HP服务器技术白皮书2.docx

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HP服务器技术白皮书2

惠普ProLiant服务器技术白皮书2

图7：

惠普热插拔RAID内存的读操作，每个从存储盒中读出的数据都经过一个内存控制器和一个ECC驱动器进行检错。

同时RAID内存引擎将通过其它4个内存控制器重新生成数据将其与从内存盒中读出的数据进行比较。

图8：

RAID内存结构回写（Scrubbing）热插拔RAID内存提供了一个回写硬件方式，它可以确认ECC或RAID检查出来的软错误。

惠普技术尝试定位在读内存时检查出来的所有软错误，方法是把改正后的正确的数据写回内存中去。

但此方法不适用于硬错误。

回写技术可以阻止软错误的累积，避免发生更严重的错误。

它降低了ECC的工作量，提高了系统的性能。

一些传统的系统采用的是软件回写，惠普热插拔RAID内存使用硬件完成这个工作。

惠普热插拔RAID内存会对错误生成错误日志，错误极限由软件设定。

当记录的错误值达到错误极限的时候，软件会自动作出反应。

例如当超过错误极限的时候故障灯会自动点亮，这就是由软件控制的。

热插拔容量Hot-PlugCapabilities惠普热插拔RAID内存可以允许用户在不关闭服务器电源的情况下在线更换、在线扩展以及在线升级DIMM。

在线更换指在系统运行的情况下更换出现故障的DIMM。

惠普热插拔RAID内存不需要操作系统的支持，服务器在购买的时候就具有支持在线更换的能力。

在线扩展指用户在空的插槽上插入DIMM以扩展系统容量，在线升级是指用户用容量更大的DIMM替代旧的较小容量的DIMM。

在线扩展和在线升级都可以使用户获得更大的系统内存容量。

在线扩展和在线升级要求操作系统的支持，系统要可以认出新增的内存。

MicrosoftWindows?

AdvancedServer,Windows?

DataCenter,NovellNetWare6.0,andSCOUnixWare7.1.2可以支持惠普ProLiant700系列服务器。

惠普也会和其它的操作系统开发商合作，保证他们未来的操作系统版本中支持此项功能的实现。

当在线内存操作完成后，如果工作在热插拔RAID内存模式下，那么系统会自动在所有的内存盒上重新放置数据（rebuild）。

虽然这样做会暂时降低内存的工作性能-重新放置4GB的数据花费时间少于30秒-但是只需要花费很少的钱就可以增加容错能力，并可避免系统检修期间带来的经济损失。

总结由于应用程序越来越复杂对内存要求越来越高，同时处理器的处理能力也更强，服务器内存的扩展已经是必然的事情。

要满足这个要求，服务器的制造商面临的问题就是在增加内存的密度、增大内存的容量的同时，保证系统内存的可靠性。

惠普也面临同样的问题，它的解决办法是利用3种容错内存保护技术（fault-tolerantmemoryprotectiontechnologies）：

在线备份内存、热插拔镜像内存和热插拔RAID内存。

在线备份内存适用于那些不想因为仅内存错误就停机检修设备的用户，他们希望利用固定的设备检修时间更换出现故障的内存模块。

热插拔镜像内存能够为此类用户提供更高的容错能力，而且用户也无须等到设备固定的检修时间才更换出现故障的内存，因为热插拔镜像内存可以让用户在不关机的情况下对内存进行在线替换。

对于那些需要大容量内存支持且长时间不间断运行的应用程序而言，惠普热插拔RAID内存的可靠性最高。

它可以保证内存子系统运行正常，即使是在有一个内存设备完全出现故障的情况下也是如此，它支持工业标准的DIMM在线替换、在线扩展和在线升级。

以上的惠普AMP技术是系统可靠性的保证，可以让用户根据自己对内存可靠性的要求自由选择系统配置，为其工作的成功打下基础。

HP最新的处理器技术高级对称多处理高度并行系统结构还支持对称多处理，不过，系统级的并行是独立于处理器的数目的。

RISC/UNIX服务器支持SMP已经多年了。

不过，许多人还没有将服务器上运行的MicrosoftWindowsNT和应用与SMP联系起来。

WindowsNT确实支持SMP；而且当用户运行许多高要求的商业应用时十分有利。

在企业环境中进行的事务处理和分析需要大量的计算。

幸运地是，许多这样的应用都是多线程的，或者十分适于多处理。

高度并行系统结构能够在WindowsNT、NovellNetWare和UNIX的运行环境下，针对不断提高的系统性能要求，提供卓越的可升级性，该结构支持多个IntelPentiumII、PentiumIII、PentiumIIXeon、PentiumIIIXeon或Xeon处理器，能够满足客户的各种需求。

