存儲基本知識介紹

1、浙江宇視科技有限公司 存儲基本知識介紹 日期：200804密級：對內(nèi)公開2A 硬盤的基本知識B RAID的基本知識 C 網(wǎng)絡(luò)存儲的基本概念D 存儲采用的標準協(xié)議目錄3A. 硬盤的基本知識 我們對硬盤的認識，大都是通過產(chǎn)品的外型、性能指標特征和網(wǎng)站公布的性能評測報告等方面去了解，但是硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)究竟是怎么樣的？硬盤的讀寫原理是什么？大多數(shù)人可能不是很清楚了。本文通過介紹如下四點，以便大家對硬盤有更深的認識。 硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu) 硬盤工作原理 硬盤接口類型 硬盤性能指標4A1. 硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu) 硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)由固定面板、控制電路板、磁頭、盤片、主軸、電機、接口及其它附件組成。其中磁頭盤片組件是構(gòu)成硬盤的核

2、心，它封裝在硬盤的凈化腔體內(nèi)，包括有浮動磁頭組件、磁頭驅(qū)動機構(gòu)、盤片、主軸驅(qū)動裝置及前置讀寫控制電路等部分。如右圖：5A2. 硬盤工作原理簡單來講，硬盤的工作原理是利用特定的磁粒子的極性來記錄數(shù)據(jù)。磁頭在讀取數(shù)據(jù)時，將磁粒子的不同極性轉(zhuǎn)換成不同的電信號，再利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將這些原始信號變成電腦可以使用的數(shù)據(jù)，寫的操作正好與此相反。6A3. 硬盤接口類型 ATA、SATA、SCSI、SAS、FC這五種硬盤是目前存儲領(lǐng)域通用的五種硬盤。1. ATA接口ATA：Advanced Technology Attachment ，俗稱ID E。它使用一個40芯電纜與主板進行連接，采用并行總線的方式，最初 的

3、設(shè)計只能支持兩個硬盤。ATA硬盤可靠性較低，一般只支持58小時工作時間，要求工作負荷小，被廣泛應(yīng)用于個人電腦存儲。ATA、PATA及IDE實際上是同一種接口，只是在不同歷史時期由不同的廠家產(chǎn)生的不同叫法。7A3. 硬盤接口類型2. Serial ATA：Serial AdvancedTechnologyAttachment 也就是串行ATA（Serial ATA）。 SATA接口速率比IDE接口高，最低為150MBps，并且300MBps接口硬盤已經(jīng)形成商用，規(guī)劃內(nèi)的最高速率可達600MBps，而IDE硬盤目前最高速率為133MBps，遠遠低于SATA接口。SATA硬盤采用點對點連接方式，支持

4、熱插拔。SATA硬盤采用7針細線纜而不是大家常見的40/80針扁平硬盤線作為傳輸數(shù)據(jù)的通道。細線纜的優(yōu)點在于它很細，因此彎曲起來非常容易，并且不占空間。8A3. 硬盤接口類型3. SCSI：Small Computer System Interface，小型計算機系統(tǒng)接口。SCSI硬盤性能優(yōu)異，可靠性高，是傳統(tǒng)的企業(yè)存儲硬盤，應(yīng)用于中高端存儲領(lǐng)域。目前SCSI硬盤采用并行接口，有68針及80針兩種。接口速率發(fā)展到320MBps，基本已經(jīng)達到極限，將來必被其串行版本SAS硬盤所替代。SCSI硬盤轉(zhuǎn)速為1萬轉(zhuǎn)或1萬5千轉(zhuǎn)，容量較小，最高可達300GB。SCSI硬盤采用總線式連接，一條SCSI總線最

5、多掛接16個設(shè)備，每個設(shè)備被分配一個ID，通過總線仲裁來獲得總線訪問權(quán)。9A3 . 硬盤接口類型4. SAS：Serial Attached SCSI，串行SCSI接口。SAS硬盤是SCSI硬盤的串行版本，由原來的并行總線發(fā)展為串行總線。SAS是一種點對點、全雙工、雙端口的接口，提供3.0Gbit/s的傳輸率，規(guī)劃到12.0Gbit/s。支持在SATA兼容的電纜和連接器上傳輸SCSI協(xié)議，兼?zhèn)銼CSI所具有的易管理性和可靠性，而且可以提升性能和可伸縮性。SAS硬盤定位于中高端存儲應(yīng)用，可靠性和性能都很高。SAS硬盤一般都提供兩個SAS接口，可同時使用或互為備份，適用于主流的服務(wù)器和企業(yè)存儲。S

