帶區卷編程

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❷ 請高手詳解內存雙通道和建磁碟陣列

主板_雙通道內存技術

雙通道內存技術其實是一種內存控制和管理技術，它依賴於晶元組的內存控制器發生作用，在理論上能夠使兩條同等規格內存所提供的帶寬增長一倍。它並不是什麼新技術，早就被應用於伺服器和工作站系統中了，只是為了解決台式機日益窘迫的內存帶寬瓶頸問題它才走到了台式機主板技術的前台。在幾年前，英特爾公司曾經推出了支持雙通道內存傳輸技術的i820晶元組，它與RDRAM內存構成了一對黃金搭檔，所發揮出來的卓絕性能使其一時成為市場的最大亮點，但生產成本過高的缺陷卻造成了叫好不叫座的情況，最後被市場所淘汰。由於英特爾已經放棄了對RDRAM的支持，所以目前主流晶元組的雙通道內存技術均是指雙通道DDR內存技術，主流雙通道內存平台英特爾方面是英特爾 865、875系列，而AMD方面則是NVIDIA Nforce2系列。

雙通道內存技術是解決CPU匯流排帶寬與內存帶寬的矛盾的低價、高性能的方案。現在CPU的FSB（前端匯流排頻率）越來越高，英特爾 Pentium 4比AMD Athlon XP對內存帶寬具有高得多的需求。英特爾 Pentium 4處理器與北橋晶元的數據傳輸採用QDR（Quad Data Rate，四次數據傳輸）技術，其FSB是外頻的4倍。英特爾 Pentium 4的FSB分別是400、533、800MHz，匯流排帶寬分別是3.2GB/sec，4.2GB/sec和6.4GB/sec，而DDR 266/DDR 333/DDR 400所能提供的內存帶寬分別是2.1GB/sec，2.7GB/sec和3.2GB/sec。在單通道內存模式下，DDR內存無法提供CPU所需要的數據帶寬從而成為系統的性能瓶頸。而在雙通道內存模式下，雙通道DDR 266、DDR 333、DDR 400所能提供的內存帶寬分別是4.2GB/sec，5.4GB/sec和6.4GB/sec，在這里可以看到，雙通道DDR 400內存剛好可以滿足800MHz FSB Pentium 4處理器的帶寬需求。而對AMD Athlon XP平台而言，其處理器與北橋晶元的數據傳輸技術採用DDR（Double Data Rate，雙倍數據傳輸）技術，FSB是外頻的2倍，其對內存帶寬的需求遠遠低於英特爾 Pentium 4平台，其FSB分別為266、333、400MHz，匯流排帶寬分別是2.1GB/sec，2.7GB/sec和3.2GB/sec，使用單通道的DDR 266、DDR 333、DDR 400就能滿足其帶寬需求，所以在AMD K7平台上使用雙通道DDR內存技術，可說是收效不多，性能提高並不如英特爾平台那樣明顯，對性能影響最明顯的還是採用集成顯示晶元的整合型主板。

NVIDIA推出的nForce晶元組是第一個把DDR內存介面擴展為128-bit的晶元組，隨後英特爾在它的E7500伺服器主板晶元組上也使用了這種雙通道DDR內存技術，SiS和VIA也紛紛響應，積極研發這項可使DDR內存帶寬成倍增長的技術。但是，由於種種原因，要實現這種雙通道DDR（128 bit的並行內存介面）傳輸對於眾多晶元組廠商來說絕非易事。DDR SDRAM內存和RDRAM內存完全不同，後者有著高延時的特性並且為串列傳輸方式，這些特性決定了設計一款支持雙通道RDRAM內存晶元組的難度和成本都不算太高。但DDR SDRAM內存卻有著自身局限性，它本身是低延時特性的，採用的是並行傳輸模式，還有最重要的一點：當DDR SDRAM工作頻率高於400MHz時，其信號波形往往會出現失真問題，這些都為設計一款支持雙通道DDR內存系統的晶元組帶來不小的難度，晶元組的製造成本也會相應地提高，這些因素都制約著這項內存控制技術的發展。

