摘要：5.6. 高階儲存技術
5.6. 高階儲存技術
雖然到目前為止，本章只介紹了單機單磁碟的儲存環境；但目前還有其他的高階選擇，值得我們研究。接下來幾節，我們將為您介紹幾種常見的方法，讓您得以擴充您的大容量儲存系統。
5.6. 高階儲存技術
雖然到目前為止，本章只介紹了單機單磁碟的儲存環境；但目前還有其他的高階選擇，值得我們研究。接下來幾節，我們將為您介紹幾種常見的方法，讓您得以擴充您的大容量儲存系統。
5.6.1. 網路存取之儲存方式
將網路與儲存技術結合在一起，可為系統管理者提供無比的彈性。這種設定有以下兩種好處：
統合的儲存系統
易於管理
您可以安裝高效能伺服器，配上高速的網路，以及容量大且快的儲存裝置，結合為中央集權式的儲存裝置。只要設定正確，這速度不會比本機磁碟差。再者，它分享的特性可以降低成本，因為設立一台中央伺服器的成本，會比在每一台機器上裝設相同容量空間的成本低。除此之外，每台機器上的硬碟剩餘空間無法管理，也沒辦法有效運用；伺服器則完全相反。
集中式的儲存伺服器也能減輕管理工作。舉例來說，管理者只要監控中央伺服器，就可以得知磁碟儲存的狀況。備份更是化繁馭簡，備份一地的資料即可。雖然技術上，可以做到由網路備份客戶端的資料；但設定與維護，都是浩大的工程。
目前有多種網路儲存技術可供選擇；但要找出合適的並不容易。幾乎所有市面上的作業系統都多少提供從網路存取儲存系統的功能；但不同技術間並不相容。那麼該怎麼選擇最適合的技術呢？
通常最好的解決方式，是從客戶端的相容能力來決定答案。理由如下：
客戶端的整合問題不大
不需要在客戶端花上太多精力
客戶端的入門成本低
千萬記得，在計算客戶端的成本時，實際成本與客戶端的數目成正比。使用客戶端內建的技術，就不需要安裝額外的軟體（這樣可以省下鉅額的軟體成本）。同時您可以享受到客戶端作業系統的完善支援與整合。
但這同樣也有壞處：伺服器必須支援客戶端的網路存取技術才行。通常如果客戶端與伺服器端使用同樣的作業系統，那就不會有問題。要不然的話，管理者就得投資大量的時間與精力，讓伺服器能「說」客戶端的語言。然而，這問題不是那麼容易衡量的。
5.6.2. 以RAID為基礎的儲存方式
另一個系統管理者該鑽研的題目，是深入研究每種複雜的系統設定，並為每種不同的設定做最壞的打算。這看起來好像很悲觀；不過人無遠慮，必有近憂。在看著光鮮閃亮的伺服器之時，試想某個星期六晚上，它突然停止運作，那該怎麼辦？
有這點認知之後，運用我們對於硬碟的儲存知識，看看可能會發生哪些問題。首先，想想硬體完全故障的情況：
一個擁有四個分割區的硬碟，完全故障：那這些分割區上面的資料會如何？
馬上無法存取資料（至少在您更換硬體、還原備份資料之前，絕對沒有辦法）。
有顆硬碟上面，只有一個分割區；但由於存取過於頻繁，超出硬碟的負荷量，那對於需要存取資料的應用程式，會發生什麼情況？
因為硬碟無法回應大量的讀寫動作，應用程式速度變慢。
您有一個緩慢成長的大型資料檔，很快地，它的大小將超出硬碟的可用空間。然後會發生什麼事？
硬碟被塞滿，資料檔不再繼續增長，使用者資料檔的應用程式停止執行。
以上任何一個問題都會讓您的資料中心陷於癱瘓；而管理者可能隨時都會遇到這種問題。怎麼辦呢？
還好，有種技術可以解決以上這些問題。這技術叫做 RAID。
5.6.2.1. 基本概念