多个处理器可共享处理器总线，因此能够同时处理指令。

对于采用高度并行系统结构的惠普服务器，其高度并行系统结构的配置可能会略有差别。

如果希望了解有关采用该体系结构的特定服务器的详细信息，请访问惠普公司的网站（）。

惠普公司基于芯片的RAID技术介绍廉价磁盘冗余阵列（RAID）是在大容量服务器系统中所采用的为保证数据可用性和可靠性的工业标准技术。

RAID价值体现在当磁盘驱动器失效时阵列控制器对数据进行自动恢复的能力。

例如，如采用RAID5容错配置，当一个驱动器出现损坏而同时有一个操作试图读取已丢失的数据时，控制器将根据奇偶校验数据自动对丢失的数据进行重构。

惠普公司从1989年推出惠普智能阵列控制器开始率先涉足RAID领域，并在硬件RAID功能不断扩展和提高的情况下一直处于业内领先地位。

现在，惠普公司又与LSILogic公司联合开发了业内第一个基于芯片的RAID（ROC）解决方案。

惠普公司ROC是内嵌的基于硬件的RAID解决方案，该解决方案可提高系统可靠性，改善处理器利用率和输入/输出效率，增强数据完整性和数据恢复的能力。

该方案为数据中心服务器提供了如下的理想可能性：

操作系统和交换区安装在最优化的内置存储空间上，数据的存储由更加强大的阵列控制器和外部存储子系统组合完成。

ROC子系统技术通过将一些不相关的组件进行组合并在一个集成电路中相连接，惠普公司开发了全集成硬件RAID解决方案。

ROC子系统包括处理器、内存控制器、硬件RAID引擎、SCSI芯片、PCI桥和一个内部总线结构，所有这些组件组成了一个单独的底层结构（图9）。

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图9.惠普公司ROC子系统简易模块图处理器在ROC子系统中控制RAID实现的ROC处理器采用的是ARM732位RISC核心。

为产品特制的固件将信息由外部的只读闪存（ROM）读入ROC内存，并在ROC内部执行，该操作独立于主机处理器。

在ROC子系统实现RAID功能时，主机处理器可以同时处理其他的事物。

SCSI芯片SCSI芯片由两个内置Ultra-2SCSI通道组成。

其中一个用于支持服务器内置磁盘驱动器。

另一个被用来对SCSI磁带机的支持。

当支持设备为6个内置SCSI设备和一个SCSI磁带机时，SCSI芯片组达到其设计的最佳性能。

虽然第二条通道可以不连接SCSI磁带机而是用来连接外置存储部件，但是增加的负载将降低整体I/O性能。

如果要在外置存储部件存在情况下获得高的I/O性能，惠普公司建议选用高性能的惠普SmartArrayController（惠普智能阵列控制器）来对外置存储系统进行支持。

PCI桥PCI桥提供了ROC子系统内部总线结构与服务器PCI总线之间的接口。

主机处理器通过PCI桥与ROC处理器进行通讯。

内部总线结构ROC内部总线结构由一些在ROC子系统内部组件之间提供通讯通路的内嵌总线构成。

这个结构在密集环境中的处理器、内存和存储器之间提供高可靠性信息和数据控制。

内部总线结构通过PCI桥与主机处理器相联接。

内存控制器和RAID引擎ROC内存控制器采用内置接口与位于主板上的动态随机存取存储器（DRAM），闪存，和非易失性静态随机存取存储器（SRAM）（图10）相连接。

