網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)1-概述

1、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心姚文斌yaowenbin_2022-5-141教學(xué)目的教學(xué)目的l掌握網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)基本原理；l為網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)研究奠定基礎(chǔ)；l計(jì)算機(jī)專業(yè)同學(xué)開(kāi)辟新的天地。2022-5-142教學(xué)參考書(shū)教學(xué)參考書(shū)l信息存儲(chǔ)與管理人民郵電出版社 2010年1月l趙文輝等編著 網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)清華大學(xué)出版社 2005年l存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)協(xié)會(huì)2022-5-143主要內(nèi)容主要內(nèi)容第一章網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)概述第二章RAID與智能管理第三章DAS與NAS第四章SAN第五章虛擬化技術(shù)第六章業(yè)務(wù)連續(xù)性與備份第七章本地復(fù)制與遠(yuǎn)程復(fù)制第八章安全與管理2022-5-14

2、4信息爆炸的時(shí)代信息爆炸的時(shí)代l“智慧永恒不變的特點(diǎn)就是在平凡中發(fā)現(xiàn)奇跡”l無(wú)數(shù)平凡的奇跡正充盈在我們身邊，我們無(wú)法忽視它們的存在ll一個(gè)共同的特點(diǎn)：都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)l我們生活在一個(gè)信息時(shí)代，一個(gè)信息爆炸的時(shí)代2022-5-145信息的良性循環(huán)信息的良性循環(huán)2022-5-146信息爆炸？信息爆炸？l現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的速度越來(lái)越快，新的科技知識(shí)和信息量迅猛增加。l英國(guó)學(xué)者詹姆斯馬丁統(tǒng)計(jì)，人類知識(shí)的倍增周期，在19世紀(jì)為50年；20世紀(jì)前半葉為10年左右；到了70年代，縮短為5年；80年代末為3年；現(xiàn)在1.5年。l全世界每天發(fā)表的論文達(dá)13,00014,000篇，每年登記的新專利達(dá)70萬(wàn)項(xiàng)，每年

3、出版的圖書(shū)達(dá)50多萬(wàn)種。新理論、新材料、新工藝、新方法的不斷出現(xiàn)，使知識(shí)老化的速度加快。2022-5-147信息爆炸！信息爆炸！l全球印刷信息的生產(chǎn)量每5年翻一番，紐約時(shí)報(bào)一周的信息量即相當(dāng)于17世紀(jì)學(xué)者畢生所能接觸到的信息量的總和。近30年來(lái)，人類生產(chǎn)的信息已超過(guò)過(guò)去5000年信息生產(chǎn)的總和。l據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)人所掌握的知識(shí)半衰期：l18世紀(jì)為8090年；l1920世紀(jì)為30年；l本世紀(jì)60年代為15年；l進(jìn)入80年代，縮短為5年左右。l我們現(xiàn)在一年積累的數(shù)字信息相當(dāng)于古往今來(lái)所有書(shū)籍所容納信息的數(shù)百萬(wàn)倍！2022-5-148信息爆炸！信息爆炸！lIDC預(yù)計(jì)，到2020年數(shù)字宇宙規(guī)模將超出預(yù)期，

4、達(dá)到40 ZB（ZB-EB-PB-TB-GB-MB-KB=270）l如果地球上所有海灘上的沙粒有700,500,000,000, 000,000,000(即七萬(wàn)零五億億)顆。40ZB相當(dāng)于地球上所有海灘上的沙粒數(shù)量的57倍l如果把40 ZB的數(shù)據(jù)全部存入現(xiàn)有的藍(lán)光光盤(pán)，這些光盤(pán)的重量(不帶盒子或包裝)相當(dāng)于424艘尼米茲號(hào)航母l2020年，40ZB相當(dāng)于地球上人均5,247GB的數(shù)據(jù)2022-5-149信息爆炸信息爆炸-原因原因l現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的速度越來(lái)越快，新的科技知識(shí)和信息量迅猛增加（開(kāi)放）l信息系統(tǒng)問(wèn)題l機(jī)器生成數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)/數(shù)據(jù)保護(hù)周期增長(zhǎng)lIDC預(yù)測(cè)，到2020年存儲(chǔ)在云中的46.

