 

其二是使用磁牒陣列的技術。磁牒陣列是把多個磁牒組成一個陣列,當作單一磁牒使用,它將資料以分段(striping)的方式儲存在不
同的磁牒中,存取資料時,陣列中的相關磁牒一起動作,大幅減低資料的存取時間,同時有更佳的空間利用率。磁牒陣列所利用的不
同的技術,稱為RAID level,不同的level針對不同的系統及應用,以解決資料安全 
的問題。 

一般高性能的磁牒陣列都是以硬體的形式來達成,進一步的把磁牒快取控制及磁牒陣列結合在一個控制器(RAID controler或控制
卡上,針對不同的用戶解決人們對磁牒輸出入系統的四大要求: 
(1)增加存取速度, 
(2)容錯(fault tolerance),即安全性 
(3)有效的利用磁牒空間; 
(4)盡量的平衡CPU,記憶體及磁牒的性能差異,提高電腦的整體工作性能。 

2.磁牒陣列原理 

磁牒陣列中針對不同的應用使用的不同技術,稱為RAID level,RAID是Redundent Array of Inexpensive Disks的縮寫,而每一level代表
一種技術,目前業界公認的標準是RAID 0~RAID 5。這個level並不代表技術的高低,level 5並不高於level 3,level 1也不低過level 4,至
於要選擇那一種RAID level的產品,純視用戶的操作環境(operating environment)及應用(application)而定,與level的高低沒有必然的關
係。
RAID 0及RAID 1適用於PC及PC相關的系統如小型的網路伺服器(network server)及需要高磁牒容量與快速磁牒存取的工作站等,比
較便宜;RAID 3及RAID 4適用於大型電腦及影像、CAD/CAM等處理;RAID 5多用於OLTP（在線事務處理）,因有金融機構及大型
資料處理中心的迫切需要,故使用較多而較有名氣, RAID 2較少使用,其他如RAID 6,RAID 7,乃至RAID 10等,都是廠商各做各的,並
無一致的標準,在此不作說明。介紹各個RAID level之前, 先看看形成磁牒陣列的兩個基本技術: 

磁牒延伸(Disk Spanning): 

譯為磁牒延伸,能確切的表示disk spanning這種技術的含義。如圖磁牒陣列控制器, 聯接了四個磁牒,這四個磁牒形成一個陣列
(array),而磁牒陣列的控制器(RAID controller)是將此四個磁牒視為單一的磁牒,如DOS環境下的C:盤。這是disk spanning的意義,因
為把小容量的磁牒延伸為大容量的單一磁牒,用戶不必規劃資料在各磁牒的分佈,而且提高了磁牒空間的使用率。並使磁牒容量
幾乎可作無限的延伸;而各個磁牒一起作取存的動作,比單一磁牒更為快捷。很明顯的,有此陣列的形成而產生RAID的各種技術。 


磁牒或資料分段(Disk Striping or Data Striping): 

因為磁牒陣列是將同一陣列的多個磁牒視為單一的虛擬磁牒(virtual disk),所以其資料是以分段(block or segment)的方式順序存放
在磁牒陣列中,資料按需要分段,從第一個磁牒開始放,放到最後一個磁牒再回到第一個磁牒放起,直到資料分佈完畢。至於分段的
大小視系統而定,有的系統或以1KB最有效率,或以4KB,或以6KB,甚至是4MB或8MB的,但除非資料小於一個扇區(sector,即
521bytes),否則其分段應是512byte的倍數。因為磁牒的讀寫是以一個扇區為單位,若資料小於512bytes,系統讀取該扇區後,還要做
組合或分組(視讀或寫而定)的動作,浪費時間。從上圖我們可以看出,資料以分段於在不同的磁牒,整個陣列的各個磁牒可同時作
讀寫,故資料分段使資料的存取有最好的效率,理論上本來讀一個包含四個分段的資料所需要的時間約=(磁牒的access time+資料的
tranfer time)X4次,現在只要一次就可以完成。 

若以N表示磁牒的數目,R表示讀取,W表示寫入,S表示可使用空間,則資料分段的性能為: 
R:N(可同時讀取所有磁牒) 
W:N(可同時寫入所有磁牒) 
S:N(可利用所有的磁牒,並有最佳的使用率) 