普通的單通道內存系統具有一個64位的內存控制器，而雙通道內存系統則有2個64位的內存控制器，在雙通道模式下具有128bit的內存位寬，從而在理論上把內存帶寬提高一倍。雖然雙64位內存體系所提供的帶寬等同於一個128位內存體系所提供的帶寬，但是二者所達到效果卻是不同的。雙通道體系包含了兩個獨立的、具備互補性的智能內存控制器，理論上來說，兩個內存控制器都能夠在彼此間零延遲的情況下同時運作。比如說兩個內存控制器，一個為A、另一個為B。當控制器B准備進行下一次存取內存的時候，控制器A就在讀/寫主內存，反之亦然。兩個內存控制器的這種互補「天性」可以讓等待時間縮減50%。雙通道DDR的兩個內存控制器在功能上是完全一樣的，並且兩個控制器的時序參數都是可以單獨編程設定的。這樣的靈活性可以讓用戶使用二條不同構造、容量、速度的DIMM內存條，此時雙通道DDR簡單地調整到最低的內存標准來實現128bit帶寬，允許不同密度/等待時間特性的DIMM內存條可以可靠地共同運作。

支持雙通道DDR內存技術的台式機晶元組，英特爾平台方面有英特爾的865P、865G、865GV、865PE、875P以及之後的915、925系列；VIA的PT880，ATI的Radeon 9100 IGP系列，SIS的SIIS 655，SIS 655FX和SIS 655TX；AMD平台方面則有VIA的KT880，NVIDIA的nForce2 Ultra 400，nForce2 IGP，nForce2 SPP及其以後的晶元。

AMD的64位CPU，由於集成了內存控制器，因此是否支持內存雙通道看CPU就可以。目前AMD的台式機CPU，只有939介面的才支持內存雙通道，754介面的不支持內存雙通道。除了AMD的64位CPU，其他計算機是否可以支持內存雙通道主要取決於主板晶元組，支持雙通道的晶元組上邊有描述，也可以查看。此外有些晶元組在理論上支持不同容量的內存條實現雙通道，不過實際還是建議盡量使用參數一致的兩條內存條。

內存雙通道一般要求按主板上內存插槽的顏色成對使用，此外有些主板還要在BIOS做一下設置，一般主板說明書會有說明。當系統已經實現雙通道後，有些主板在開機自檢時會有提示，可以仔細看看。由於自檢速度比較快，所以可能看不到。因此可以用一些軟體查看，很多軟體都可以檢查，比如cpu-z，比較小巧。在「memory」這一項中有「channels」項目，如果這里顯示「Dual」這樣的字，就表示已經實現了雙通道。兩條256M的內存構成雙通道效果會比一條512M的內存效果好，因為一條內存無法構成雙通道。
磁碟陣列技術

磁碟陣列(DiscArray)是由許多台磁碟機或光碟機按一定的規則，如分條(Striping)、分塊(Declustering)、交叉存取(Interleaving)等組成一個快速，超大容量的外存儲器子系統。它在陣列控制器的控制和管理下，實現快速，並行或交叉存取，並有較強的容錯能力。從用戶觀點看，磁碟陣列雖然是由幾個、幾十個甚至上百個盤組成，但仍可認為是一個單一磁碟，其容量可以高達幾百～上千千兆位元組，因此這一技術廣泛為多媒體系統所歡迎。