RAID 是 Redundant Array of Independent Disks（獨立磁碟(組成)之冗餘陣列）的縮寫。[1]。正如這名稱的字面意義，RAID 是由多顆硬碟組合而成，運作時就好像是單顆硬碟一樣。
1980 年代中，加州大學柏克萊分校（University of California, Berkeley）的研究者，開始研發 RAID 技術。當時高階電腦所用的高效能硬碟機，跟剛成型的個人電腦硬碟間，有著很大的價格、容量、與速度鴻溝。RAID 的概念為組合多個便宜的硬碟，組成一個與高階硬碟旗鼓相當的產品。
更重要的是，RAID 有多種建置方式，依照最終設定的不同，有著不一樣的特性。現在就讓我們來仔細看看不同設定（又稱 RAID「」等級（levels）」）的同。
5.6.2.1.1. RAID 的等級
柏克萊的研究者一開始制定了五種 RAID 等級，編號從「1」到「5」。後來隨著時代演進，其他研究者也定義了更多的等級與編號。但不是所有的 RAID 等級都很有用：有些只有學術價值，有些甚至根本沒上市過。
最後發展至今，常見的只有以下三種 RAID 等級：
等級 0
等級 1
等級 5
接下來的章節將為您介紹這幾種等級的詳細內容。
5.6.2.1.1.1. RAID 0
這模式被灌上 RAID 之名，實在有點言過其實，因為它並沒有用到任何冗餘（redundancy）的磁碟。不過即使 RAID 0 沒有辦法帶來任何資料可靠度的益處，它還是有其他優點。
RAID 0 使用了兩個以上的硬碟，每個硬碟的可用空間都被切割為「區塊（chunks）」，區塊代表的是硬碟中磁區的組合。所有寫到磁碟陣列中的資料，都會被拆開為一個一個的區塊，依序寫進陣列中的每個磁碟。這些區塊在陣列中，看起來就像一條一條的條紋。因此 RAID 0 也有另一個稱號：「等量磁區（striping）」。
舉例來說，將 12KB（千位元組）的資料，寫入雙磁碟、使用 4KB 區塊大小的陣列時，資料會被分成三個 4KB 的區塊，用以下方式寫進磁碟中：
第一個 4K 會被寫入第一個硬碟中的第一個區塊。
第二個 4K 會被寫到第二個磁碟中的第一個區塊。
最後一個 4K 會被寫到第一個磁碟中的第二個區塊。
跟單硬碟比起來，RAID 0 的優點包括了：
更大的儲存空間 — RAID 0 陣列的容量大於單硬碟，可以儲存更大的資料檔。
讀寫效能更佳 — RAID 0 陣列的 I/O 動作，都被平均分配到陣列中的所有硬碟中。（假設所有 I/O 都不是單區塊的資料）
不浪費空間 — 所有硬碟上的空間全部用來儲存資料。
跟單硬碟比起來，RAID 0 有以下缺點：
較不可靠 — 要讓 RAID 0 運作，陣列中的每個磁碟都要正常工作。在 N 個硬碟的 RAID 0 中，一個硬碟壞掉，損失的是 1/N 的資料，但卻會讓整個陣列無用武之地。
提示
如果你記不住各種 RAID 等級有什麼不同，不妨把 RAID 0 想成 0% 的硬碟空間是重複的。
5.6.2.1.1.2. RAID 1
RAID 1 使用兩個（甚至多個）完全相同的硬碟。所有資料會同時寫進兩個硬碟中，就好像鏡子裡外各有一份相同的資料一樣。也因此，RAID 1 也被稱為磁碟鏡像（mirroring）。
資料寫入 RAID 1 的時候，都會複製成兩份：一份寫到第一顆硬碟，另一份寫到第二顆硬碟。而相反地，讀取資料時，只要從其中一顆硬碟讀取即可。
跟單硬碟比起來，RAID 1 陣列有以下好處：
更佳的冗餘可靠性 — 即使陣列裡其中一個硬碟故障，使用者還是可以存取資料。