Disk striping也稱為RAID 0,很多人以為RAID 0沒有甚麼,其實這是非常錯誤的觀念, 因為RAID 0使磁牒的輸出入有最高的效率。而
磁牒陣列有更好效率的原因除資料分段外,它可以同時執行多個輸出入的要求,因為陣列中的每一個磁牒都能獨立動作,分段放在
不同的磁牒,不同的磁牒可同時作讀寫,而且能在快取記憶體及磁牒作並行存取(parallel access)的動作,但只有硬體的磁牒陣列才有
此性能表現。 

從上面兩點我們可以看出,disk spanning定義了RAID的基本形式,提供了一個便宜、靈活、高性能的系統結構,而disk striping解決了
資料的存取效率和磁牒的利用率問題,RAID 1至RAID 5是在此基礎上提供磁牒安全的方案。 

RAID 1 

RAID 1是使用磁牒鏡像(disk mirroring)的技術。磁牒鏡像應用在RAID 1之前就在很多系統中使用,它的方式是在工作磁牒(working 
disk)之外再加一額外的備份磁牒(backup disk),兩個磁牒所儲存的資料完全一樣,資料寫入工作磁牒的同時亦寫入備份磁牒。磁牒
鏡像不見得就是RAID 1,如Novell Netware亦有提供磁牒鏡像的功能,但並不表示Netware有了RAID 1的功能。一般磁牒鏡像和RAID 
1有二點最大的不同: 

RAID 1無工作磁牒和備份磁牒之分,多個磁牒可同時動作而有重疊(overlaping)讀取的功能,甚至不同的鏡像磁牒可同時作寫入的
動作,這是一種最佳化的方式,稱為負載平衡(load-balance)。例如有多個用戶在同一時間要讀取資料,系統能同時驅動互相鏡像的
磁牒,同時讀取資料,以減輕系統的負載,增加I/O的性能。 

RAID 1的磁牒是以磁牒延伸的方式形成陣列,而資料是以資料分段的方式作儲存,因而在讀取時,它幾乎和RAID 0有同樣的性能。
從RAID的結構就可以很清楚的看出RAID 1和一般磁牒鏡像的不同。 

下圖為RAID 1,每一筆資料都儲存兩份: 
從圖可以看出: 
R:N(可同時讀取所有磁牒) 
W:N/2(同時寫入磁牒數) 
S:N/2(利用率) 

讀取資料時可用到所有的磁牒,充分發揮資料分段的優點;寫入資料時,因為有備份,所以要寫入兩個磁牒,其效率是N/2,磁牒空間的
使用率也只有全部磁牒的一半。 

很多人以為RAID 1要加一個額外的磁牒,形成浪費而不看好RAID 1,事實上磁牒越來越便宜,並不見得造成負擔,況且RAID 1有最好
的容錯(fault tolerence)能力,其效率也是除RAID 0之外最好的。 

在磁牒陣列的技術上,從RAID 1到RAID 5,不停機的意思表示在工作時如發生磁牒故障, 系統能持續工作而不停頓,仍然可作磁牒
的存取,正常的讀寫資料;而容錯則表示即使磁牒故障,資料仍能保持完整,可讓系統存取到正確的資料,而SCSI的磁牒陣列更可在工
作中抽換磁牒,並可自動重建故障磁牒的資料。磁牒陣列之所以能做到容錯及不停機, 是因為它有冗余的磁牒空間可資利用,這也
就是Redundant的意義。 

RAID 2 

RAID 2是把資料分散為位(bit)或塊(block),加入海明碼Hamming Code,在磁牒陣列中作間隔寫入(interleaving)到每個磁牒中,而且地
址(address)都一樣,也就是在各個磁牒中,其資料都在相同的磁道(cylinder or track)及扇區中。RAID 2的設計是使用共軸同步(spindle 
synchronize)的技術,存取資料時,整個磁牒陣列一起動作,在各作磁 
盤的相同位置作平行存取,所以有最好的存取時間(accesstime),其總線(bus)是特別的設計,以大帶寬(band wide)並行傳輸所存取的資
料,所以有最好的傳輸時間(transfer time)。在大型檔案的存取應用,RAID 2有最好的性能,但如果檔案太小,會將其性能拉下來,因為
磁牒的存取是以扇區為單位,而RAID 2的存取是所有磁牒平行動作,而且是作 
單位元的存取,故小於一個扇區的資料量會使其性能大打折扣。RAID 2是設計給需要連續且大量資料的電腦使用的,如大型電腦
(mainframe to supercomputer)、作影像處理或CAD/CAM的工作站(workstation)等,並不適用於一般的多用戶環境、網路伺服器 
(network server),小型機或PC。 

