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存储基本知识介绍,日期：200804,密级：对内公开,A硬盘的基本知识,BRAID的基本知识,C网络存储的基本概念,D存储采用的标准协议,目录,A.硬盘的基本知识,我们对硬盘的认识，大都是通过产品的外型、性能指标特征和网站公布的性能评测报告等方面去了解，但是硬盘的内部结构究竟是怎么样的？硬盘的读写原理是什么？大多数人可能不是很清楚了。本文通过介绍如下四点，以便大家对硬盘有更深的认识。硬盘内部结构硬盘工作原理硬盘接口类型硬盘性能指标,A1.硬盘内部结构,硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、磁头、盘片、主轴、电机、接口及其它附件组成。其中磁头盘片组件是构成硬盘的核心，它封装在硬盘的净化腔体内，包括有浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片、主轴驱动装置及前置读写控制电路等部分。如右图：,A2.硬盘工作原理,简单来讲，硬盘的工作原理是利用特定的磁粒子的极性来记录数据。磁头在读取数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电信号，再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据，写的操作正好与此相反。,A3.硬盘接口类型,ATA、SATA、SCSI、SAS、FC这五种硬盘是目前存储领域通用的五种硬盘。1.ATA接口ATA：AdvancedTechnologyAttachment，俗称IDE。它使用一个40芯电缆与主板进行连接，采用并行总线的方式，最初的设计只能支持两个硬盘。ATA硬盘可靠性较低，一般只支持58小时工作时间，要求工作负荷小，被广泛应用于个人电脑存储。ATA、PATA及IDE实际上是同一种接口，只是在不同历史时期由不同的厂家产生的不同叫法。,A3.硬盘接口类型,2.SerialATA：SerialAdvancedTechnologyAttachment也就是串行ATA（SerialATA）。SATA接口速率比IDE接口高，最低为150MBps，并且300MBps接口硬盘已经形成商用，规划内的最高速率可达600MBps，而IDE硬盘目前最高速率为133MBps，远远低于SATA接口。SATA硬盘采用点对点连接方式，支持热插拔。SATA硬盘采用7针细线缆而不是大家常见的40/80针扁平硬盘线作为传输数据的通道。细线缆的优点在于它很细，因此弯曲起来非常容易，并且不占空间。,A3.硬盘接口类型,3.SCSI：SmallComputerSystemInterface，小型计算机系统接口。SCSI硬盘性能优异，可靠性高，是传统的企业存储硬盘，应用于中高端存储领域。目前SCSI硬盘采用并行接口，有68针及80针两种。接口速率发展到320MBps，基本已经达到极限，将来必被其串行版本SAS硬盘所替代。SCSI硬盘转速为1万转或1万5千转，容量较小，最高可达300GB。SCSI硬盘采用总线式连接，一条SCSI总线最多挂接16个设备，每个设备被分配一个ID，通过总线仲裁来获得总线访问权。,A3.硬盘接口类型,4.SAS：SerialAttachedSCSI，串行SCSI接口。SAS硬盘是SCSI硬盘的串行版本，由原来的并行总线发展为串行总线。SAS是一种点对点、全双工、双端口的接口，提供3.0Gbit/s的传输率，规划到12.0Gbit/s。支持在SATA兼容的电缆和连接器上传输SCSI协议，兼备SCSI所具有的易管理性和可靠性，而且可以提升性能和可伸缩性。SAS硬盘定位于中高端存储应用，可靠性和性能都很高。SAS硬盘一般都提供两个SAS接口，可同时使用或互为备份，适用于主流的服务器和企业存储。SAS的连接器，与SATA比较相似，SAS连接器可以接SATA的硬盘，但SATA的连接器不能接SAS的硬盘。,A3.硬盘接口类型,5.FC光纤通道其实是对一组标准的称呼，这组标准用以定义通过铜缆或光缆进行串行通信从而将网络上各节点相连接所采用的机制。光纤通道标准由美国国家标准协会。（AmericanNationalStandardsInstitute，ANSI）开发，为服务器与存储设备之间提供高速连接。光纤通道是一种跟SCSI或IDE有很大不同的接口，是一种可以提高多硬盘存储系统的速度和灵活性而设计的高性能接口。FC硬盘定位于高端存储应用，可靠性和性能高。,A4.硬盘性能指标,影响硬盘速度的技术指标很多，如转速、磁头形式、数据传输率、寻道时间、缓冲区容量等，下面讲述一下性能指标的具体意义。硬盘的转速-硬盘盘片每分钟转动的圈数。平均寻道时间-指硬盘在盘面上移动磁头至指定磁道所需要的平均时间。平均潜伏时间-指磁头从到达目标磁道到数据开始传输的时间。