5、7%的數(shù)據(jù)將涉及娛樂(lè)，而不是企業(yè)數(shù)據(jù)，其余為監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，嵌入式以及醫(yī)療數(shù)據(jù)，還有電腦、手機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品產(chǎn)生的數(shù)據(jù)l信息的多樣化表示l例如表示方法的多樣性，語(yǔ)言/存儲(chǔ)類型等l信息缺乏管理或管理不善，信息的發(fā)布、傳播失去控制，產(chǎn)生了大量虛假信息、無(wú)用信息，造成信息環(huán)境的污染和“信息垃圾”的產(chǎn)生2022-5-1410信息爆炸的挑戰(zhàn)信息爆炸的挑戰(zhàn)l為了挖掘信息的巨大潛能，必須把它們有效地、聰明地存儲(chǔ)、保護(hù)和管理起來(lái)，使之能被訪問(wèn)、搜索、共享，并最終發(fā)揮效用。lGoogle/百度（信息迷失）lIDC數(shù)字宇宙報(bào)告大數(shù)據(jù)，更大的數(shù)字身影，最大增長(zhǎng)在遠(yuǎn)東。該報(bào)告顯示，盡管個(gè)人和機(jī)器每天產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，使數(shù)字宇宙

6、前所未有地不斷膨脹，但僅有0.4%的全球數(shù)據(jù)得到了分析l信息存儲(chǔ)和管理不能僅靠買(mǎi)更大更好的“箱子”l除了預(yù)算的考慮，還必須考慮能耗、安裝、管理及維護(hù)等諸多方面l西歐對(duì)數(shù)字宇宙的管理投入最多，每GB的投資額為2.49美元。美國(guó)排名第二，每GB投入 1.77美元，中國(guó)排名第三，每GB 1.31美元，然后是印度，每GB 0.87美元2022-5-1411信息存儲(chǔ)與管理簡(jiǎn)介信息存儲(chǔ)與管理簡(jiǎn)介2022-5-1412數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)和信息l數(shù)據(jù)：原始事實(shí)的集合，從中可以得出一些結(jié)論l在計(jì)算機(jī)發(fā)明之前，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和共享僅限于很少的形式，比如紙和膠卷。l今天，相同的數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換成很多便利的格式。l信息，從數(shù)據(jù)中

7、提取出來(lái)的智慧和知識(shí)2022-5-1413數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型l結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)l按照行和列這種嚴(yán)格的格式組織，適于高效檢索和處理l非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)l不是按照行、列來(lái)組織，形式多樣，檢索困難，數(shù)量巨大2022-5-1414促進(jìn)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)的因素促進(jìn)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)的因素l數(shù)據(jù)處理能力的提升l數(shù)據(jù)獲取l數(shù)字處理的低成本l數(shù)據(jù)存儲(chǔ)l可負(fù)擔(dān)的和更快的通訊技術(shù)l數(shù)據(jù)共享2022-5-1415數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與共享數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與共享l隨著數(shù)據(jù)獲取設(shè)備數(shù)量的增長(zhǎng)和數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的信息由個(gè)人產(chǎn)生，超過(guò)了商業(yè)信息的產(chǎn)生量。l信息被他人共享時(shí)，信息就會(huì)增值。l信息產(chǎn)生時(shí)，通常存儲(chǔ)于本地。l信息共享時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)中心。l大量信息

