吳惠, 劉江濤, 陳建兵

(云南師范大學 信息管理處,云南 昆明 650500)

RAID(Redundant Array of Independent Disks，獨立磁盤冗余陣列)實驗是數(shù)據(jù)存儲類實驗中最基礎(chǔ)、最重要的組成部分.通過對磁盤陣列服務器的配置與測試，可以幫助學生加深理解各種RAID的工作原理、特點，熟練掌握常規(guī)的數(shù)據(jù)修復技術(shù)等維護工作，為下一步學習高級數(shù)據(jù)存儲知識打下堅實基礎(chǔ).在傳統(tǒng)實驗教學中，RAID實驗對實驗設(shè)備的要求很高，部分學校由于經(jīng)費投入不足、硬件設(shè)施不完善和管理等因素無法開設(shè)該實驗，只能通過教學課件對RAID做理論層次上的介紹，理論與實踐相脫節(jié)，學生在該課程的技術(shù)層面收獲甚少.

針對上述問題，采用云南師范大學已建成的VMware vSphere云計算平臺構(gòu)建虛擬實驗環(huán)境，完成RAID實驗，實現(xiàn)了只有在專用的服務器上才能完成的RAID的配置、測試與數(shù)據(jù)修復操作.

1 VMware vSphere云計算平臺

vSphere是當今最流行的虛擬化平臺，是VMware公司推出的一套服務器虛擬化解決方案，目前的最新版本為5.5.vSphere 5中的核心組件為VMware ESXi.ESXi與Citrix的XenServer相似，它是一款可以獨立安裝和運行在祼機上的系統(tǒng).與早期的VMware Workstation軟件不同，最新版vSpher不再依存于宿主操作系統(tǒng).在ESXi安裝好以后，可以通過vSphere Client遠程連接控制，在ESXi服務器上創(chuàng)建多個VM(Virtual Machine，虛擬機),為這些VM安裝好Linux/Windows Server系統(tǒng)使之成為能提供各種網(wǎng)絡應用服務的虛擬服務器，ESXi從內(nèi)核級支持硬件虛擬化，運行于其中的虛擬服務器在性能與穩(wěn)定性上不亞于普通的硬件服務器，而且更易于管理維護[1].

目前，構(gòu)建vSphere云計算平臺是解決高校服務器管理最為便捷的方法之一.云南師范大學采用4臺四路服務器、6臺八路服務器、120 T主存儲、80 T備份、20 T同城異地容災構(gòu)建了一個規(guī)模較大的vSphere云計算平臺，為學校相關(guān)部門提供各種應用服務.現(xiàn)在已經(jīng)遷移和新部署了學校主網(wǎng)站、一卡通、各學院網(wǎng)站、檔案管理系統(tǒng)、選課系統(tǒng)、科研系統(tǒng)等.經(jīng)過使用測試，服務器占有率平常僅為7%～8%，高峰時均超過60%.為了充分使用云計算平臺，使資源利用最大化，本文利用該云計算平臺構(gòu)建了RAID虛擬實驗平臺應用于教學.

2 RAID工作原理

RAID是為了獲得更加安全的數(shù)據(jù)使用效果，更快的I/O速度，更大的存儲容量而產(chǎn)生的解決方案.RAID構(gòu)建包括兩種方案：由RAID控制器實現(xiàn)的硬RAID方案和由應用程序創(chuàng)建的軟RAID方案.在用軟件實現(xiàn)RAID時，可由操作系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)冗余機制，利用Windows Server 2008操作系統(tǒng)內(nèi)嵌的軟RAID 0、RAID 1、RAID 5來完成RAID實驗[2].下面對這3種RAID的工作原理進行介紹.

(1)RAID 0工作原理：系統(tǒng)向2個磁盤組成的邏輯硬盤發(fā)出的I/O數(shù)據(jù)請求被轉(zhuǎn)化為2項操作，其中的每一項操作都對應于1塊物理硬盤.通過建立RAID 0，原先順序的數(shù)據(jù)請求被分散到所有的2塊硬盤中同時執(zhí)行.從理論上講，2塊硬盤的并行操作使同一時間內(nèi)磁盤讀寫速度提升了2倍.