盤陣列的全稱是：
RendanArrayofInexpensiveDisk，簡稱RAID技術。它是1988年由美國加州大學Berkeley分校的DavidPatterson教授等人提出來的磁碟冗餘技術。從那時起，磁碟陣列技術發展得很快，並逐步走向成熟。現在已基本得到公認的有下面八種系列。
1.RAID0(0級盤陣列)
RAID0又稱數據分塊，即把數據分布在多個盤上，沒有容錯措施。其容量和數據傳輸率是單機容量的N倍，N為構成盤陣列的磁碟機的總數，I/O傳輸速率高，但平均無故障時間MTTF(MeanTimeToFailure)只有單台磁碟機的N分之一，因此零級盤陣列的可靠性最差。
2.RAID1(1級盤陣列)
RAID1又稱鏡像(Mirror)盤，採用鏡像容錯來提高可靠性。即每一個工作盤都有一個鏡像盤，每次寫數據時必須同時寫入鏡像盤，讀數據時只從工作盤讀出。一旦工作盤發生故障立即轉入鏡像盤，從鏡像盤中讀出數據，然後由系統再恢復工作盤正確數據。因此這種方式數據可以重構，但工作盤和鏡像盤必須保持一一對應關系。這種盤陣列可靠性很高，但其有效容量減小到總容量一半以下。因此RAID1常用於對出錯率要求極嚴的應用場合，如財政、金融等領域。
3.RAID2(2級盤陣列)
RAID2又稱位交叉，它採用漢明碼作盤錯檢驗，無需在每個扇區之後進行CRC(CyclicReDundancycheck)檢驗。漢明碼是一種(n,k)線性分組碼，n為碼字的長度，k為數據的位數，r為用於檢驗的位數，故有：n=2r－1r=n－k
因此按位交叉存取最有利於作漢明碼檢驗。這種盤適於大數據的讀寫。但冗餘信息開銷還是太大，阻止了這類盤的廣泛應用。
4.RAID3(3級盤陣列)
RAID3為單盤容錯並行傳輸陣列盤。它的特點是將檢驗盤減小為一個(RAID2校驗盤為多個，DAID1檢驗盤為1比1)，數據以位或位元組的方式存於各盤(分散記錄在組內相同扇區號的各個磁碟機上)。它的優點是整個陣列的帶寬可以充分利用，使批量數據傳輸時間減小；其缺點是每次讀寫要牽動整個組，每次只能完成一次I/O。
5.RAID4(4級盤陣列)
RAID4是一種可獨立地對組內各盤進行讀寫的陣列。其校驗盤也只有一個。
RAID4和RAID3的區別是：RAID3是按位或按位元組交叉存取，而RAID4是按塊(扇區)存取，可以單獨地對某個盤進行操作，它無需象RAID3那樣，那怕每一次小I/O操作也要涉及全組，只需涉及組中兩台磁碟機(一台數據盤，一台檢驗盤)即可。從而提高了小量數據的I/O速率。
6.RAID5(5級盤陣列)
RAID5是一種旋轉奇偶校驗獨立存取的陣列。它和RAID1、2、3、4各盤陣列的不同點，是它沒有固定的校驗盤，而是按某種規則把其冗餘的奇偶校驗信息均勻地分布在陣列所屬的所有磁碟上。於是在同一台磁碟機上既有數據信息也有校驗信息。這一改變解決了爭用校驗盤的問題，因此DAID5內允許在同一組內並發進行多個寫操作。所以RAID5即適於大數據量的操作，也適於各種事務處理。它是一種快速，大容量和容錯分布合理的磁碟陣列。
7.RAID6(6級盤陣列)
RAID6是一種雙維奇偶校驗獨立存取的磁碟陣列。它的冗餘的檢、糾錯信息均勻分布在所有磁碟上，而數據仍以大小可變的塊以交叉方式存於各盤。這類盤陣列可容許雙盤出錯。
8.RAID7(7級盤陣列)