8、由個(gè)人產(chǎn)生，信息存儲(chǔ)和管理只由少數(shù)組織負(fù)責(zé)l商業(yè)信息依賴于快速、可靠的信息訪問(wèn)，這對(duì)業(yè)務(wù)的成功十分重要。l信息對(duì)業(yè)務(wù)的日益增長(zhǎng)的重要性大大增加了對(duì)數(shù)據(jù)管理和保護(hù)的挑戰(zhàn)。2022-5-1416存儲(chǔ)存儲(chǔ)l存儲(chǔ)設(shè)備：保存數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備l存儲(chǔ)目的：數(shù)據(jù)的再利用l存儲(chǔ)分類：l個(gè)人存儲(chǔ)l企業(yè)存儲(chǔ)2022-5-1417存儲(chǔ)技術(shù)與架構(gòu)的發(fā)展存儲(chǔ)技術(shù)與架構(gòu)的發(fā)展l早期，存儲(chǔ)設(shè)備大多在服務(wù)器內(nèi)部l開(kāi)放系統(tǒng)的發(fā)展及其提供的部署的簡(jiǎn)單性和易用性使得各個(gè)部門(mén)都可以擁有自己的服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備。l但是，分散的存儲(chǔ)導(dǎo)致了信息的難于管理、不易保存，產(chǎn)生信息孤島和操作開(kāi)銷(xiāo)。l從非智能存儲(chǔ)到智能網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)l冗余磁盤(pán)陣列RAIDl直

9、連存儲(chǔ)DASl存儲(chǔ)局域網(wǎng)絡(luò)SANl網(wǎng)絡(luò)互連存儲(chǔ)NASlIP存儲(chǔ)局域網(wǎng)IPSAN2022-5-14182022-5-1419數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施l計(jì)算機(jī)l存儲(chǔ)系統(tǒng)l網(wǎng)絡(luò)設(shè)備l電源l環(huán)境控制設(shè)備l空調(diào)l消防2022-5-1420數(shù)據(jù)中心核心部件數(shù)據(jù)中心核心部件l應(yīng)用l數(shù)據(jù)庫(kù)l服務(wù)器和操作系統(tǒng)l網(wǎng)絡(luò)l存儲(chǔ)2022-5-1421數(shù)據(jù)中心部件的關(guān)鍵需求數(shù)據(jù)中心部件的關(guān)鍵需求lDC操作的不可中斷性對(duì)業(yè)務(wù)生存和成功至關(guān)重要，必須保證存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施的隨時(shí)可訪問(wèn)。l可用性l安全性l可擴(kuò)展性l性能l數(shù)據(jù)完整性l容量l可管理性2022-5-1422管理存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施管理存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施l關(guān)鍵的管理任務(wù)l監(jiān)控l報(bào)

10、告l供應(yīng)2022-5-1423信息管理的關(guān)鍵挑戰(zhàn)信息管理的關(guān)鍵挑戰(zhàn)l數(shù)據(jù)量的爆炸性增長(zhǎng)l對(duì)信息依賴的上升l信息價(jià)值的改變l隨著時(shí)間的變化，數(shù)據(jù)的重要性和關(guān)鍵性都會(huì)改變。大部分產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都只在短時(shí)間內(nèi)有重要性，時(shí)間一長(zhǎng)就不那么重要了。2022-5-1424信息生命周期信息生命周期lInformation lifecycle：指隨著時(shí)間變化而發(fā)生的“信息價(jià)值的改變”。l掌握信息生命周期對(duì)于部署合適的存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施十分有幫助。訂單處理實(shí)例2022-5-1425信息生命周期管理信息生命周期管理lILM，是一種主動(dòng)的策略，允許一個(gè)IT組織根據(jù)預(yù)先定義的策略來(lái)高效地管理數(shù)據(jù)的整個(gè)生命周期，通過(guò)優(yōu)化存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)

11、施來(lái)實(shí)現(xiàn)最大的投資回報(bào)。lILM的特征l以業(yè)務(wù)為中心l集中式管理l基于策略l異構(gòu)的l優(yōu)化的v ILM的優(yōu)點(diǎn)v 更高的資源利用率v 簡(jiǎn)化的管理v 更廣泛的選擇v 維護(hù)約定v 更低的總擁有成本（TCO） 分層存儲(chǔ)2022-5-1426本講小結(jié)本講小結(jié)l闡述了數(shù)據(jù)、信息、存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施的重要性l介紹了數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)的價(jià)值、存儲(chǔ)系統(tǒng)的管理l介紹并強(qiáng)調(diào)了ILM的重要性l介紹了存儲(chǔ)架構(gòu)的發(fā)展和數(shù)據(jù)中心的核心部件2022-5-1427存儲(chǔ)系統(tǒng)環(huán)境存儲(chǔ)系統(tǒng)環(huán)境2022-5-1428網(wǎng)絡(luò)流量分析網(wǎng)絡(luò)流量分析2022-5-1429存儲(chǔ)系統(tǒng)環(huán)境存儲(chǔ)系統(tǒng)環(huán)境l存儲(chǔ)設(shè)備是數(shù)據(jù)中心的核心部件之一，作為一種獨(dú)特的資源，需要考

