摘要:本文介紹了RAID 1技術(shù),并結(jié)合RAID 1技術(shù)提出了對一些單硬盤DCS工作站(Distributed Control System)進(jìn)行可靠性提升的改進(jìn)方案,避免了單硬盤DCS工作站因硬盤單一故障導(dǎo)致不可用的情況,從而提高了工作站的可靠性。本文可為類似的DCS工作站改造提供借鑒。
關(guān)鍵詞:DCS工作站;冗余磁盤陣列;固態(tài)硬盤
1.概述
工作站是DCS系統(tǒng)的重要組成部分,其可靠性直接影響到DCS系統(tǒng)的運(yùn)行。十年前投用的DCS系統(tǒng)一般選用的都是32位的機(jī)架式工作站。以某電廠選用的Dell Precision 5400為例,其配置為單塊機(jī)械硬盤,經(jīng)過十年持續(xù)不斷的運(yùn)行,現(xiàn)已到了故障高發(fā)期,而市面上新型的64位工作站無法與原有的DCS軟件兼容。如何提升工作站的可靠性是該電廠面臨的問題。本文介紹了一種通過配置磁盤冗余陣列、升級固態(tài)硬盤提升工作站可靠性的方案。
2.某電廠DCS工作站現(xiàn)狀
某電廠設(shè)計(jì)時(shí)其工作站選用的是Dell Precision 5400機(jī)架式工作站,配置單塊機(jī)械硬盤(實(shí)際硬盤槽位有兩個(gè),支持冗余磁盤插口),未配置冗余磁盤陣列?,F(xiàn)工作站已連續(xù)運(yùn)行十年,硬盤作為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的主要部件,現(xiàn)到了故障的高發(fā)期。一旦出現(xiàn)硬盤故障,將導(dǎo)致站點(diǎn)離線,將對主控室操作、監(jiān)視功能造成影響。若更換硬盤,需要重裝系統(tǒng)、打補(bǔ)丁,重新進(jìn)行軟件配置等,大約需16小時(shí)左右,將影響電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
一般對于工作十年以上的工作站故障,首選的是整體升級替換。調(diào)研發(fā)現(xiàn)Dell Precision 5400機(jī)架式工作站現(xiàn)已停產(chǎn),目前Dell最新在售可選機(jī)架式工作站為Dell Precision R7920。根據(jù)官網(wǎng)配置選型,Dell Precision R7920可以選配RAID卡硬盤配置。在現(xiàn)工作站停產(chǎn)的情況下,若升級為新型號且具有磁盤冗余陣列的工作站,將大大提高工作站的可靠性。但進(jìn)一步研究及實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),目前官網(wǎng)Dell Precision Rack 7920工作站及市面上其它新型號的64位工作站均無法與原有的DCS軟件兼容,若將工作站整體升級,需要找DCS供貨商將DCS軟件同步升級,費(fèi)用昂貴。如何在現(xiàn)有工作站的基礎(chǔ)上提高工作站的可靠性是該電廠目前需要解決的問題。
3.RAID1技術(shù)
RAID(Redundant Array of Independent Disks)即獨(dú)立磁盤冗余陣列,是由多個(gè)獨(dú)立的高性能磁盤驅(qū)動(dòng)器組成的磁盤子系統(tǒng),從而提供比單個(gè)磁盤更高的存儲(chǔ)性能和數(shù)據(jù)冗余的技術(shù)。RAID 的初衷是為大型服務(wù)器提供高端的存儲(chǔ)功能和冗余的數(shù)據(jù)安全。在整個(gè)系統(tǒng)中,RAID 被看作是由兩個(gè)或更多磁盤組成的存儲(chǔ)空間,通過并發(fā)地在多個(gè)磁盤上讀寫數(shù)據(jù)來提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的 I/O 性能。大多數(shù) RAID 等級具有完備的數(shù)據(jù)校驗(yàn)、糾正措施,從而提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性,大大增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。
RAID1磁盤陣列也稱為鏡像,它將數(shù)據(jù)完全一致地分別寫到“工作磁盤”和“鏡像磁盤”。RAID1磁盤陣列提供了很高的數(shù)據(jù)安全性和可用性,當(dāng)一個(gè)硬盤失效時(shí),系統(tǒng)可以自動(dòng)切換到鏡像硬盤上讀/寫,并且不需要重組失效的數(shù)據(jù)。RAID 1磁盤陣列支持“熱交換”,就是說陣列中硬盤的移除或替換可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行,無須中斷退出系統(tǒng)。RAID 1磁盤陣列是十分安全的,主要用在數(shù)據(jù)安全性很高,而且要求能夠快速恢復(fù)被破壞的數(shù)據(jù)的場合。
4.固態(tài)硬盤