RAID引擎控制RAID5实现中的奇偶校验。

图10.ROC内存控制器与主板内存资源接口模块图。

SRAMSRAM的使用取决于ROC程序代码。

SRAM是非易失性内存，其中存储着数据重构时子系统的状态。

如果重构过程中电源失效，SRAM中的数据可使子系统由电源失效前的时间点继续重构进程。

闪存闪存提供到主机处理器的初始代码以及到ROC处理器的程序代码。

DRAMDRAM被用于存储ROC程序代码和操作数据，同时作为前读缓存。

该缓存使用智能前读算法来预估所需数据以减少等待时间。

它可以对单个或多个线程中的顺序读取操作进行跟踪并预先判断接下来的顺序读取操作。

它可以在数据请求真正发生前，从磁盘中前读或预读出数据。

而当数据请求发生时，从高速缓存中提取数据的速度将是从磁盘中毫秒级提取速度的几百甚至上千倍。

这种适应性前读设计对于小块顺序读取请求有着极佳的性能表现。

同时由于在非顺序读取情况下前读机制被关闭，因此对于随机读取模式也没有不良影响。

ROC子系统功能RAID实现通过数据重构进程中的数据条带和奇偶校验增强数据的完整性和可恢复性。

ROC子系统通过完成全部RAID功能来改善主机处理器利用率，这样可以释放主机处理器来完成其他工作。

在大多数实现中，ROC子系统被全部集成并内嵌在在服务器主板上。

这种实现可以改善I/O效能并为其他控制器空出一个PCI插槽。

ROC子系统可以将任务和数据进行排队处理，从而提高性能表现。

当ROC子系统配备了内存（DRAM、闪存和SRAM）和LVDSCSI硬盘驱动器时，它就等同于一个典型硬件RAID控制器（图11）。

下面的段落描述了RAID控制器的功能。

图11.典型的内嵌RAID控制器模块图

ROC支持的RAID级别RAID0（无容错）:

RAID0不提供故障下的数据保护。

RAID0也称"条带集"，因为数据被简单条带状交错分散在整个阵列的所有硬盘中。

这种配置提供了低开销、高性能和极好的数据可用性。

虽然如此，但是有丢失数据的风险。

RAID0可在需要高速率、大容量（有些情况下是硬盘的全部容量），同时由于硬盘的损坏造成数据丢失可以接受的情况下使用。

通常，使用RAID0的用户使用磁带备份来保护重要的数据。

RAID1（数据镜像）:

该数据镜像集配置通过在另一个分离的硬盘上保存所有用户数据副本的手段，使用50%阵列硬盘存储容量来提供更好的数据可靠性。

因此，阵列中一半的硬盘被复制或“镜像”到另一半。

RAID1提供了非常高的容错级别，但是硬盘的开销是两倍，因为该级别需要两个或更多的硬盘来存储同等数量的数据。

在某些存储环境中该配置不是合理的开销。

RAID0+1（条带加镜像）：

这种RAID0和RAID1的组合配置有时被称为RAID10。

当用户使用4块甚至更多的硬盘的同时选择RAID1时，惠普公司就采用RAID0+1。

这种组合结果是得到RAID0的高性能和RAID1的高可靠性。

RAID5（分布数据保护）：

这是最流行的RAID配置。

它有时被称为"带奇偶校验的条带集"。

数据被分为小块，对每一块做奇偶校验。

然后，数据块被"条带的"写到硬盘中，每个硬盘上的一个条带保存着奇偶校验数据。

这种方式是有效的开销。

对于全部硬盘容量而言，冗余量等同于其中一个单个硬盘的容量。

这种容错方式的开销比RAID1要小。

对于RAID5而言，如果硬盘失效，控制器根据剩余硬盘中的奇偶校验数据重构失效硬盘中的数据。

这可以使系统以稍差一些的性能继续操作直至失效的硬盘被修复。

数据传输一旦配置完成，ROC处理器接受并处理由主机处理器传来的请求消息，并将回应消息发回主机处理器。

ROC处理器与固件在没有主机处理器干预的情况下协同管理该事物的始终。

这样就在执行大量RAID功能时减轻了主机处理器的工作。

消息被ROC处理器解码为本地的操作，通常包括数据的传递。

数据根据RAID级别不同的选择在不同的对象间迁移，如：

系统主存与SCSI目标（硬盘或磁带机）间，系统主存与ROC内存系统间，ROC内存系统与SCSI目标间（图12）。

图12.ROC数据流的简单模块图

容错及恢复ROC子系统体系结构提供了硬件RAID保护，保证了数据的完整性和可用性。

当ROC子系统配置成RAID5并且对可能的硬盘失效做了准备，子系统将预先产生奇偶校验数据，这样可以保证所有数据的可用性并保证在更换任何失效硬盘时系统仍能运行。

热插拔设备支持的自动重构ROC子系统支持热插拔SCSI设备。

如果存储子系统支持热插拔硬盘，用户可在系统运行时在容错结构中插入或拔出硬盘。

ROC子系统可以检测到失效硬盘被拔出或更换。

此时奇偶校验信息将根据卷中剩余硬盘重新获得，并在更换后的硬盘上自动重构失效硬盘中数据。

当重构操作完成后，数据可以从硬盘上直接读取不需要重建。

在线冗余ROC子系统支持在线冗余硬盘。

冗余硬盘的数量由组成子系统的产品决定。

当服务器处于操作状态时，冗余硬盘在线但不激活；就是说，在普通阵列操作时对它们没有I/O操作。

冗余硬盘一直被抑制直至一个或更多活动硬盘失效为止。

一个在线冗余硬盘（图13）不同于一个奇偶校验硬盘。

奇偶校验硬盘在所有I/O操作时是被激活的。

在线冗余硬盘在线，但在需要它之前一直处于备份状态。

如果系统操作过程中一个硬盘失效，ROC子系统将立刻自动在在线冗余硬盘上开始数据重构操作。

一旦重构操作完成，系统重又进入容错状态。

失效硬盘可随时被更换。

一旦换上新的硬盘，ROC子系统将数据重新存入新硬盘中。

原来在线冗余硬盘将作为在线冗余硬盘再次处于备份模式。

图13.带在线冗余的RAID5

重构时电源失效与内嵌RAID控制器相连的非易失性SRAM存储着驱动器重构过程中的状态。

如果在重构过程中电源失效，SRAM将保留重构状态。

一旦电源恢复，SRAM将保存的电源失效前状态传递给ROC子系统，并从该点继续重构过程。

结论随着用户对数据可用性、完整性和安全性需求的不断增加，惠普公司将继续保持在业界提供有效的硬件RAID解决方案领域的领导地位。

惠普公司ROC子系统为数据中心服务器提供了如下的理想可能性：

操作系统和交换区安装在最优化的内置存储空间上，数据的存储由更加强大的阵列控制器和外部存储子系统组合完成。

作为世界领先的服务器制造厂家，惠普公司将继续关注用户的反馈并满足用户在基于标准的有创新的企业计算解决方案方面的需要。

惠普RAID高级数据保护:

一个具有成本效率的容错解决方案综合报告尽管大多数客户可能不曾经历过业务收入的大幅度提高，但几乎所有客户在发展的过程中都会遇到企业数据量的激增。

当客户评价存储这种数据的解决方案时，他们最为关注的是以下三个非常重要的方面：

容错、存储容量效率（成本效率）和性能。

惠普的RAID高级数据保护（ADG）是一个能够存储大量企业数据的、具有成本效率的容错解决方案。

与其它RAID级一样，其性能取决于应用的特性。

惠普的SmartArray5300Controller（控制器）、SmartArrayClusterStorage（群集存储）和模块化SANArray1000控制器支持RAIDADG。

采用大型磁盘阵列的企业和机构应该考虑使用RAIDADG，因为它能够允许最多两个驱动器同时故障，而不会导致系统停机或数据丢失。

它能够安全地保护最多由56个磁盘驱动器组成的阵列，容错性能优于RAID5，部署成本低于RAID1。

简介由于电子商务和传统应用的发展，例如事务处理、企业资源规划和决策分析等，客户需要面对和处理的数据量越来越大。

随着数据等级的提高，客户十分重视采用具有成本效率的存储技术来保护他们存储在日益增多的磁盘驱动器中的数据。

对于这些客户来说，RAID比将数据存储在单独的硬盘驱动器上具有更高的性能和容错特性。

RAID将一组磁盘驱动器组合起来共同完成存储功能，从操作系统的观点来看，就像一个单一的物理磁盘驱动器。

RAID的配置称为级，级随着容错所使用方法的不同而不同，但是在级数和容错保护的程度之间没有相关性。

后面会介绍了RAID1、1+0、5和惠普的RAIDADG，因为它们是最适于存储企业数据的阵列的RAID级。

RAID0虽然不提供容错特性，但介绍它的目的是为了与RAID1+0进行比较。

我们会首先介绍各种RAID级在保护大容量存储数据方面的功能和局限性。

然后描述了客户在决策过程中所考虑的三个最重要的因素：

容错、成本效率和性能。

RAID级:

功能和局限性那些需要建立由大量磁盘驱动器或高容量磁盘驱动器组成的大型磁盘阵列的客户，应该考虑现有的RAID配置在一个或多个驱动器出现故障时，在保护数据方面所存在的局限性。

本节内容将帮助客户分析各种RAID级之间的区别，其中包括RAIDADG。

后面的表中概括了这些RAID技术在功能、最适合的应用及局限性方面的特点。

对于RAID0的配置，一个文件被分为多个块，在磁盘阵列的所有驱动器中对每个块都进行条带化。

对于大型文件，从各个驱动器中并行地读出数据比从单一的一个驱动器中读文件要快。

然而，这种RAID配置不具有容错性能；如果一个驱动器出现故障，整个磁盘阵列将无法使用。

RAID1是一种镜像配置，即在两个驱动器系统中存储完全相同的数据。

它适用于要求极高可用性的应用。

虽然RAID1具有较高的容错性，但它需要两倍的驱动器，因此存储效率较低。

RAID1+0是通过镜像驱动器的条带化阵列来实现的。

它非常适用于高性能、高可靠性并牺牲一定存储效率的应用。

只要互为镜像对的两个驱动器不同时出现故障，RAID1+0就能够承受一半驱动器故障的恶劣情况；不过，它牺牲了一定的存储容量效率。

RAID5可以在三个或多个驱动器组成的磁盘阵列中实现。

计算每一个数据条带的奇偶校验信息，然后将该信息存储在与存储该数据条带的驱动器不同的驱动器上。

在磁盘阵列的所有驱动器中对奇偶校验信息都进行条带化，它占用与一个物理驱动器同等的容量。

一般情况下，RAID5具有较好的性能，但整个磁盘阵列只能承受一个驱动器的故障。

惠普的RAIDADG是对RAID5的扩展，它是在四个或多个驱动器组成的磁盘阵列中实现的。

在磁盘阵列的所有驱动器中对数据和两组奇偶校验信息都进行条带化，附加的一组奇偶校验信息能够改善磁盘阵列的容错性能，但降低了磁盘的写性能。

两组奇偶校验信息占用与阵列中二个驱动器同等的容量。

当阵列中的两个驱动器同时出现故障时，RAIDADG能够有效地保护数据。

大型磁盘阵列RAID技术一览表

RAID级

功能/应用

局限性

RAID0至少需要一个驱动器。

在各个磁盘驱动器上对文件进行条带化。

没有容错功能，容易出现故障。

如果一个驱动器出现故障，整个磁盘阵列将无法使用。

图像编辑·视频生产·预印应用

RAID1至少需要二个驱动器。

采用镜像方式——将完全相同的数据存储在两个驱动器中，具有高容错性和非常好的性能。

需要50%的容量专门用于故障保护。

将所需要的驱动器数量提高了一倍。

财务会计·薪资册·金融

RAID1+0至少需要四个驱动器。

采用镜像磁盘的条带化方式。

要求高性能和容错功能的数据库应用，但能够牺牲一定的存储效率。

RAID5至少需要三个驱动器。

pn表示一组奇偶校验信息

在所有的驱动器中存储一组奇偶校验数据。

当磁盘阵列中的一个驱动器出现故障时，能够有效地保护数据。

相对较低的容错性能。

整个磁盘阵列仅能承受一个驱动器的故障，因此对于大型磁盘阵列是十分危险的。

●事务处理

●文件和应用服务器

●ERP

●互联网和企业内部互联网服务器

惠普的RAID高级数据保护至少需要四个驱动器。

Pn和Qn表示两组奇偶校验信息

在所有的驱动器中存储了两组奇偶校验数据。

当磁盘阵列中的二个驱动器出现故障时，能够有效地保护数据。

比RAID5具有更高的容错性能。

比其它RAID方法降低了写性能

需要比RAID5具有更高容错性能的24x7（每周7天、每天24小时服务）应用。

RAIDADG具有最佳的容错性能通常，在描述RAID配置时，“可靠性”和“容错性”是可以互换的；然而，二者之间还是有区别的。