RAID 2的安全採用記憶體陣列(memory array)的技術,使用多個額外的磁牒作單位錯誤校正(single-bit correction)及雙位錯誤檢測
(double-bit detection);至於需要多少個額外的磁牒,則視其所採用的方法及結構而定,例如八個資料磁牒的陣列可能需要三個額外的
磁牒,有三十二個資料磁牒的高階陣列可能需要七個額外的磁牒。 


RAID 3 

RAID 3的資料儲存及存取方式都和RAID 2一樣,但在安全方面以奇偶校驗(parity check)取代海明碼做錯誤校正及檢測,所以只需要
一個額外的校檢磁牒(parity disk)。奇偶校驗值的計算是以各個磁牒的相對應位作XOR的邏輯運算,然後將結果寫入奇偶校驗磁牒,
任何資料的修改都要做奇偶校驗計算,

如某一磁牒故障,換上新的磁牒後,整個磁牒陣列(包括奇偶校驗磁牒)需重新計算一次, 將故障磁牒的資料恢復並寫入新磁牒中;如
奇偶校驗磁牒故障,則重新計算奇偶校驗值, 以達容錯的要求. 

較之RAID 1及RAID 2,RAID 3有85%的磁牒空間利用率,其性能比RAID 2稍差,因為要做奇偶校驗計算;共軸同步的平行存取在讀檔
案時有很好的性能,但在寫入時較慢,需要重新計算及修改奇偶校驗磁牒的內容。RAID 3和RAID 2有同樣的應用方式,適用大檔案
及大量資料輸出入的應用,並不適用於PC及網路伺服器。 

RAID 4 

RAID 4也使用一個校驗磁牒,但和RAID 3不一樣

RAID 4是以扇區作資料分段,各磁牒相同位置的分段形成一個校驗磁牒分段(parity block),放在校驗磁牒。這種方式可在不同的磁
牒平行執行不同的讀取命今,大幅提高磁牒陣列的讀取性能;但寫入資料時,因受限於校驗磁牒,同一時間只能作一次,啟動所有磁牒
讀取資料形成同一校驗分段的所有資料分段,與要寫入的資料做好校驗計算再寫入。即使如此,小型檔案的寫入仍然比RAID 3要
快,因其校驗計算較簡單而非作位(bit level)的計算;但校驗磁牒形成RAID 4的瓶頸,降低了性能,因有RAID 5而使得RAID 4較少使
用。 

RAID 5 
RAID5避免了RAID 4的瓶頸,方法是不用校驗磁牒而將校驗資料以循環的方式放在每一個磁牒中,

磁牒陣列的第一個磁牒分段是校驗值,第二個磁牒至後一個磁牒再折回第一個磁牒的分段是資料,然後第二個磁牒的分段是校驗
值,從第三個磁牒再折回第二個磁牒的分段是資料,以此類推,直到放完為止。圖中的第一個parity block是由A0,A1...,B1,B2計算出
來,第二個parity block是由B3,B4,...,C4,D0計算出來,也就是校驗值是由各磁牒 
同一位置的分段的資料所計算出來。這種方式能大幅增加小檔案的存取性能,不但可同時讀取,甚至有可能同時執行多個寫入的
動作,如可寫入資料到磁牒1而其parity block在磁牒2,同時寫入資料到磁牒4而其parity block在磁牒1,這對聯機交易處理 (OLTP,On-
Line Transaction Processing)如銀行系統、金融、股市等或大型資料庫的 
處理提供了最佳的解決方案(solution),因為這些應用的每一筆資料量小,磁牒輸出入頻繁而且必須容錯。 

事實上RAID 5的性能並無如此理想,因為任何資料的修改,都要把同一parityblock的所有資料讀出來修改後,做完校驗計算再寫回
去,也就是RMW cycle(Read-Modify-Write cycle,這個cycle沒有包括校驗計算);正因為牽一而動全身,所以: 
R:N(可同時讀取所有磁牒) 
W:1(可同時寫入磁牒數) 
S:N-1(利用率) 

RAID 5的控制比較複雜,尤其是利用硬體對磁牒陣列的控制,因為這種方式的應用比其他的RAID level要掌握更多的事情,有更多的
輸出入需求,既要速度快,又要處理資料,計算校驗值,做錯誤校正等,所以價格較高;其應用最好是OLTP,至於用於圖像處理等, 不見
得有最佳的性能。 