6、AS的連接器，與SATA比較相似，SAS連接器可以接SATA的硬盤，但SATA的連接器不能接SAS的硬盤。10A3. 硬盤接口類型 5. FC 光纖通道其實是對一組標準的稱呼，這組標準用以定義通過銅纜或光纜進行串行通信從而將網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點相連接所采用的機制。光纖通道標準由美國國家標準協(xié)會。（AmericanNationalStandardsInstitute，ANSI）開發(fā)，為服務(wù)器與存儲設(shè)備之間提供高速連接。光纖通道是一種跟SCSI或IDE有很大不同的接口，是一種可以提高多硬盤存儲系統(tǒng)的速度和靈活性而設(shè)計的高性能接口。FC硬盤定位于高端存儲應(yīng)用，可靠性和性能高。11A4. 硬盤性能指標 影響硬

7、盤速度的技術(shù)指標很多，如轉(zhuǎn)速、磁頭形式、數(shù)據(jù)傳輸率、尋道時間、緩沖區(qū)容量等，下面講述一下性能指標的具體意義。硬盤的轉(zhuǎn)速-硬盤盤片每分鐘轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。平均尋道時間-指硬盤在盤面上移動磁頭至指定磁道所需要的平均時間。平均潛伏時間-指磁頭從到達目標磁道到數(shù)據(jù)開始傳輸?shù)臅r間。平均訪問時間-平均尋道時間與平均潛伏時間的總和.緩沖區(qū)-硬盤內(nèi)部存儲和外界接口之間的緩沖器，該指標指在硬盤內(nèi)部的高速存儲器。S.M.A.R.T-是自動監(jiān)測分析報告技術(shù)。12B. RAID的基本知識 RAID 是Redundant Array of Inexpensive Disks（中文直譯為廉價磁盤冗余陣列）的縮寫，是將一系列單獨

8、的磁盤以不同的方式組合起來，為一個應(yīng)用主機或主機集群提供一個邏輯上的磁盤。使用RAID的好處是能夠擴大磁盤容量、提高磁盤讀取的性能和數(shù)據(jù)的安全性。 RAID技術(shù)經(jīng)過不斷的發(fā)展，現(xiàn)在已擁有了從 RAID 0 到 RAID5的 6種明確標準級別的RAID級別。另外，其他還有RAID6、RAID7、RAID10（RAID 1與RAID 0的組合）、RAID01（RAID 0與RAID 1的組合）、RAID30（RAID 3與RAID 0的組合）、RAID50（RAID 5與RAID 0的組合）等。 不同RAID 級別代表著不同的存儲性能、數(shù)據(jù)安全性和存儲成本，下面將介紹如下RAID級別：RAID0、

9、RAID1、RAID2、RAID3、RAID4、RAID5、RAID6、RAID01、RAID10。13B1. RAID0 RAID0 全稱叫做Striped Disk Array without Fault Tolerance(沒有容錯設(shè)計的條帶磁盤陣列)。RAID0 在存儲數(shù)據(jù)時由RAID 控制器將數(shù)據(jù)分成一定的大小順序的寫道陣列的磁盤里，RAID0可以并行的執(zhí)行讀寫操作，可以充分利用總線的帶寬，理論上講，一個由N個磁盤組成的RAID0系統(tǒng)，它的讀寫性能將是單個磁盤讀取性能的N倍。且磁盤空間的存儲效率最大（100）RAID0有一個明顯的缺點：不提供數(shù)據(jù)冗余保護，一旦數(shù)據(jù)損壞，將無法恢復(fù)。

10、14B1. RAID0 15B2. RAID1 RAID1全稱叫Mirroring and Duplexing（相互鏡像）。它將數(shù)據(jù)完全一致的分別寫到工作磁盤和鏡像磁盤，因此它的磁盤空間利用率為50，在數(shù)據(jù)寫入時時間會有影響，但是讀的時候沒有任何影響，RAID1提供了最佳的數(shù)據(jù)保護，一旦工作磁盤發(fā)生故障，系統(tǒng)自動從鏡像磁盤讀取數(shù)據(jù)，不會影響用戶工作。16B2. RAID117B3. RAID 2 RAID2稱為糾錯海明碼磁盤陣列，陣列中序號為2N的磁盤（第1、2、4、6）作為校驗盤，其余的磁盤用于存放數(shù)據(jù)，磁盤數(shù)目越多，校驗盤所占比率越少。RAID2在大數(shù)據(jù)存儲額情況下性能很高，但由于花費太大