12、慮如何對(duì)它進(jìn)行專門(mén)的實(shí)現(xiàn)和管理。數(shù)據(jù)流從應(yīng)用程序到存儲(chǔ)設(shè)備，中間所經(jīng)過(guò)的各個(gè)部件統(tǒng)稱為“存儲(chǔ)系統(tǒng)環(huán)境。l主要有三個(gè)組成部分：l主機(jī)、連接、存儲(chǔ)設(shè)備。2022-5-1430存儲(chǔ)系統(tǒng)環(huán)境存儲(chǔ)系統(tǒng)環(huán)境l存儲(chǔ)系統(tǒng)環(huán)境組成l磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件l磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的性能l主機(jī)的邏輯部件l應(yīng)用程序的需求和磁盤(pán)的性能2022-5-1431主機(jī)主機(jī)l用戶通過(guò)應(yīng)用程序來(lái)存儲(chǔ)、檢索數(shù)據(jù)。運(yùn)行這些應(yīng)用程序的計(jì)算機(jī)被稱作“主機(jī)”。主機(jī)的類型很廣泛，可以是簡(jiǎn)單的筆記本電腦，也可以是復(fù)雜的服務(wù)器集群。l一臺(tái)主機(jī)包括一組使用邏輯部件（軟件、協(xié)議）進(jìn)行相互通信的物理部件（硬件設(shè)備）。l存儲(chǔ)系統(tǒng)環(huán)境的數(shù)據(jù)訪問(wèn)及其總體性能取決于主機(jī)的物理和邏輯

13、部件。2022-5-1432主機(jī)主機(jī)l物理部件l中央處理器單元(CPU)；l存儲(chǔ)設(shè)備，如內(nèi)存和磁盤(pán)；l輸入輸出(I/O)設(shè)備。物理部件之間的通信是通過(guò)總線(bus)通道進(jìn)行?？偩€將CPU和其他部件，如存儲(chǔ)設(shè)備和I/O設(shè)備連接起來(lái)。2022-5-1433主機(jī)主機(jī)lCPU包含4個(gè)主要部件l算術(shù)邏輯單元（Arithmetic Logic Unit,ALU） CPU的基本組成部分。用來(lái)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，如加、減、布爾運(yùn)算。l控制單元（Control Unit): 一塊數(shù)字電路，用來(lái)控制CPU的操作，并對(duì)CPU的功能進(jìn)行協(xié)調(diào)。l寄存器(Register):一組高速存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)CPU執(zhí)行指令所需要的中

14、間數(shù)據(jù)。因?yàn)樗鼈冸xALU很近，所以能提供快速訪問(wèn)。典型的CPU都有少量的寄存器。l一級(jí)高速緩存（L1 Cache): 在現(xiàn)代CPU中，L1 Cache 用來(lái)存放最有可能被CPU訪問(wèn)的數(shù)據(jù)和程序指令。比起寄存器它的速度要慢一些，但有更多的存儲(chǔ)空間。2022-5-1434主機(jī)主機(jī)l存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)存和外存用來(lái)暫時(shí)性或永久性地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。內(nèi)存模塊是由半導(dǎo)體芯片制成的，而外存設(shè)備則是由磁性或光學(xué)介質(zhì)制成。從內(nèi)存模塊存取數(shù)據(jù)要比從外存的速度更快。2022-5-1435主機(jī)主機(jī)l主機(jī)上有兩種類型的內(nèi)存l隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM ):允許從內(nèi)存的任何位置直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)，可以往內(nèi)存寫(xiě)數(shù)據(jù)也可以從它里面讀數(shù)據(jù)。RAM具有易