RAID7是在RAID6的基礎上，採用了cache技術，它使得傳輸率和響應速度都有較大的提高。Cache是一種高速緩沖存儲器，即數據在寫入磁碟陣列以前，先寫入cache中。一般採用cache分塊大小和磁碟陣列中數據分塊大小相同，即一塊cache分塊對應一塊磁碟分塊。在寫入時將數據分別寫入兩個獨立的cache，這樣即使其中有一個cache出故障，數據也不會丟失。寫操作將直接在cache級響應，然後再轉到磁碟陣列。數據從cache寫到磁碟陣列時，同一磁軌的數據將在一次操作中完成，避免了不少塊數據多次寫的問題，提高了速度。在讀出時，主機也是直接從cache中讀出，而不是從陣列盤上讀取，減少與磁碟讀操作次數，這樣比較充分地利用了磁碟帶寬。
這樣cache和磁碟陣列技術的結合，彌補了磁碟陣列的不足(如分塊寫請求響應差等缺陷)，從而使整個系統以高效、快速、大容量、高可靠以及靈活、方便的存儲系統提供給用戶，從而滿足了當前的技術發展的需要，尤其是多媒體系統的需要。
解析磁碟陣列的關鍵技術
存儲技術在計算機技術中受到廣泛關注，伺服器存儲技術更是業界關心的熱點。一談到伺服器存儲技術，人們幾乎立刻與SCSI（Small Computer Systems Interface）技術聯系在一起。盡管廉價的IDE硬碟在性能、容量等關鍵技術指標上已經大大地提高，可以滿足甚至超過原有的伺服器存儲設備的需求。但由於Internet的普及與高速發展，網路伺服器的規模也變得越來越大。同時，Internet不僅對網路伺服器本身，也對伺服器存儲技術提出了苛刻要求。無止境的市場需求促使伺服器存儲技術飛速發展。而磁碟陣列是伺服器存儲技術中比較成熟的一種，也是在市場上比較多見的大容量外設之一。
在高端，傳統的存儲模式無論在規模上，還是安全上，或是性能上，都無法滿足特殊應用日益膨脹的存儲需求。諸如存儲區域網（SAN）等新的技術或應用方案不斷涌現，新的存儲體系結構和解決方案層出不窮，伺服器存儲技術由直接連接存儲（DAS）向存儲網路技術（NAS）方面擴展。在中低端，隨著硬體技術的不斷發展，在強大市場需求的推動下，本地化的、基於直接連接的磁碟陣列存儲技術，在速度、性能、存儲能力等方面不斷地邁上新台階。並且，為了滿足用戶對存儲數據的安全、存取速度和超大的存儲容量的需求，磁碟陣列存儲技術也從講求技術創新、重視系統優化，以技術方案為主導的技術推動期逐漸進入了強調工業標准、著眼市場規模，以成熟產品為主導的產品普及期。
回顧磁碟陣列的發展歷程，一直和SCSI技術的發展緊密關聯，一些廠商推出的專有技術，如IBM的SSA（Serial Storage Architecture）技術等，由於兼容性和升級能力不盡如人意，在市場上的影響都遠不及SCSI技術廣泛。由於SCSI技術兼容性好，市場需求旺盛，使得SCSI技術發展很快。從最原始5MB/s傳輸速度的SCSI-1，一直發展到現在LVD介面的160MB/s傳輸速度的Ultra 160 SCSI，320MB/s傳輸速度的Ultra 320 SCSI介面也將在2001年出現（見表1）。從當前市場看，Ultra 3 SCSI技術和RAID（Rendant Array of Inexpensive Disks）技術還應是磁碟陣列存儲的主流技術。
SCSI技術
SCSI本身是為小型機（區別於微機而言）定製的存儲介面，SCSI協議的Version 1 版本也僅規定了5MB/s傳輸速度的SCSI-1的匯流排類型、介面定義、電纜規格等技術標准。隨著技術的發展，SCSI協議的Version 2版本作了較大修訂，遵循SCSI-2協議的16位數據帶寬，高主頻的SCSI存儲設備陸續出現並成為市場的主流產品，也使得SCSI技術牢牢地佔據了伺服器的存儲市場。SCSI-3協議則增加了能滿足特殊設備協議所需要的命令集，使得SCSI協議既適應傳統的並行傳輸設備，又能適應最新出現的一些串列設備的通訊需要，如光纖通道協議（FCP）、串列存儲協議（SSP）、串列匯流排協議等。漸漸地，「小型機」的概念開始弱化，「高性能計算機」和「伺服器」的概念在人們的心目中得到強化，SCSI一度成為用戶從硬體上來區分「伺服器」和PC機的一種標准。
