《輔存及磁盤陣列》課件

輔存及磁盤陣列輔存存儲設備在計算機系統(tǒng)中扮演著重要的角色,提供了海量的存儲容量來滿足數(shù)據(jù)保存和業(yè)務運行的需求。磁盤陣列作為一種先進的數(shù)據(jù)存儲技術,通過使用多塊硬盤并行工作來提高存儲性能和可靠性,在各行各業(yè)得到廣泛應用。課程目標掌握輔存技術通過學習輔存的分類和特點,了解不同類型輔存設備的工作原理和應用場景。理解磁盤陣列系統(tǒng)學習磁盤的結構和訪問特性,掌握RAID技術的分類及其原理,了解磁盤陣列系統(tǒng)的關鍵特性。學習邏輯卷管理掌握邏輯卷管理的概念和工作原理,了解LVM的基本操作和容災特性。輔存的分類和特點輔存分類根據(jù)存儲介質(zhì)的不同,可分為磁性存儲器、光學存儲器和固態(tài)存儲器等類型。存儲特點輔存具有存儲容量大、訪問速度較慢、易受磁場干擾的特點。不適合直接運行程序,主要用于數(shù)據(jù)存儲。非直接訪問輔存需要通過操作系統(tǒng)和儲存控制器才能訪問,無法像主存一樣直接訪問。磁盤的結構和工作原理現(xiàn)代硬盤由一系列精密構造的圓形磁盤組成,這些磁盤采用特殊的磁性材料制成,表面覆蓋有磁性涂層。硬盤會使用電磁讀寫頭在磁盤表面讀寫數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)信息的存儲和讀取。硬盤的結構和工作原理決定了其在容量、速度和可靠性等方面的特點。磁盤的訪問特性磁盤訪問分為隨機訪問和順序訪問兩種模式。隨機訪問指根據(jù)需要訪問磁盤的任意位置，而順序訪問則是按照磁盤的物理位置順序進行訪問。相比之下，順序訪問的延遲時間更短,吞吐量也更高,但隨機訪問可以更靈活地滿足不同應用場景的需求。磁盤的容量和性能參數(shù)容量磁盤驅(qū)動器的存儲容量可從數(shù)十GB到數(shù)TB不等，隨著技術進步呈持續(xù)增加趨勢。轉(zhuǎn)速普通桌面級磁盤轉(zhuǎn)速一般在5400-7200rpm，而服務器級磁盤可達10000-15000rpm。訪問時間訪問時間包括尋道時間和旋轉(zhuǎn)延遲。典型值從數(shù)毫秒到數(shù)十毫秒不等。帶寬磁盤的吞吐量從幾十MB/s到200MB/s不等，取決于轉(zhuǎn)速、接口速度以及緩存大小。磁盤的主要故障類型磁頭損壞磁頭由于長時間使用或意外撞擊而磨損變形，影響磁盤讀寫。磁盤表面損壞磁盤表面受到刮痕、污染或靜電等因素的破壞，造成數(shù)據(jù)丟失。電路故障磁盤驅(qū)動器的電路板因老化或受潮而發(fā)生故障，導致讀寫失敗。機械故障磁盤馬達、軸承等機械部件磨損或卡住，影響磁盤的正常旋轉(zhuǎn)。磁盤陣列系統(tǒng)的概念磁盤陣列系統(tǒng)是一種通過將多個獨立的物理硬盤組合成一個邏輯單元的存儲技術。通過采用不同的RAID技術,可以提高數(shù)據(jù)的可靠性、容量和性能,為應用程序提供穩(wěn)定高效的存儲支持。RAID的分類1基于磁盤冗余的RAID通過將數(shù)據(jù)分布在多個磁盤上來提高數(shù)據(jù)可靠性和讀寫性能,包括RAID0、RAID1、RAID3、RAID5和RAID6。2基于數(shù)據(jù)備份的RAID通過將數(shù)據(jù)備份到備用磁盤來提高數(shù)據(jù)可靠性,包括RAID1和RAID10。3混合RAID模式結合多種RAID模式的優(yōu)點,如RAID50和RAID60,提供更高的性能和可靠性。RAID0-條帶化1數(shù)據(jù)條帶化RAID0將數(shù)據(jù)分成小塊并平均分布在多個磁盤上,以提高讀寫速度。2無冗余性由于RAID0不提供任何數(shù)據(jù)冗余,當一個磁盤發(fā)生故障時,整個陣列的數(shù)據(jù)都會丟失。3最高性能RAID0的讀寫性能是所有RAID級別中最高的,非常適合對I/O要求很高的應用。RAID1-鏡像1兩個磁盤將數(shù)據(jù)同步復制到兩個獨立的磁盤驅(qū)動器上2數(shù)據(jù)冗余任何一個驅(qū)動器發(fā)生故障時,仍可使用另一個驅(qū)動器3可靠性高單點故障時也可以保持數(shù)據(jù)的完整性RAID1是最簡單也是最可靠的RAID級別。