15、失性，需要持久供電來(lái)維持內(nèi)存單元的內(nèi)容。當(dāng)系統(tǒng)電源掉電時(shí)，數(shù)據(jù)即被擦除。l只讀存儲(chǔ)器(ROM):具有非易失性，但只允許讀數(shù)據(jù)操作。ROM用于保存運(yùn)行內(nèi)部例程所需的數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)啟動(dòng)程序。2022-5-1436主機(jī)主機(jī)l外存設(shè)備比半導(dǎo)體內(nèi)存的造價(jià)要便宜很多l(xiāng)硬盤(pán)（磁性介質(zhì)）；lCD/DVD-ROM（光學(xué)介質(zhì)）；l軟盤(pán)l磁帶2022-5-1437主機(jī)主機(jī)lI/O設(shè)備I/O設(shè)備使得主機(jī)可以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。通訊類型：l用戶-主機(jī)通信（User to Host）： 由一些基礎(chǔ)I/O設(shè)備負(fù)責(zé)，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器等。l主機(jī)-主機(jī)通信（Host to Host）：由一些諸如網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）或調(diào)制解調(diào)器之類

16、的設(shè)備負(fù)責(zé)。l主機(jī)-外存通信(Host to Storage Device):由主機(jī)總線適配器(Host Bus Adaptor,HBA)來(lái)負(fù)責(zé)。HBA是一塊專用集成電路板，承擔(dān)著主機(jī)和外存之間I/O接口處理的功能，將CPU從多余的I/O處理負(fù)擔(dān)中解脫出來(lái)。HBA還提供了連接的插口，即端口（Port），用于連接主機(jī)和外存設(shè)備。一臺(tái)主機(jī)可以有多個(gè)HBA。2022-5-1438連接連接l連接： 指各個(gè)主機(jī)間或主機(jī)同其他外設(shè)（如打印機(jī)、外存設(shè)備）之間的互連。l連接的物理部件l連接主機(jī)與外存之間的硬件 總線、端口、電纜。l連接的邏輯部件l指用于主機(jī)和外存之間通信的協(xié)議。2022-5-1439連接連接l

17、總線（Bus）是一組數(shù)據(jù)通路，方便了計(jì)算機(jī)各個(gè)部件之間的數(shù)據(jù)傳輸，比如將數(shù)據(jù)從CPU傳輸?shù)絻?nèi)存。l端口(Port)是專業(yè)插口，使得主機(jī)和外部設(shè)備之間可以建立連接。l電纜（Cable)用于將內(nèi)部或外部設(shè)備連接到主機(jī)上，由銅或光纖制成。2022-5-1440連接連接l總線(Bus)物理部件通過(guò)總線在各個(gè)設(shè)備之間發(fā)送比特?cái)?shù)據(jù)（控制、數(shù)據(jù)或地址），從而達(dá)到相互通信。這些比特?cái)?shù)據(jù)（二進(jìn)制位）將通過(guò)總線以下兩種方式被傳送。l串行：比特位在單個(gè)通路中按順序進(jìn)行傳輸，可以是單向的或雙向的。l并行：比特位同時(shí)在多個(gè)通路中進(jìn)行傳輸。并行也可以是雙向的。l總線分類:l系統(tǒng)總線：將數(shù)據(jù)線從處理器傳送到內(nèi)存的總線。l本

18、地或I/O總線：直接和處理器相連的高速通路，并在外圍設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)，比如外存設(shè)備和處理器之間。2022-5-1441存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備l存儲(chǔ)設(shè)備是存儲(chǔ)系統(tǒng)環(huán)境中最重要的組成部分。l磁性介質(zhì)：磁盤(pán)、磁帶。l光學(xué)介質(zhì)：光盤(pán)。l固態(tài)介質(zhì)：閃存盤(pán)。磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（Disk Drive) 是當(dāng)今計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和訪問(wèn)數(shù)據(jù)使用最多的存儲(chǔ)介質(zhì)，可以很好地支持性能密集型的在線應(yīng)用程序。另外，磁盤(pán)有很大的容量，由多個(gè)磁盤(pán)組成的磁盤(pán)陣列能夠提供更大的容量和更高的性能。2022-5-1442磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件l磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)在磁性盤(pán)片上快速地移動(dòng)讀寫(xiě)臂來(lái)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過(guò)讀寫(xiě)頭從磁性盤(pán)片傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。讀寫(xiě)頭、控制器以及