RAID 0的缺點是不提供數(shù)據(jù)冗余，因此一旦用戶數(shù)據(jù)損壞，損壞的數(shù)據(jù)將無法得到恢復，其中任一塊硬盤出現(xiàn)問題都會導致整個數(shù)據(jù)的故障.

(2)RAID 1工作原理：系統(tǒng)向2個磁盤組成的邏輯硬盤發(fā)出的I/O數(shù)據(jù)請求被轉(zhuǎn)化為2項操作，其中的每一項操作都對應于1塊物理硬盤.通過建立RAID 1，原先順序的數(shù)據(jù)請求被分散到所有的2塊硬盤中同時執(zhí)行.從理論上講，2塊硬盤的并行寫操作并沒有提高寫入數(shù)據(jù)的速度，而讀取數(shù)據(jù)時由于同時從2塊硬盤中搜索并輸出結(jié)果，讀操作速度提升了2倍.

RAID 1的優(yōu)點是有冗余備份盤，數(shù)據(jù)安全性高，讀操作性能表現(xiàn)優(yōu)異.其缺點是物理硬盤容量的有效使用率低，寫性能表現(xiàn)一般.

(3)RAID 5工作原理：至少使用3塊硬盤組建RAID5磁盤陣列，當有數(shù)據(jù)寫入硬盤的時候，數(shù)據(jù)寫入會根據(jù)算法分成3部分，然后寫入這3塊硬盤，寫入的同時還會在這3塊硬盤上寫入校驗信息.當讀取寫入的數(shù)據(jù)的時候會分別從3塊硬盤上讀取數(shù)據(jù)內(nèi)容，再通過檢驗信息進行校驗.當其中有1塊硬盤出現(xiàn)損壞的時候,通過另外2塊硬盤上存儲的數(shù)據(jù)可以計算出第3塊硬盤的數(shù)據(jù)內(nèi)容.也就是說RAID 5存儲方式只允許有1塊硬盤出現(xiàn)故障，出現(xiàn)故障時需要盡快更換.當更換故障硬盤后，在故障期間寫入的數(shù)據(jù)會進行重新校驗.

RAID 5的優(yōu)點是可以在各磁盤并行執(zhí)行不同的讀寫操作，讀寫性能高.具有數(shù)據(jù)冗余容錯能力，數(shù)據(jù)安全性高.其缺點是寫入數(shù)據(jù)時因需要進行校驗數(shù)據(jù)生成的邏輯運算，增加了寫數(shù)據(jù)時間消耗.

RAID 作為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的重要組成部分，在部署、生產(chǎn)和維護等實際工作中，如何根據(jù)實際應用系統(tǒng)的要求，合理配置RAID陣列是服務器能否提供優(yōu)質(zhì)服務的重要前提.因此，在VMware vSphere云計算平臺中進行RAID配置、測試和數(shù)據(jù)修復等重要技能的實踐，對全面掌握RAID技術(shù)有現(xiàn)實意義.

3 設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 實驗目的

(1)掌握在Windows Server 2008操作系統(tǒng)下RAID 0、1、5的配置；

(2)完成RAID讀寫性能及容錯能力測試，理解RAID 0、1、5的工作特點；

(3)掌握RAID 0、1、5的數(shù)據(jù)修復技術(shù).

3.2 實驗環(huán)境

硬件：兼容VMware ESXi 5.1服務器1臺；LAN(Local Area Network，局域網(wǎng))網(wǎng)絡環(huán)境；PC(Personal Computer，個人計算機)終端1臺.

軟件：全套VMware vSphere 5.1安裝程序；服務器端Windows Server 2008操作系統(tǒng)；終端機Windows 7操作系統(tǒng)；硬盤讀寫性能測試工具DiskMark 1.0.

3.3 實驗內(nèi)容與結(jié)果

在構(gòu)建好的實驗環(huán)境中，遠程連接到Windows Server 2008實驗VM配置RAID 0、1、5，完成RAID相關(guān)實驗環(huán)節(jié).