11、，成本昂貴， RAID2的實際應(yīng)用很少。18B4. RAID 3 RAID3采用一個硬盤作為校驗盤，其余磁盤作為數(shù)據(jù)盤，數(shù)據(jù)按位或字節(jié)的方式交叉的存取到各個數(shù)據(jù)盤中。不同磁盤上同一帶區(qū)的數(shù)據(jù)做異或校驗，并把校驗值寫入到校驗盤中。RAID3系統(tǒng)在完整的情況下讀取時沒有任何性能上的影響，讀性能與RAID0一致，卻提供了數(shù)據(jù)容錯能力，但是，在寫時性能大為下降，因為每一次寫操作，即使是改動某個數(shù)據(jù)盤上的一個數(shù)據(jù)塊，也必須根據(jù)所有同一帶區(qū)的數(shù)據(jù)來重新計算校驗值寫入到校驗盤中，一個寫操作包含了寫入數(shù)據(jù)塊，讀取同一帶區(qū)的數(shù)據(jù)塊，計算校驗值，寫入校驗值等操作，系統(tǒng)開銷大為增加。19B4. RAID 3 20B

12、5. RAID 4 RAID4與RAID3基本一致，區(qū)別在于條帶化的方式不一樣，RAID4按照塊的方式存放數(shù)據(jù)，所以在寫操作時只涉及兩塊磁盤，數(shù)據(jù)盤和校驗盤，提高了系統(tǒng)的IO性能。但面對隨機的分散的寫操作，單一的校驗盤往往成為性能瓶頸。21B6. RAID 5 RAID5與RAID3的機制相似，但是數(shù)據(jù)校驗的信息被均勻的分散到的陣列的各個磁盤上，這樣就不存在并發(fā)寫操作時的校驗盤性能瓶頸。陣列的磁盤上既有數(shù)據(jù)，也有數(shù)據(jù)校驗信息，數(shù)據(jù)塊和對應(yīng)的校驗信息會存儲于不同的磁盤上，當一個數(shù)據(jù)盤損壞時，系統(tǒng)可以根據(jù)同一帶區(qū)的其他數(shù)據(jù)塊和對應(yīng)的校驗信息來重構(gòu)損壞的數(shù)據(jù)。 RAID 5可以理解為是RAID 0和

13、RAID 1的折衷方案。RAID 5可以為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)安全保障，但保障程度要比RAID1低而磁盤空間利用率要比RAID1高。RAID 5具有和RAID 0相近似的數(shù)據(jù)讀取速度，只是多了一個奇偶校驗信息，寫入數(shù)據(jù)的速度比對單個磁盤進行寫入操作稍慢。同時由于多個數(shù)據(jù)對應(yīng)一個奇偶校驗信息，RAID 5的磁盤空間利用率要比RAID 1高，存儲成本相對較低。 RAID5在數(shù)據(jù)盤損壞時的情況和RAID3相似，由于需要重構(gòu)數(shù)據(jù)，性能會受到影響。22B6. RAID 5 23B6. RAID 524B8. RAID 50 RAID50是RAID5和RAID0的結(jié)合，RAID50 數(shù)據(jù)分布按照如下方式來組織：

14、首先將分為N組磁盤，然后將每組磁盤做RAID5，最后將N組RAID5條帶化。25C 網(wǎng)絡(luò)存儲的基本概念 網(wǎng)絡(luò)存儲有DAS(Direct Attached Storage) 、 NAS （Network Attached Storage,網(wǎng)絡(luò)附加存儲)和 SAN （Storage Area Network 存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）三種。DAS和NAS的存儲方式，由于受容量、數(shù)據(jù)傳輸率、網(wǎng)絡(luò)帶寬等問題的影響，而且性能和可擴展性方面存在不足，從發(fā)展的趨勢看，未來的存儲會向著SAN的存儲方式靠攏。26C1. DAS 采用直接外掛存儲DAS方案是將RAID硬盤陣列等各種存儲設(shè)備通過諸如IDE或SCSI等I/O總線