2.磁牒陣列的額外容錯功能：Spare or Standby driver 

事實上容錯功能已成為磁牒陣列最受青睞的特性,為了加強容錯的功能以及使系統在磁牒故障的情況下能迅速的重建資料,以維
持系統的性能,一般的磁牒陣列系統都可使用熱備份(hot spare or hot standby driver)的功能,所謂熱備份是在建立(configure) 磁牒陣
列系統的時候,將其中一磁牒指定為後備磁牒,此一磁牒在平常並不操作,但若陣列中某一磁牒發生故障時,磁牒陣列即以後備磁牒
取代故障磁牒,並自動將故障磁牒的資料重建(rebuild)在後備磁牒之上,因為反應快速,加上快取記憶體減少了磁牒的存取, 所以資
料重建很快即可完成,對系統的性能影響很小。對於要求不停機的大型資料處理中心或控制中心而言,熱備份更是一項重要的功
能,因為可避免晚間或無人值守時發生磁牒故障所引起的種種不便。 

另一個額外的容錯功能是壞扇區轉移(bad sector reassignment)。壞扇區是磁牒故障的主要原因,通常磁牒在讀寫時發生壞扇區的情
況即表示此磁牒故障,不能再作讀寫,甚至有很多系統會因為不能完成讀寫的動作而當機,但若因為某一扇區的損壞而使工作不能
完成或要更換磁牒,則使得系統性能大打折扣,而系統的維護成本也未免太高了。壞扇區轉移是當磁牒陣列系統發現磁牒有壞扇
區時,以另一空白且無故障的扇區取代該扇區, 以延長磁牒的使用壽命,減少壞磁牒的發生率以及系統的維護成本。所以壞扇區轉
移功能使磁牒陣列具有更好的容錯性,同時使整個系統有最好的成本效益比。其他如可外接電池備援磁牒陣列的快取記憶體,以
避免突然斷電時資料尚未寫回磁牒而損失;或在RAID 1時作寫入一致性的檢查等,雖是小技術,但亦不可忽視。 


3.硬體磁牒陣列還是軟體磁牒陣列 

市面上有所謂硬體磁牒陣列與軟體磁牒陣列之分,因為軟體磁牒陣列是使用一塊SCSI卡與磁牒連接,一般用戶誤以為是硬體磁牒
陣列。以上所述主要是針對硬體磁牒陣列,其與軟體磁牒陣列有幾個最大的區別: 

l 一個完整的磁牒陣列硬體與系統相接。 
l 內裝CPU,與主機並行運作,所有的I/O都在磁牒陣列中完成,減輕主機的工作負載, 增加系統整體性能。 
l 有卓越的總線主控(bus mastering)及DMA(Direct Memory Access)能力,加速資料的存取及傳輸性能。 
l 與快取記憶體結合在一起,不但增加資料的存取及傳輸性能,更因減少對磁牒的存取而增加磁牒的壽命。 
l 能充份利用硬體的特性,反應快速。 

軟體磁牒陣列是一個程序,在主機執行,透過一塊SCSI卡與磁牒相接形成陣列,它最大的優點是便宜,因為沒有硬體成本(包括研
發、生產、維護等),而SCSI卡很便宜(亦有的軟體磁牒陣列使用指定的很貴的SCSI卡);它最大的缺點是使主機多了很多工作
(process),增加了主機的負擔,尤其是輸出入需求量大的系統。目前市面上的磁牒陣列 
系統大部份是硬體磁牒陣列,軟體磁牒陣列較少。 


4.磁牒陣列卡還是磁牒陣列控制器 

磁牒陣列控制卡一般用於小系統，供單機使用。與主機共用電源，在關閉主機電源時存在丟失快取中的資料的的危險。磁牒陣
列控制卡只有常用總線方式的接頭，其驅動程序與主機、主機所用的操作系統都有關係，有軟、硬體相容性問題並潛在地增加
了系統的不安定因素。在更換磁牒陣列卡時要冒磁牒損壞，資料失落，隨時停機的風險。 