3.3.1 RAID 0、1、5配置

(1)添加虛擬硬盤

根據(jù)前面RAID工作原理，完成RAID 0實驗至少需2塊硬盤，完成RAID 1實驗至少需2塊硬盤，完成RAID 5實驗至少需3塊硬盤.這樣，在同一臺VM中完成RAID 0、1、5配置實驗，需要在實驗VM中添加3塊SCSI(Small Computer System Interface，小型計算機系統(tǒng)接口)硬盤，每塊容量設(shè)置10 GB.

(2)動態(tài)磁盤轉(zhuǎn)換

選擇“開始|管理工具|計算機管理”命令，打開“計算機管理”窗口，單擊左側(cè)窗格中的“磁盤管理”，在右側(cè)窗格中顯示計算機的磁盤信息.用鼠標右鍵單擊待轉(zhuǎn)換的“基本磁盤1”，在彈出的快捷菜單中選擇“轉(zhuǎn)換到動態(tài)磁盤”命令.彈出“轉(zhuǎn)換為動態(tài)磁盤”對話框，選中欲轉(zhuǎn)換的“基本磁盤2”和“基本磁盤3”，然后單擊“確定”按鈕，完成轉(zhuǎn)換[3].

(3)RAID 0配置

RAID 0在Windows Server 2008操作系統(tǒng)中稱為帶區(qū)卷.在“磁盤管理器”中，右擊“動態(tài)磁盤1”打開“新建帶區(qū)卷”向?qū)?單擊“下一步”，打開“選擇磁盤”對話框，選擇創(chuàng)建帶區(qū)卷的“動態(tài)磁盤2”和“動態(tài)磁盤3”，并指定“選擇空間量”大小為1 024 MB，然后按照向?qū)崾静僮魍瓿蓭^(qū)卷的創(chuàng)建.

(4)RAID 1配置

RAID 1配置，在Windows Server 2008操作系統(tǒng)中稱為鏡像卷.在“磁盤管理器”中，右擊“動態(tài)磁盤1”打開“新建鏡像卷”向?qū)?單擊“下一步”，打開“選擇磁盤”對話框，選擇創(chuàng)建鏡像卷的“動態(tài)磁盤2”，并指定“選擇空間量”大小為1 024 MB，然后按照向?qū)崾静僮魍瓿社R像卷的創(chuàng)建.

(5)RAID 5配置

在“磁盤管理器”中，右擊“動態(tài)磁盤1”打開“新建RAID-5卷”向?qū)?單擊“下一步”，打開“選擇磁盤”對話框，選擇創(chuàng)建RAID-5卷的“動態(tài)磁盤2”和“動態(tài)磁盤3”，并指定“選擇空間量”大小為1 024 MB，然后按照向?qū)崾静僮魍瓿蒖AID-5卷的創(chuàng)建.

3種RAID模式配置完成后，結(jié)果如圖1所示.

圖1 RAID 0、1、5配置完成結(jié)果

3.3.2 性能與容錯能力測試

(1)基本讀寫測試

分別在帶區(qū)卷、鏡像卷和RAID-5卷中存入數(shù)據(jù)(文件)，測試能不能寫入和讀取，可以成功進行文件讀寫操作.

(2)讀寫性能對比測試

啟動DiskMark，分別設(shè)置Set Size、Rounds、Run參數(shù)為：1 024*16、1 280、400，Disk Drive參數(shù)分別選擇待測的硬盤驅(qū)動器.這樣，相當于有1個800 MB大小的文件對所選擇硬盤進行寫入和讀取操作.點擊“Start”按鈕開始進行測試，直到完成.記錄帶區(qū)卷、鏡像卷和RAID-5卷模式讀寫性能數(shù)據(jù)，形成表1.