更好的讀取效能 — 從兩個硬碟上分頭讀取資料，可以分擔單硬碟的 I/O 負荷。
跟單硬碟比較起來，RAID 1 有以下缺點：
陣列的最大空間，無法超過陣列中最大硬碟的容量。
寫入效能變慢 — 因為兩個硬碟都得保持最新的資料，所以每次寫入的時候，兩顆硬碟都得運作，拖慢整個陣列的寫入效能。
成本效益較低 — 因為兩顆硬碟中，只存有一份資料，所以 RAID 1 的成本至少是單硬碟的兩倍。
提示
如果你記不住各種 RAID 等級有什麼不同，不妨把 RAID 1 想成 100% 的硬碟空間是重複的。
5.6.2.1.1.3. RAID 5
RAID 5 試圖結合 RAID 0 與 RAID 1 的優點，但又避免它們的缺點。
跟 RAID 0 一樣，RAID 5 陣列包含了多個硬碟，每個硬碟切成若干區塊。這讓 RAID 5 陣列比其他任何單硬碟都大。跟 RAID 1 類似，RAID 5 陣列使用了部份磁碟空間，儲存多餘的位元組，增加可靠性。
然而，RAID 5 的運作方式卻跟 RAID 0 或 RAID 1 截然不同。
RAID 5 陣列最少需要三顆（或是更多）大小一致的硬碟。每個硬碟都分成若干區塊，讓資料依序寫入。然而跟 RAID 0 不同的是，不是每個區塊都拿來儲存資料。相反地，擁有 n 個硬碟的陣列中，第 n 個區塊會拿來儲存同位檢查碼（parity）。
如果陣列中的任何一顆硬碟故障，那麼利用同位檢查碼，就可以將原始資料復原。第 x 個區塊中的同位檢查碼，配上第二組第 x 個區塊的資料做數學運算，就可以算出最後一組區塊的資料。如果其中一個區塊的內容更新了，那麼對應的同位檢查碼也得同步運算，馬上更新。
這表示每次資料寫進陣列的時候，至少會寫入「兩顆」硬碟：一個是儲存資料的硬碟，另一個則是記載同位檢查碼的硬碟。
值得注意的一點是，同位檢查的區塊並不集中在同一顆硬碟上；相反地，它們分散在所有硬碟中。雖然技術上可以將所有同位檢查的區塊放在同樣的硬碟上（事實上，這正是 RAID 4 的作法），但這種作法會導致每次寫入資料時，一定會動到這顆硬碟，成為效能瓶頸。將同位檢查資訊分散到陣列中的所有硬碟去，可以減輕這問題。
然而，我們還是得留意同位檢查對整體容量的影響。雖然同位檢查資訊被分散到陣列中的所有硬碟裡，但實際可用的硬碟空間，是所有硬碟數減一。
跟單硬碟比起來，RAID 5 陣列有以下優點：
更佳的冗餘可靠性 — 如果陣列中其中一顆硬碟壞掉，陣列還是可以繼續運作，同時藉由同位檢查資訊，可以重建壞掉的區塊[2]
更佳的讀取效能 — 由於 RAID 0 型態的儲存方式使然，資料分散在陣列中的硬碟，讀取的 I/O 活動也同樣平均分散到所有硬碟上。
合理的成本效益 — 以擁有 n 顆硬碟的 RAID 5 陣列來說，只有 1/n 的空間被浪費掉。
跟單硬碟比起來，RAID 5 陣列擁有以下缺點：
寫入效能較低 — 因為每次寫入資料時，最少需要用到兩顆硬碟（一顆負責寫入資料，另一顆寫入同位檢查碼），所以 RAID 5 的寫入效能比單硬碟來得低[3]
5.6.2.1.1.4. 複合式 RAID
從我們之前的討論中，很明顯可以看出每種 RAID 都有其優點與缺點。就在開始使用 RAID 後不久，人們開始想著，可不可以把不同等級的 RAID 組合起來，結合多方的優點，但避免所有的缺點呢？
舉例來說，RAID 0 陣列裡的硬碟，實際上是幾個 RAID 1 陣列，那有什麼好處呢？這方式會讓您享受 RAID 0 的速度，又有 RAID 1 的可靠性。