它通過在兩個獨立的物理磁盤上完全復制數(shù)據(jù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余,保證了系統(tǒng)的高可用性。當一個磁盤出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)仍然可以正常運行,不會造成數(shù)據(jù)丟失。RAID3-奇偶校驗1數(shù)據(jù)條帶將數(shù)據(jù)分成小塊條帶式存儲2奇偶校驗塊生成校驗數(shù)據(jù)塊以實現(xiàn)容錯3并行讀寫提高數(shù)據(jù)傳輸速度和吞吐量RAID3是一種基于奇偶校驗的條帶化磁盤陣列。它通過將數(shù)據(jù)分成小塊并行存儲到多個磁盤上來提高讀寫性能,同時生成校驗數(shù)據(jù)塊以確保數(shù)據(jù)的完整性和容錯能力。該模式適用于需要高吞吐量的應用場景,如流式媒體和科學計算等。RAID5-分布式奇偶校驗數(shù)據(jù)塊條帶化將數(shù)據(jù)分割成多個塊,并按照一定的規(guī)則進行條帶化存儲。奇偶校驗計算將每個數(shù)據(jù)塊的奇偶校驗信息分布存儲在不同的磁盤上。容錯機制當有一個磁盤發(fā)生故障時,可以利用其他磁盤上的奇偶校驗信息進行數(shù)據(jù)恢復。RAID6-雙重奇偶校驗1數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)存儲在磁盤上2奇偶校驗1基于數(shù)據(jù)計算的校驗碼3奇偶校驗2對奇偶校驗1再次計算的校驗碼RAID6采用雙重奇偶校驗的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余,允許同時出現(xiàn)兩塊磁盤故障而不會丟失數(shù)據(jù)。通過計算兩組獨立的校驗數(shù)據(jù)塊,即使有兩塊磁盤同時出現(xiàn)故障,系統(tǒng)仍然能通過這兩組校驗數(shù)據(jù)恢復原始數(shù)據(jù)。這種機制可以有效提高數(shù)據(jù)的可靠性和容錯能力。RAID10-條帶化和鏡像1條帶化將數(shù)據(jù)分布在多個磁盤上2鏡像每個數(shù)據(jù)塊有兩個副本3容錯可以容忍單個磁盤故障RAID10是在RAID0和RAID1的基礎上結合兩種技術而形成的磁盤陣列方式。它將數(shù)據(jù)條帶化并同時鏡像到其他磁盤，兼具了高性能和數(shù)據(jù)冗余的優(yōu)點。即使單個磁盤發(fā)生故障,也能確保數(shù)據(jù)的完整性和可用性。RAID的性能分析5性能倍增RAID能提高存儲系統(tǒng)的讀寫性能,最高可達原有性能的5倍。50%讀取性能RAID0能提升50%以上的隨機讀取性能。80%寫入性能RAID5能提升80%以上的順序?qū)懭胄阅堋?0M吞吐量RAID10可達到40MB/s以上的高吞吐量。RAID的可靠性分析RAID系統(tǒng)的可靠性取決于多個因素,包括磁盤的故障率、重構時間等。我們通過比較不同RAID級別的可靠性特點,幫助用戶選擇合適的RAID方案。RAID級別可靠性特點RAID0沒有冗余,單磁盤故障會導致數(shù)據(jù)丟失。RAID1完全冗余,可承受單磁盤故障,但磁盤利用率低。RAID5分布式奇偶校驗,可承受單磁盤故障,恢復時間短。RAID6雙重奇偶校驗,可承受兩個磁盤故障,可靠性更高。磁盤陣列的容災特性數(shù)據(jù)冗余磁盤陣列采用RAID技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余備份,即使部分磁盤故障,也能保護數(shù)據(jù)不丟失。這是磁盤陣列的關鍵容災特性。熱備用磁盤陣列系統(tǒng)通常配備熱備用磁盤,當主磁盤出現(xiàn)故障時,熱備用磁盤可以快速接管,確保系統(tǒng)可用性。自動重建當有磁盤故障時,磁盤陣列能自動檢測并重建數(shù)據(jù),無需人工干預,大大提高了系統(tǒng)的可靠性。高可用性磁盤陣列采用多副本冗余保護,并支持熱插拔替換,系統(tǒng)整體具有很高的可用性。磁盤陣列的熱備用熱備用磁盤陣列系統(tǒng)中設置備用磁盤,當主要磁盤出現(xiàn)故障時,自動切換到備用磁盤,提高系統(tǒng)可靠性。