表1 帶區(qū)卷、鏡像卷和RAID-5卷讀寫性能對比

從表1可以看出，讀性能，RAID 0最高，其次是RAID 1，RAID 5最慢；而寫性能，RAID 0最高，其次是RAID 1，RAID 5因要進行校驗數(shù)據(jù)生成的邏輯運算，也是最慢.測試結(jié)果和工作原理一致，但在實際工作中，選擇RAID級別要考慮3個主要因素：可用性(數(shù)據(jù)冗余)、性能和成本，應根據(jù)具體的使用情況選擇合適的RAID模式.[4]

(3)容錯能力測試

如圖1，磁盤2承擔了3種RAID模式，將其在VM中禁用，相當于磁盤2損壞了，查看帶區(qū)卷、鏡像卷和RAID-5卷中的數(shù)據(jù)是否還能使用.帶區(qū)卷不能訪問，連盤符都看不到，而鏡像卷和RAID-5因有容錯能力，測試文件能正確讀寫，測試結(jié)果和原理相符.

3.3.3 RAID數(shù)據(jù)修復

(1)RAID 0數(shù)據(jù)修復

RAID 0不存在數(shù)據(jù)冗余和校驗功能，在RAID 0陣列中，任意1塊成員硬盤的損壞，都可能造成所有數(shù)據(jù)全部丟失.數(shù)據(jù)修復只能重建RAID 0，并從備份盤或磁帶上恢復數(shù)據(jù)[5].

(2)RAID 1數(shù)據(jù)修復

RAID 1的數(shù)據(jù)是鏡像存儲，被存儲的數(shù)據(jù)同時寫入相應的鏡像磁盤，一個磁盤損壞，另一個磁盤的數(shù)據(jù)依然完整.

RAID 1數(shù)據(jù)修復，在“磁盤管理器”中，選擇“RAID 1”，右擊打開“刪除鏡像”向?qū)?，選擇標有“丟失”標記的磁盤，完成后“關(guān)機”.添加“新磁盤”，“開機”完成新磁盤的“動態(tài)磁盤”.再次右擊“動態(tài)磁盤 1”，選擇“添加鏡像”，選擇新添加的磁盤，重新同步結(jié)束后完成RAID 1的修復.

(3)RAID 5數(shù)據(jù)修復

RAID 5在寫入數(shù)據(jù)的同時也寫入了奇偶校驗信息，當RAID 5中任意1塊磁盤損壞，系統(tǒng)能根據(jù)其它盤中的校驗信息計算出丟失的數(shù)據(jù).

RAID 5數(shù)據(jù)修復，添加“新磁盤”，“開機”完成新磁盤的“RAID 5”.右擊“動態(tài)磁盤 1”，選擇“修復卷”，選擇新添加的磁盤，重新同步結(jié)束后完成RAID 5的修復[6].

4 結(jié)束語

在成功構(gòu)建基于VMware vSphere云計算平臺的RAID虛擬實驗環(huán)境基礎(chǔ)上，完成了RAID實驗中要求的RAID 0、1、5的配置，使用硬盤讀寫性能測試工具DiskMark對RAID 0、1、5的讀寫性能進行了測試比較，驗證了RAID 0、1、5在單磁盤故障時的容錯能力，并對RAID 1、5進行了數(shù)據(jù)修復操作，實驗結(jié)果和工作原理相符.為數(shù)據(jù)存儲類實驗提供了一種確實可行的有效方法，它不但可以降低實驗成本、節(jié)省實驗設(shè)備投資，還極大地激發(fā)了學生的學習興趣和實驗積極性，提升了學生的實踐技能.

參 考 文 獻:

[1] 周翔鷹.基于VMware構(gòu)建虛擬計算機網(wǎng)絡實驗[J].實驗室研究與探索,2006,25(7):809-212.

[2] JIMMY PERSSON,GUSTAV EVERTSSON.RAID SYSTEMS[EB/OL].http://www.guzzzt.com/files/coding/raid.pdf.

[3] 李馥娟.虛擬機技術(shù)在復雜網(wǎng)絡實驗中的應用[J].實驗技術(shù)與管理，2009.35(6):46-48.

[4] 孫麗麗,王偉峰,丁鵬，等.網(wǎng)絡存儲與虛擬化技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2013.

[5] 蔡平.磁盤陣列的數(shù)據(jù)安全隱患與數(shù)據(jù)修復[J].信息網(wǎng)絡安全,2008,9(2):43-46.

[6] 褚建立.企業(yè)級網(wǎng)絡服務器的容錯技術(shù)及實現(xiàn)方法[J].微型機與應用,2009,19(7):11-13.