而這只是例子之一。其他常見的複合式 RAID 有：
RAID 1+0
RAID 5+0
RAID 5+1
因為複合式 RAID 只在專業領域內出現，所以我們在此不詳細討論。然而，在討論複合式 RAID 時，有兩點要注意：
順序不同，意義不同：RAID 等級中的數字，會對可靠度造成相當程度的影響。舉例來說，RAID 1+0 跟 RAID 0+1 就「不」相同。
高成本：如果要找出所有複合式 RAID 的共同缺點，那一定是成本。舉例來說，RAID 5+1 至少需要六顆硬碟（陣列愈大，需要的硬碟還會更多）。
我們已經了解 RAID 的基本概念，現在就來看看 RAID 是怎麼實作出來的。
5.6.2.1.2. 實作 RAID
從之前的敘述，您可以看出 RAID 需要比一般硬碟更具「智慧」才行。RAID 至少要能做到以下事情：
將 I/O 需求分散到陣列中的所有硬碟
RAID 5 需要計算同位檢查資訊，並寫到相對應的硬碟裡
監測陣列中的硬碟；當硬碟壞掉時，採取適當的應對措施
當修復或替換了壞掉的硬碟後，開始重建陣列的過程
提供管理者維護硬碟的方法（移除或新增硬碟、開始或終止重建過程等等）
要達成這些功能，主要有以下兩種方式，我們將為您提供更多資訊：
5.6.2.1.2.1. 硬體 RAID
硬體 RAID 通常以介面卡的形式銷售。這介面卡會處理所有與 RAID 有關的功能，並直接控制接在上面的硬碟。只要安裝了驅動程式，對作業系統來說，硬體 RAID 卡上的陣列看起來就像單顆硬碟一樣。
大部分 RAID 控制卡都使用 SCSI 硬碟；不過市面上也找得到 ATA 介面的 RAID 卡。不管怎麼說，管理者介面多半是以下三種方式之一：
專用的工具程式，在作業系統中執行。這應用程式提供了軟體介面，讓管理者維護控制卡
透過序列埠，使用終端機模式，連接介面卡
類似 BIOS 的介面，只能在電腦開機時使用
有些 RAID 控制卡採用了多種管理介面。很顯然，軟體介面的彈性最高，因為管理者可以在系統執行時，同時進行維護。但是如果您要從介面卡上的陣列中，載入作業系統開機，那就需要其他類型的介面了。
由於市面上的 RAID 卡種類繁多，我們在此就不多作介紹。最好的方法，是參考製造商的說明文件，以獲得更進一步資訊。
5.6.2.1.2.2. 軟體 RAID
軟體 RAID 是以作業系統核心或驅動程式等方式製作，為特定作業系統設計的陣列。因此就硬體支援而言，它提供了更高的彈性 — 只要作業系統支援的硬體，都可以當成 RAID 的一部分來用。這作法不需要購買昂貴、專有的 RAID 硬體，可以大幅降低建置 RAID 的成本。
軟體 RAID 使用 CPU 進行同位檢查運算；而硬體 RAID 則仰賴介面卡上的晶片。由於目前 CPU 的效能極高，因此有些軟體 RAID 的效能會比硬體 RAID 來得好。
然而，軟體 RAID 也有不及硬體 RAID 的地方。其中最重要的，是軟體 RAID 不一定能拿來開機。通常只有 RAID 1 可以拿來開機，因為電腦的 BIOS 並不認得 RAID；但 RAID 1 中的任何硬碟都存放同樣的資料，內容與單顆硬碟的無異，因此 BIOS 可以順利的執行開機程序。接下來作業系統獲得系統控制權之後，就可以切換到軟體 RAID 模式去。
5.6.3. 邏輯磁區管理