獨立式磁牒陣列控制一般用於較大型系統,可分為兩種： 
單通道磁牒陣列和多通道式磁牒陣列，單通道磁牒陣列只能接一台主機，有很大的擴充限制。多通道磁牒陣列可接多個系統同
時使用,以群集(cluster)的方式共用磁牒陣列,這使內接式陣列控制及單接式磁牒陣列無用武之地。目前多數獨立形式的磁牒陣列
子系統，其本身與主機系統的硬體及操作環境?
-- 


首先，IDE的性能不會比SCSI更高的。特別是在多任務的情況下。一般廣告給出的是 
最大傳送速度，並不是工作速度。同一時期的IDE與SCSI盤相比，主要是產量比較大， 
電路比較簡單，所以價格比SCSI低很多，但要比性能，則差遠了。 

RAID並沒有限制使用多少個盤，應時盤越多越好。 
對於SCSI結構的RAID來說，盤的最大數量與SCSI通道（SCSI總線）的數量有關一般是每個通道最多裝15個盤（SCSI/3）對於
FC-AL（光纖)則是每個通道200個盤當然，要有這樣大的磁牒箱才行!






現在選擇IDE磁牒陣列卡(IDE RAID卡)來確保資料安全的人越來越多，如何正確使用IDE RAID卡也是個學問。下面我們就以採
用HPT370A/372控制晶片的Rocket100 RAID卡為例來給大家做些講解常見故障與技巧。

　　安裝需知

　　先找一個空閒的PCI插槽將該卡插進去並將硬碟用硬碟線和該卡安裝連接好，安裝完適配卡後，在啟動電腦的過程中，你
會看到該適配卡已成功安裝並被系統識別。而在系統開機時，其控制器的BIOS會顯示硬碟狀態的信息，按CTRL+H即可進入結
構非常清楚的設置功能表，在這裡你可以設定磁牒陣列：兩個硬碟可以選擇條帶模式(RAID 0)和鏡像模式(RAID 1)，有三塊硬
碟的話只能選跨越擴充或條帶模式，而四塊就可以選跨越模式、條帶模式或條帶結合鏡像模式(RAID 0+1)，而選用RAID 1的話
硬碟必須進行同步化。

　　常見安裝故障排除

　　當Rocket100 RAID卡被識別後，板上BIOS開始檢測連接設備。請注意螢幕上出現的設備，如果所連接設備全部被正確掃瞄
出，則說明設備已正確連接並被系統識別，再安裝好驅動之後你即可使用RAID功能了。而如果其中有的設備沒有被識別出，
你可開啟機箱，將所連接設備的電源線是否插牢，必要時換一個電源插頭試一試；所連接設備的資料線是否正確連接並已插
牢，必要時換一根資料線試一試；如果一根資料線上接有兩個設備，請確認這兩個設備的主從跳線是否設置衝突(一根資料線
上的兩個設備必須為一主一從)。

　　硬碟容量的選擇

　　考慮到系統的操作性能及磁牒的利用率，我們建議你最好使同樣容量的硬碟。但你如果一定要用不同容量的磁牒，需要注
意的是整個陣列的容量要由該陣列中最小容量的硬碟決定，例如在由3個磁牒組成的RAID 0陣列中，總容量等於最小磁牒的容
量的3倍。在RAID 1陣列中，目標盤的容量不能小於源盤的容量。該陣列的總容量就等於最小磁牒的容量。但是JBOD是個例
外，兩個或更多的不同容量的硬碟可以組合起來，形成一個邏輯單盤。

　　BIOS設置須知

　　IDE RAID卡是即插即用設備，所以，你不必改變系統CMOS。系統會自動指出中斷及端口的地址。而在CMOS設置中將所
有設備處於none或unstalled狀態時，即可將IDE RAID卡設為啟動卡；或將SCSI設備調為啟動序列的第1位，也可將RAID卡設為
啟動卡。

　　RAID損壞了怎麼辦

　　如果一個RAID級別被破壞了，可以按以下操作進行檢查：先電腦關機的電源，檢查硬碟電源的連接，以及資料線是否與
硬碟和RAID控制卡連接正常再重新開機；如果以上操作仍不能解決問題，可能是硬碟的問題，對於RAID 1和RAID 0+1，可以
用一個新的硬碟將已經被破壞的硬碟上的資料進行備份，所有的資料都不會丟失的。對於RAID 0和JBOD，必須先刪除原有的
RAID級別，再進去行RAID新增，但要注意，此動作會使硬碟的所有資料丟失，所以，對RAID 0和JBOD，請務必經常對資料進
行備份。