可靠性指的是个别的驱动器或驱动器阵列持续工作而不发生故障的可能性。

可靠性一般是在一段时间内衡量的。

尽管可靠性对于客户来说是一项非常重要的指标，但它指的是个别阵列部件的可靠性，而不是RAID技术。

与此不同的是，容错性指的是承受和恢复故障的能力，与磁盘驱动器的可靠性无关。

容错性是通过某种冗余度来实现的，例如镜像、奇偶校验或二者的结合，容错性一般是通过整个磁盘阵列无故障情况下允许故障的驱动器的数目来衡量的。

各种RAID级的容错性能如下：

★RAID0不具有容错性能，因为它没有采用任何冗余度。

如果一个物理驱动器出现故障，整个阵列将无法使用。

★对于RAID1或1+0,假定故障的驱动器不互为镜像，那么整个磁盘阵列正常工作情况下允许故障的硬盘驱动器的最大数目是n/2。

实际上，在达到这一最大数目之前，逻辑驱动器往往已经出现了故障，因为随着故障数目的增加，最近发生故障的驱动器与以前故障的驱动器不为镜像的概率变得越来越小。

当一个驱动器及其镜像驱动器同时故障时，RAID1+0阵列才会发生故障，但是随着镜像对数目的增加，出现这种情况的概率将会减小。

★RAID5能够承受一个物理驱动器的故障。

当两个驱动器同时出现故障时，磁盘阵列将失效。

★RAIDADG能够承受二个物理驱动器的故障。

当三个硬盘驱动器同时出现故障时，整个磁盘阵列将失效。

当驱动器出现故障，并且错误发生在另一个驱动器的单独扇区时，RAIDADG还能够有效地防止数据丢失，这对于驱动器故障和好驱动器出现介质损坏之后的数据重建是十分重要的。

尽管RAID1和RAID1+0比RAID5具有更好的容错性能，但这种保护功能的代价也是非常昂贵的，因为50%的驱动器是专门用来进行容错保护的。

对于RAID5配置，我们建议每个阵列所使用的物理驱动器不要超过14个，因为随着硬盘驱动器的增加，驱动器阵列故障的可能性也将增大。

对于超过14个驱动器的阵列，我们推荐使用RAIDADG，因为它具有较好的容错性能和存储效率。

对于每个阵列，RAIDADG最多支持使用56个物理驱动器，因为这是四通道惠普SmartArray控制器所能物理连接的最大数目的硬盘驱动器。

RAIDADG是一个具有成本效率的解决方案每个RAID解决方案的成本效率就是阵列的总成本和它的可用容量之间的均衡。

总成本中包括阵列中所有驱动器的成本，而可用容量仅包括那些存储非冗余数据（不是奇偶校验数据，也不是镜像数据）的驱动器。

评估成本效率的一个方法是比较各个RAID级的每千兆字节可用容量的成本。

另一个评估成本效率的有用方法是比较存储效率——可用容量除以所有驱动器的总容量。

需要注意的一个重要因素是，任何RAID阵列的可用容量受到阵列中最小的硬盘驱动器的容量限制；较大驱动器上的额外容量是没有用的。

例如，某个阵列由四个驱动器组成（40GB、60GB、60GB和60GB），那么其可用容量为4x40GB，即160GB。

为了最大限度地提高存储效率，所有RAID阵列中的驱动器都应具有相同的容量。

如果不同容量的驱动器连接在同一个控制器上，那么就可以建立多个阵列，使阵列只包含相同容量的驱动器。

表中列出了各种RAID级的存储效率，RAID1和RAID1+0的存储效率是一个常量，RAID5和RAIDADG的存储效率则随着驱动器数量的不同而变化。

在RAID5和RAIDADG配置中，奇偶校验驱动器的数目是固定的（RAID5有一个奇偶校验驱动器，RAIDADG有二个奇偶校验驱动器），因此，它们的存储效率随着驱动器数目的增加而提高。

如表所示，RAID1和1+0的存储效率最低，只有50%；因此，对于大型磁盘阵列，它们是成本效