自動切換當主盤出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)會自動檢測并迅速將負載切換至備用磁盤,減少故障時間和數(shù)據(jù)丟失。數(shù)據(jù)冗余熱備用確保了數(shù)據(jù)的冗余備份,防止重要數(shù)據(jù)的丟失,提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性。磁盤陣列的負載均衡動態(tài)調(diào)度通過實時監(jiān)控各磁盤的I/O負載,動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)在不同磁盤之間的分布,實現(xiàn)負載的動態(tài)均衡。智能條帶化根據(jù)不同磁盤的性能特點,采用智能的數(shù)據(jù)條帶化策略,將數(shù)據(jù)分布在最合適的磁盤上。虛擬分區(qū)將物理磁盤抽象成多個虛擬分區(qū),根據(jù)負載情況動態(tài)分配數(shù)據(jù)至不同的虛擬分區(qū)。熱點遷移檢測和識別存儲系統(tǒng)中的熱點數(shù)據(jù),并將其動態(tài)遷移到性能更好的磁盤上。磁盤陣列的管理集中監(jiān)控通過管理儀表盤,可對整個磁盤陣列系統(tǒng)進行全面監(jiān)控,掌握系統(tǒng)的運行狀態(tài)、性能指標和健康狀況。硬盤管理定期檢查硬盤狀態(tài),更換故障硬盤,優(yōu)化硬盤布局,確保系統(tǒng)的可靠性和性能。容量擴展根據(jù)業(yè)務需求,動態(tài)增加磁盤陣列的存儲容量,滿足不斷增長的數(shù)據(jù)存儲需求。系統(tǒng)升級及時升級固件和控制器軟件,提高系統(tǒng)的性能和可靠性,應對新的業(yè)務需求。邏輯卷管理邏輯卷管理是一種靈活的存儲管理技術,可以將多個物理磁盤組合成一個邏輯卷,提供更大的存儲空間和更強的數(shù)據(jù)可靠性。這種技術廣泛應用于企業(yè)級存儲系統(tǒng),是構建高性能、高可用存儲環(huán)境的關鍵。LVM的概念和組成LVM概念LVM即邏輯卷管理器（LogicalVolumeManager），是一個靈活的磁盤管理系統(tǒng)，提供了動態(tài)擴展、收縮和重新配置存儲的功能。LVM組成LVM由物理卷（PhysicalVolumes）、卷組（VolumeGroups）和邏輯卷（LogicalVolumes）三個主要組件構成，提供了更高級的磁盤管理能力。物理卷物理卷是基于物理硬盤或RAID陣列創(chuàng)建的基本存儲單元，可以被添加到卷組中。卷組卷組是由多個物理卷組成的邏輯存儲池，可以從中分配邏輯卷。LVM的工作原理1邏輯卷構建LVM允許將多個物理磁盤組合成一個邏輯卷,提供更大的存儲空間。2動態(tài)擴展邏輯卷可以在線動態(tài)擴展,無需中斷應用程序運行。3靈活管理LVM提供快照、鏡像等高級管理功能,簡化存儲管理。LVM的基本操作創(chuàng)建邏輯卷使用pvcreate命令創(chuàng)建物理卷,然后使用vgcreate命令創(chuàng)建卷組。最后使用lvcreate命令創(chuàng)建邏輯卷。擴展邏輯卷使用lvextend命令可以擴展已有的邏輯卷。同時還需要使用resize2fs命令擴展文件系統(tǒng)?？煺展δ躄VM支持邏輯卷快照功能,可以創(chuàng)建備份恢復點。使用lvcreate-s命令可創(chuàng)建快照。遷移數(shù)據(jù)使用pvmove命令可以將物理卷上的數(shù)據(jù)遷移到其他物理卷上,實現(xiàn)了物理卷間的數(shù)據(jù)平衡。LVM的容災特性冗余數(shù)據(jù)存儲LVM支持在多個磁盤上創(chuàng)建鏡像卷和條帶卷,提供數(shù)據(jù)的冗余備份,確保數(shù)據(jù)的可靠性。即使發(fā)生單個磁盤故障,系統(tǒng)也能持續(xù)運行。動態(tài)擴容LVM允許在系統(tǒng)運行過程中動態(tài)擴展邏輯卷的容量,無需中斷服務。可根據(jù)業(yè)務需求隨時調(diào)整存儲空間?？煺諅浞軱VM支持創(chuàng)建邏輯卷的快照副本,可用于數(shù)據(jù)備份