平均访问时间-平均寻道时间与平均潜伏时间的总和.缓冲区-硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器，该指标指在硬盘内部的高速存储器。S.M.A.R.T-是自动监测分析报告技术。,B.RAID的基本知识,RAID是RedundantArrayofInexpensiveDisks（中文直译为廉价磁盘冗余阵列）的缩写，是将一系列单独的磁盘以不同的方式组合起来，为一个应用主机或主机集群提供一个逻辑上的磁盘。使用RAID的好处是能够扩大磁盘容量、提高磁盘读取的性能和数据的安全性。RAID技术经过不断的发展，现在已拥有了从RAID0到RAID5的6种明确标准级别的RAID级别。另外，其他还有RAID6、RAID7、RAID10（RAID1与RAID0的组合）、RAID01（RAID0与RAID1的组合）、RAID30（RAID3与RAID0的组合）、RAID50（RAID5与RAID0的组合）等。不同RAID级别代表着不同的存储性能、数据安全性和存储成本，下面将介绍如下RAID级别：RAID0、RAID1、RAID2、RAID3、RAID4、RAID5、RAID6、RAID01、RAID10。,B1.RAID0,RAID0全称叫做StripedDiskArraywithoutFaultTolerance(没有容错设计的条带磁盘阵列)。RAID0在存储数据时由RAID控制器将数据分成一定的大小顺序的写道阵列的磁盘里，RAID0可以并行的执行读写操作，可以充分利用总线的带宽，理论上讲，一个由N个磁盘组成的RAID0系统，它的读写性能将是单个磁盘读取性能的N倍。且磁盘空间的存储效率最大（100）RAID0有一个明显的缺点：不提供数据冗余保护，一旦数据损坏，将无法恢复。,B1.RAID0,B2.RAID1,RAID1全称叫MirroringandDuplexing（相互镜像）。它将数据完全一致的分别写到工作磁盘和镜像磁盘，因此它的磁盘空间利用率为50，在数据写入时时间会有影响，但是读的时候没有任何影响，RAID1提供了最佳的数据保护，一旦工作磁盘发生故障，系统自动从镜像磁盘读取数据，不会影响用户工作。,B2.RAID1,B3.RAID2,RAID2称为纠错海明码磁盘阵列，阵列中序号为2N的磁盘（第1、2、4、6）作为校验盘，其余的磁盘用于存放数据，磁盘数目越多，校验盘所占比率越少。RAID2在大数据存储额情况下性能很高，但由于花费太大，成本昂贵，RAID2的实际应用很少。,B4.RAID3,RAID3采用一个硬盘作为校验盘，其余磁盘作为数据盘，数据按位或字节的方式交叉的存取到各个数据盘中。不同磁盘上同一带区的数据做异或校验，并把校验值写入到校验盘中。RAID3系统在完整的情况下读取时没有任何性能上的影响，读性能与RAID0一致，却提供了数据容错能力，但是，在写时性能大为下降，因为每一次写操作，即使是改动某个数据盘上的一个数据块，也必须根据所有同一带区的数据来重新计算校验值写入到校验盘中，一个写操作包含了写入数据块，读取同一带区的数据块，计算校验值，写入校验值等操作，系统开销大为增加。,B4.RAID3,B5.RAID4,RAID4与RAID3基本一致，区别在于条带化的方式不一样，RAID4按照块的方式存放数据，所以在写操作时只涉及两块磁盘，数据盘和校验盘，提高了系统的IO性能。但面对随机的分散的写操作，单一的校验盘往往成为性能瓶颈。,B6.RAID5,RAID5与RAID3的机制相似，但是数据校验的信息被均匀的分散到的阵列的各个磁盘上，这样就不存在并发写操作时的校验盘性能瓶颈。阵列的磁盘上既有数据，也有数据校验信息，数据块和对应的校验信息会存储于不同的磁盘上，当一个数据盘损坏时，系统可以根据同一带区的其他数据块和对应的校验信息来重构损坏的数据。RAID5可以理解为是RAID0和RAID1的折衷方案。RAID5可以为系统提供数据安全保障，但保障程度要比RAID1低而磁盘空间利用率要比RAID1高。RAID5具有和RAID0相近似的数据读取速度，只是多了一个奇偶校验信息，写入数据的速度比对单个磁盘进行写入操作稍慢。同时由于多个数据对应一个奇偶校验信息，RAID5的磁盘空间利用率要比RAID1高，存储成本相对较低。RAID5在数据盘损坏时的情况和RAID3相似，由于需要重构数据，性能会受到影响。,B6.RAID5,B6.RAID5,B8.RAID50,RAID50是RAID5和RAID0的结合，RAID50数据分布按照如下方式来组织：首先将分为N组磁盘，然后将每组磁盘做RAID5，最后将N组RAID5条带化。,C网络存储的基本概念,网络存储有DAS(DirectAttachedStorage)、NAS（NetworkAttachedStorage,网络附加存储)和SAN（StorageAreaNetwork存储区域网络）三种。