另一個先進的儲存技術是「邏輯磁區管理（LVM， logical volume management）」。LVM 可將實際的儲存裝置視為低階的區塊，使用者可以在這些區塊上建立不同的儲存設定。LVM 的實際運作情形則根據作法不同，而有所差異；但 LVM 通常包括實體儲存分群（physical storage grouping）、重設邏輯磁區大小（logical volume resizing）、以及資料轉移（data migrating）。
5.6.3.1. 實體儲存分群
雖然各廠商對這功能的名稱可能會有所不同，但實體儲存分群卻是所有 LVM 的基礎。正如這名稱所指，實體的儲存裝置可以分門別類（或集中）成為一或多個邏輯儲存裝置。這些邏輯儲存裝置（或稱邏輯卷冊(volumes)）的容量，可以比其下的任何一個實體儲存裝置都來得大。
舉兩個 100 GB 的硬碟為例，您可以建立一個 200 GB 的邏輯卷冊；也可以建立兩個卷冊，大小分別為 150 GB 與 50 GB。只要不超過總容量（以這例子來說，是 200 GB），那您可以切成任何組合，完全取決於您公司的需要。
這讓系統管理者將所有的儲存裝置，視為一個整體中的一小部份，只要不超過上限，邏輯卷冊的容量不限。除此之外，管理者可以在這整體儲存環境中，動態而直接地加入新的儲存裝置，以符合將來的需求。
5.6.3.2. 重設邏輯磁區大小
LVM 最為系統管理者所稱道的，是能輕易地將儲存需求，導向到其他地方去。在非 LVM 環境中，磁碟空間不足的最佳處理方式，是將檔案從接近全滿的硬碟，移到擁有更大空間的硬碟去。通常這表示要重新設定系統的儲存裝置，為求使用者的方便，管理者得在下班後，才開始進行這動作。
然而，LVM 能輕易地增加邏輯卷冊的大小。假設我們目前的總容量為 200 GB，分成 150 GB 的邏輯卷冊，以及 50 GB 的預留空間。如果這 150 GB 的空間滿了，我們就可以藉由 LVM，在不動到硬體設定的情形下，增加其空間（例如10 GB）。視您的作業系統而定，這動作可以自動完成，或需要稍微停機一會兒。
5.6.3.3. 資料轉移
到目前為止，大部分老練的系統管理者都對 LVM 的功能印象深刻；但他們還是會問：
如果，邏輯卷冊中的某顆硬碟開始出問題，那會發生什麼事呢？
好消息是，多數 LVM 都加入了轉移資料的功能，把資料從特定硬碟上轉出。不過前提是，卷冊內要有足夠的大小，消化這些資料。一旦資料轉移完成，您就可以將故障的硬碟抽出，替換新的上去。
5.6.3.4. 有了 LVM，還要 RAID 幹嘛？
既然 LVM 跟 RAID 的功能相近（例如可以動態抽換壞掉的硬碟），又有後者所不及之處（例如為卷冊動態加入更多空間），那許多使用者會想，我們還要 RAID 幹什麼？
事實上，RAID 與 LVM 是互補的技術，可以搭配使用（就跟複合式 RAID 一樣），互採所長，互補其短。
注
[1]
早期 RAID 研究開始時，這縮寫指得是 Redundant Array of Inexpensive（便宜的） Disks，但隨著 RAID 所用的「單顆」硬碟變得愈來愈便宜，便宜到比較價格已經失去了意義。
[2]
當陣列中有硬碟無法正常工作時，I/O 效能會降低，這是因為重建遺失的資料需要時間的關係。
[3]
每次寫入的時候，為了要運算同位檢查碼，效能還會再往下降。然而，隨著 RAID 5 實作方式的不同（例如在系統的什麼地方做運算），這效能的衝擊就可大可小，甚至可以忽略不計。