15、與服務(wù)器直接相連。 這種方案適用對數(shù)據(jù)存儲需求不大的情況，單個服務(wù)器僅僅需要外接較低容量的存儲設(shè)備，就可以滿足數(shù)據(jù)存儲的需求。隨著對視頻處理、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的需求增加，數(shù)據(jù)存儲需求越來越大，DAS很快就不能滿足數(shù)據(jù)存儲和管理的需求。27C2. NAS NAS：NAS服務(wù)器是專用于數(shù)據(jù)存儲的，包括存儲器件（例如磁盤陣列、CD/DVD驅(qū)動器、磁帶驅(qū)動器或可移動的存儲介質(zhì)）和內(nèi)嵌系統(tǒng)軟件，直接連到以太網(wǎng)上，不再掛接于服務(wù)器后端，增加和移除NAS服務(wù)器操作不會中斷網(wǎng)絡(luò)的運行。 NAS更加適合文件級別上的數(shù)據(jù)處理，提供跨平臺文件共享，將負載從應(yīng)用或企業(yè)服務(wù)器上卸載下來，有效降低總擁有成本，保護用戶投資。數(shù)據(jù)

16、備份過程需要占用網(wǎng)絡(luò)帶寬。28C3. SAN FC SAN：采用Fibre Channel等存儲專用協(xié)議，通過光纖通道交換機等連接設(shè)備，使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與多種存儲設(shè)備連接在一個高速專用獨立于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)采用FCP協(xié)議以塊方式存取，不占用服務(wù)器運算處理的網(wǎng)絡(luò)帶寬。 IP SAN：使用以太網(wǎng)代替光纖通道（Fibre Channel）網(wǎng)和使用iSCSI協(xié)議代替FCP協(xié)議，進行塊狀數(shù)據(jù)存儲訪問的SAN。 FC SAN、IP SAN都要有存儲管理軟件（如卷管理、數(shù)據(jù)的快照、鏡像、備份、恢復(fù)、歸檔等等）。29C3. SAN 在FC SAN 中，服務(wù)器側(cè)要有FC HBA卡，存儲設(shè)備側(cè)要有FC的接口，中間

17、還要有專門的光纖通道交換機，才能構(gòu)建一個獨立的存儲網(wǎng)絡(luò)。 在IP SAN中，SERVER側(cè)只要有iSCSI HBA卡或軟件的iSCSI Initiator，存儲設(shè)備側(cè)有支持iSCSI的接口，中間使用普通的以太網(wǎng)交換機和路由器，就可以構(gòu)建一個存儲網(wǎng)絡(luò)。30D 存儲采用的標準協(xié)議 存儲網(wǎng)關(guān)設(shè)備支持兩類技術(shù)：光纖通道技術(shù)和IP存儲技術(shù)。 IP存儲技術(shù)包含：iSCSI、FCIP、iFCP等，光纖通道技術(shù)包含F(xiàn)C-PH、FCP、FC-SW、FC-FS、FC-FG等。 iSCSI（Small Computer Systems Interface over IP）是IETF提出的基于IP協(xié)議的技術(shù)標準，把S

18、CSI 命令和數(shù)據(jù)幀壓縮為IP幀傳輸，實現(xiàn)了SCSI和TCP/IP協(xié)議的連接。對于以局域網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的用戶，只需要不多的投資，就可以方便、快捷的對信息和數(shù)據(jù)進行交互式傳輸和管理。 FCIP（ Fibre Channel over IP）是IETF與ANSI共同提出的基于IP的光纖通道方案，采用這種模式，光數(shù)據(jù)幀被壓縮為IP幀傳輸,在兩個SAN之間通過IP網(wǎng)絡(luò)建立點到點的隧道，構(gòu)成一個統(tǒng)一的SAN環(huán)境。 iFCP在FC與IP之間建立網(wǎng)關(guān)到網(wǎng)關(guān)的連接，使FC幀可以路由到正確的目的地址。它可以允許每一個互聯(lián)的SAN都擁有自己獨立的命名空間。實現(xiàn)起來也比FCIP復(fù)雜。 iSNS是Internet Storage Name Service ，提供智能的存儲發(fā)現(xiàn)和管理業(yè)務(wù)。31D 存儲采用的標準協(xié)議ISCSI協(xié)議 iSCSI協(xié)議中采用網(wǎng)絡(luò)實體（Network Entity）來描述連接于IP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備或網(wǎng)關(guān)。一個網(wǎng)絡(luò)實體必須包含一個或多個網(wǎng)絡(luò)入口（portal）。網(wǎng)絡(luò)實體中的一個iSCSI節(jié)點可以通過其中任意一個網(wǎng)絡(luò)入口來接入IP網(wǎng)絡(luò)。iSCSI節(jié)點（iSCSI