固態(tài)硬盤(Solid State Disk或Solid State Drive,簡稱SSD),又稱固態(tài)驅(qū)動(dòng)器,是用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列制成的硬盤。與傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤相比,其最大的優(yōu)點(diǎn)是讀寫速度快,同時(shí)還有防震抗摔性好、無噪音、工作溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)。
讀寫速度:固態(tài)硬盤持續(xù)讀寫速度可達(dá)到500MB/s,7200轉(zhuǎn)的機(jī)械硬盤的讀寫速度一般為100MB/s。與之相關(guān)的還有極低的存取時(shí)間,最常見的7200轉(zhuǎn)機(jī)械硬盤的尋道時(shí)間一般為12-14毫秒,而固態(tài)硬盤可以輕易達(dá)到0.1毫秒甚至更低。
防震抗摔性:傳統(tǒng)硬盤都是磁碟型的,數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在磁碟扇區(qū)里。而固態(tài)硬盤是使用閃存顆粒(即MP3、U盤等存儲(chǔ)介質(zhì))制作而成,所以SSD固態(tài)硬盤內(nèi)部不存在任何機(jī)械部件,這樣即使在高速移動(dòng)甚至伴隨翻轉(zhuǎn)傾斜的情況下也不會(huì)影響到正常使用,而且在發(fā)生碰撞和震蕩時(shí)能夠?qū)?shù)據(jù)丟失的可能性降到最小。相較傳統(tǒng)硬盤,固態(tài)硬盤占有絕對優(yōu)勢。
無噪音:固態(tài)硬盤沒有機(jī)械馬達(dá)和風(fēng)扇,工作時(shí)噪音值為0分貝?;陂W存的固態(tài)硬盤在工作狀態(tài)下能耗和發(fā)熱量較低(但高端或大容量產(chǎn)品能耗會(huì)較高)。內(nèi)部不存在任何機(jī)械活動(dòng)部件,不會(huì)發(fā)生機(jī)械故障,也不怕碰撞、沖擊、振動(dòng)。由于固態(tài)硬盤采用無機(jī)械部件的閃存芯片,所以具有了發(fā)熱量小、散熱快等特點(diǎn)。
工作溫度范圍大:典型的機(jī)械硬盤驅(qū)動(dòng)器只能在5到55攝氏度范圍內(nèi)工作。而大多數(shù)固態(tài)硬盤可在-10~70攝氏度工作。固態(tài)硬盤比同容量機(jī)械硬盤體積小、重量輕。固態(tài)硬盤的接口規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的相同,在產(chǎn)品外形和尺寸上也與普通硬盤一致。其芯片的工作溫度范圍很寬(-40~85攝氏度)。
因此對于舊的DCS工作站,通過將機(jī)械硬盤替換為固態(tài)硬盤的方式也可以大幅提高其運(yùn)行速度及綜合性能。
5.改進(jìn)方案
本案例中的Dell Precision 5400機(jī)架式工作站,由于其支持冗余磁盤插口,只需采購對應(yīng)的固態(tài)硬盤,完成RAID1磁盤陣列配置后,進(jìn)行功能驗(yàn)證即可。
對于不支持冗余磁盤插口的機(jī)架式工作站,需額外采購冗余磁盤陣列卡。步驟如下:
1) 安裝新的冗余磁盤陣列卡,使用SATA線纜直接連接新的冗余磁盤陣列卡至原SATA硬盤接口;
2) 在更換件Precision R5400中的啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)進(jìn)入相關(guān)BIOS配置硬盤,檢查是否可配置為RAID 1;
3)使用原有的DCS相關(guān)軟件對改造后的工作站進(jìn)行重裝;
4)測試相關(guān)硬盤性能、整體系統(tǒng)性能。
改造后的工作站支持硬盤在線更換。出現(xiàn)故障后,相比原重裝的處理方式,大大降低了系統(tǒng)的不可用時(shí)間,從而保障了整個(gè)電廠的安全可靠運(yùn)行,同時(shí)減少了維修工作量及運(yùn)維成本。
6.結(jié)語
對于一些投用時(shí)間較長的DCS工作站,現(xiàn)在面臨著工作站停產(chǎn)、故障率高發(fā)諸多問題,影響了系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。本文結(jié)合已有的RAID 1冗余磁盤陣列技術(shù)及固態(tài)硬盤技術(shù),提出了一種最低成本的改造方案,在提高工作站性能的同時(shí),也消除了單一硬盤故障對系統(tǒng)不可用的影響??蔀橥愋偷腄CS工作站改造提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn):
[1]周偉 劉琨.RAID技術(shù)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的應(yīng)用研究[J].攀枝花學(xué)院學(xué)報(bào).2006年(2).
[2]陳華英.磁盤陣列RAID可靠性分析[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào).2006(6)
作者簡介:何凡帆(1983-),男,供職于浙江省三門核電有限公司維修處,研究方向:數(shù)字化儀控系統(tǒng)。