DAS和NAS的存储方式，由于受容量、数据传输率、网络带宽等问题的影响，而且性能和可扩展性方面存在不足，从发展的趋势看，未来的存储会向着SAN的存储方式靠拢。,C1.DAS,采用直接外挂存储DAS方案是将RAID硬盘阵列等各种存储设备通过诸如IDE或SCSI等I/O总线与服务器直接相连。这种方案适用对数据存储需求不大的情况，单个服务器仅仅需要外接较低容量的存储设备，就可以满足数据存储的需求。随着对视频处理、数据库应用的需求增加，数据存储需求越来越大，DAS很快就不能满足数据存储和管理的需求。,C2.NAS,NAS：NAS服务器是专用于数据存储的，包括存储器件（例如磁盘阵列、CD/DVD驱动器、磁带驱动器或可移动的存储介质）和内嵌系统软件，直接连到以太网上，不再挂接于服务器后端，增加和移除NAS服务器操作不会中断网络的运行。NAS更加适合文件级别上的数据处理，提供跨平台文件共享，将负载从应用或企业服务器上卸载下来，有效降低总拥有成本，保护用户投资。数据备份过程需要占用网络带宽。,C3.SAN,FCSAN：采用FibreChannel等存储专用协议，通过光纤通道交换机等连接设备，使网络服务器与多种存储设备连接在一个高速专用独立于以太网的网络中，数据采用FCP协议以块方式存取，不占用服务器运算处理的网络带宽。IPSAN：使用以太网代替光纤通道（FibreChannel）网和使用iSCSI协议代替FCP协议，进行块状数据存储访问的SAN。FCSAN、IPSAN都要有存储管理软件（如卷管理、数据的快照、镜像、备份、恢复、归档等等）。,C3.SAN,在FCSAN中，服务器侧要有FCHBA卡，存储设备侧要有FC的接口，中间还要有专门的光纤通道交换机，才能构建一个独立的存储网络。在IPSAN中，SERVER侧只要有iSCSIHBA卡或软件的iSCSIInitiator，存储设备侧有支持iSCSI的接口，中间使用普通的以太网交换机和路由器，就可以构建一个存储网络。,D存储采用的标准协议,存储网关设备支持两类技术：光纤通道技术和IP存储技术。IP存储技术包含：iSCSI、FCIP、iFCP等，光纤通道技术包含FC-PH、FCP、FC-SW、FC-FS、FC-FG等。iSCSI（SmallComputerSystemsInterfaceoverIP）是IETF提出的基于IP协议的技术标准，把SCSI命令和数据帧压缩为IP帧传输，实现了SCSI和TCP/IP协议的连接。对于以局域网为网络环境的用户，只需要不多的投资，就可以方便、快捷的对信息和数据进行交互式传输和管理。FCIP（FibreChanneloverIP）是IETF与ANSI共同提出的基于IP的光纤通道方案，采用这种模式，光数据帧被压缩为IP帧传输,在两个SAN之间通过IP网络建立点到点的隧道，构成一个统一的SAN环境。iFCP在FC与IP之间建立网关到网关的连接，使FC帧可以路由到正确的目的地址。它可以允许每一个互联的SAN都拥有自己独立的命名空间。实现起来也比FCIP复杂。iSNS是InternetStorageNameService，提供智能的存储发现和管理业务。,D存储采用的标准协议ISCSI协议,iSCSI协议中采用网络实体（NetworkEntity）来描述连接于IP网络的设备或网关。一个网络实体必须包含一个或多个网络入口（portal）。网络实体中的一个iSCSI节点可以通过其中任意一个网络入口来接入IP网络。iSCSI节点（iSCSINode）是一个网络实体中的iSCSI发起端（iSCSIinitiator）或目标端（iSCSITarget），通过iSCSI名称来标识。节点的iSCSI名称也是SCSI设备的名称，一个iSCSI节点只有一个SCSI设备。网络入口是网络实体中负责实现TCP/IP协议栈的组件。iSCSI发起端的网络入口只通过其IP地址来命名，而iSCSI目标端的网络入口由IP地址和TCP监听端口共同定义。iSCSI客户端和服务器的组成示意图如下：,存储采用的标准协议ISCSI协议,D存储采用的标准协议FC协议,FC协议的结构,FC协议层次(1)FC-0(物理层底层):FC-0层定义了连接的物理端口特性，包括介质和连接器(驱动器、接收机、发送机等)的物理特性、电气特性和光特性、传输速率以及其它的一些连接端口特性。(2)FC-1(传输协议)：规定了8B10B编码方式和传输协议包括串行编码、解码规则、特殊字符和错误控制。(3)FC-2（帧协议）：规定了具体的传输机制，包括帧格式，节点间的信息交换。(4)FC-3（公共服务）：提供高级特性的公共服务，即端口间的结构协议和流动控制，它定义了三种服务：条块化(Striping)、搜索组(HuntGroup)和多路播放(BroadcastMulticast)。(5)FC-4(ULP映射)：定义了FibreChannel和IP，SCSI-3以及其他的上层协议（ULP）之间的接口。,