通常情況下，用戶對SCSI匯流排的關心放在硬體上，不同的SCSI的工作模式意味著有不同的最大傳輸速度。如40MB/s的Ultra SCSI、160MB/s的Ultra 3 SCSI等等。但最大傳輸速度並不代表設備正常工作時所能達到的平均訪問速度，也不意味著不同SCSI工作模式之間的訪問速度存在著必然的「倍數」關系。SCSI控制器的實際訪問速度與SCSI硬碟型號、技術參數，以及傳輸電纜長度、抗干擾能力等因素關系密切。提高SCSI匯流排效率必須關注SCSI設備端的配置和傳輸線纜的規范和質量。可以看出，Ultra 3模式下獲得的實際訪問速度還不到Ultra Wide模式下實際訪問速度的2倍。
一般說來，選用高速的SCSI硬碟、適當增加SCSI通道上連接硬碟數、優化應用對磁碟數據的訪問方式等，可以大幅度提高SCSI匯流排的實際傳輸速度。尤其需要說明的是，在同樣條件下，不同的磁碟訪問方式下獲得的SCSI匯流排實際傳輸速度可以相差幾十倍，對應用的優化是獲得高速存儲訪問時必須關注的重點，而這卻常常被一些用戶所忽視。按4KB數據塊隨機訪問6塊SCSI硬碟時，SCSI匯流排的實際訪問速度為2.74MB/s，SCSI匯流排的工作效率僅為匯流排帶寬的1.7％；在完全不變的條件下，按256KB的數據塊對硬碟進行順序讀寫，SCSI匯流排的實際訪問速度為141.2MB/s，SCSI匯流排的工作效率高達匯流排帶寬的88％。
隨著傳輸速度的提高，信號傳輸過程中的信號衰減和干擾問題顯得越來越突出，終結器在一定程度上可以起到降低信號波反射，改善信號質量的作用。同時，LVD（Low-Voltage Differential）技術的應用也越來越多。LVD工作模式是和SE（Single-Ended）模式相對應的，它可以很好地抵抗傳輸干擾，延長信號的傳輸距離。同時，Ultra 2 SCSI和Ultra 3 SCSI模式也通過採用專用的雙絞型SCSI電纜來提高信號傳輸的質量。
在磁碟陣列的概念中，大容量硬碟並不是指單個硬碟容量大，而是指將單個硬碟通過RAID技術，按RAID 級別組合成更大容量的硬碟。所以在磁碟陣列技術中，RAID技術是比較關鍵的，同時，根據所選用的RAID級別的不同，得到的「大硬碟」的功能也有不同。
RAID是一項非常成熟的技術，但由於其價格比較昂貴，配置也不方便，缺少相對專業的技術人員，所以應用並不十分普及。據統計，全世界75％的伺服器系統目前沒有配置RAID。由於伺服器存儲需求對數據安全性、擴展性等方面的要求越來越高，RAID市場的開發潛力巨大。RAID技術是一種工業標准，各廠商對RAID級別的定義也不盡相同。目前對RAID級別的定義可以獲得業界廣泛認同的只有4種，RAID 0、RAID 1、RAID 0＋1和RAID 5。
RAID 0是無數據冗餘的存儲空間條帶化，具有低成本、極高讀寫性能、高存儲空間利用率的RAID級別，適用於Video / Audio信號存儲、臨時文件的轉儲等對速度要求極其嚴格的特殊應用。但由於沒有數據冗餘，其安全性大大降低，構成陣列的任何一塊硬碟損壞都將帶來數據災難性的損失。所以，在RAID 0中配置4塊以上的硬碟，對於一般應用來說是不明智的。
RAID 1是兩塊硬碟數據完全鏡像，安全性好，技術簡單，管理方便，讀寫性能均好。但其無法擴展（單塊硬碟容量），數據空間浪費大，嚴格意義上說，不應稱之為「陣列」。
RAID 0＋1綜合了RAID 0和RAID 1的特點，獨立磁碟配置成RAID 0，兩套完整的RAID 0互相鏡像。它的讀寫性能出色，安全性高，但構建陣列的成本投入大，數據空間利用率低，不能稱之為經濟高效的方案。
RAID 5是目前應用最廣泛的RAID技術。各塊獨立硬碟進行條帶化分割，相同的條帶區進行奇偶校驗（異或運算），校驗數據平均分布在每塊硬碟上。以n塊硬碟構建的RAID 5陣列可以有n－1塊硬碟的容量，存儲空間利用率非常高（見圖6）。任何一塊硬碟上數據丟失，均可以通過校驗數據推算出來。它和RAID 3最大的區別在於校驗數據是否平均分布到各塊硬碟上。RAID 5具有數據安全、讀寫速度快，空間利用率高等優點，應用非常廣泛，但不足之處是1塊硬碟出現故障以後，整個系統的性能大大降低。
對於RAID 1、RAID 0＋1、RAID 5陣列，配合熱插拔（也稱熱可替換）技術，可以實現數據的在線恢復，即當RAID陣列中的任何一塊硬碟損壞時，不需要用戶關機或停止應用服務，就可以更換故障硬碟，修復系統，恢復數據，對實現HA（High Availability）高可用系統具有重要意義。
各廠商還在不斷推出各種RAID級別和標准。例如更高安全性的，從RAID控制器開始鏡像的RAID；更快讀寫速度的，為構成RAID的每塊硬碟配置CPU和Cache的RAID等等，但都不普及。用IDE硬碟構建RAID的技術是新出現的一個技術方向，對市場影響也較大，其突出優點就是構建RAID陣列非常廉價。目前IDE RAID可以支持RAID 0、RAID 1和RAID 0＋1三個級別，最多支持4塊IDE硬碟。由於受IDE設備擴展性的限制，同時，也由於IDE設備也缺乏熱可替換的技術支持的原因，IDE RAID的應用還不多。
總之，發展是永恆的主題，在伺服器存儲技術領域也不例外。一方面，一些巨頭廠商嘗試推出新的概念或標准，來領導伺服器及存儲技術的發展方向，較有代表性的如Intel力推的IA-64架構及存儲概念；另一方面，致力於存儲的專業廠商以現有技術和工業標准為基礎，推動SCSI、RAID、Fibre Channel等基於現有存儲技術和方案快速更新和發展。在市場經濟條件下，檢驗技術發展的唯一標準是市場的認同。市場呼喚好的技術，而新的技術必須起到推動市場向前發展作用時才能被廣泛接受和承認。隨著高性能計算機市場的發展，高性能比、高可靠性、高安全性的存儲新技術也會不斷涌現。
現在市場上的磁碟陣列產品有很多，用戶在選擇磁碟陣列產品的過程中，也要根據自己的需求來進行選擇，現在列舉幾個磁碟陣列產品，同時也為需要磁碟陣列產品的用戶提供一些選擇。表2列出了幾種磁碟陣列的主要技術指標。
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小知識：磁碟陣列的可靠性和可用性
可靠性，指的是硬碟在給定條件下發生故障的概率。可用性，指的是硬碟在某種用途中可能用的時間。磁碟陣列可以改善硬碟系統的可靠性。從表3中可以看到RAID硬碟子系統與單個硬碟子系統的可靠性比較。
此外，在系統的可用性方面，單一硬碟系統的可用性比沒有數據冗餘的磁碟陣列要好，而冗餘磁碟陣列的可用性比單個硬碟要好得多。這是因為冗餘磁碟陣列允許單個硬碟出錯，而繼續正常工作；一個硬碟故障後的系統恢復時間也大大縮短（與從磁帶恢復數據相比）；冗餘磁碟陣列發生故障時，硬碟上的數據是故障當時的數據，替換後的硬碟也將包含故障時的數據。但是，要得到完全的容錯性能，計算機硬碟子系統的其它部件也必須有冗餘。