19、多個(gè)磁性盤(pán)片組合到一起，稱為磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（HDD)。磁盤(pán)的核心部件：盤(pán)片、主軸、讀寫(xiě)頭、驅(qū)動(dòng)臂裝置以及控制器。（如圖）2022-5-14432022-5-1444磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件l盤(pán)片：硬盤(pán)包含一個(gè)或多個(gè)圓形金屬盤(pán)，稱盤(pán)片。數(shù)據(jù)以二進(jìn)制代碼（0 1）的形式記錄在這些盤(pán)片上。將一組可旋轉(zhuǎn)的盤(pán)片封裝在一個(gè)盒子里，就形成磁頭磁盤(pán)組合件（HDA)。l一個(gè)盤(pán)片是雙面鍍上磁性物理材料的剛性、圓形金屬盤(pán)。在盤(pán)片上的數(shù)據(jù)是通過(guò)在磁盤(pán)表面分布的不同磁性區(qū)域來(lái)編碼的。數(shù)據(jù)在盤(pán)的上下兩面都可以進(jìn)行讀寫(xiě)。盤(pán)片的個(gè)數(shù)以及每個(gè)盤(pán)片的存儲(chǔ)容量決定了磁盤(pán)的總?cè)萘俊?022-5-1445磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件l主軸：如

20、上圖，一根主軸固定了所有的盤(pán)片，并和一個(gè)馬達(dá)相連。主軸的馬達(dá)是以恒速旋轉(zhuǎn)的。盤(pán)片以幾千r/min的速度旋轉(zhuǎn)。目前有7200rpm,10000rpm,15000rpm幾種。盤(pán)片的直徑都是3.5英寸。2022-5-1446磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件l讀寫(xiě)頭：磁盤(pán)的每個(gè)盤(pán)片上都有2個(gè)讀寫(xiě)頭，上下兩面各一個(gè)。l磁盤(pán)上的邏輯電路保證了讀寫(xiě)頭在接觸盤(pán)面之前先移動(dòng)到著陸區(qū)。如果激勵(lì)器出現(xiàn)了故障，讀寫(xiě)頭意外地接觸到了著陸區(qū)之外的盤(pán)片表面，就會(huì)導(dǎo)致磁頭癱瘓。數(shù)據(jù)會(huì)丟失。2022-5-1447磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件l驅(qū)動(dòng)臂裝置 讀寫(xiě)頭是安裝在驅(qū)動(dòng)臂裝置上，將讀寫(xiě)頭移動(dòng)到盤(pán)片上需要讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的位置。l控制器控制器是一

21、塊印刷電路板，安裝在磁盤(pán)底部。它包含一個(gè)微處理器、內(nèi)存、電路以及固件。固件控制著主軸馬達(dá)的電源和馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，還負(fù)責(zé)管理磁盤(pán)和主機(jī)之間的通信。此外，它還控制激勵(lì)器移動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂，并切換不同讀寫(xiě)頭來(lái)控制讀寫(xiě)操作，還能對(duì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)進(jìn)行優(yōu)化處理。2022-5-1448磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件l物理磁盤(pán)的結(jié)構(gòu)l磁盤(pán)的數(shù)據(jù)是記錄在磁道(Track)上的。是盤(pán)面上以主軸為圓心的一組同心環(huán)。依次從外向內(nèi)編號(hào)，最外磁道號(hào)為 0。l每個(gè)磁道都被劃分為更小的單元，稱作扇區(qū)（Sector）。一個(gè)扇區(qū)是存儲(chǔ)系統(tǒng)中可單獨(dú)被尋址的最小單位。磁道和扇區(qū)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被生產(chǎn)廠商格式化到盤(pán)面上。一個(gè)盤(pán)面可以容納幾千個(gè)磁道，這取決于盤(pán)片的物

22、理面積以及記錄密度。2022-5-1449磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件l通常一個(gè)扇區(qū)的容量是512字節(jié)，除了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，還存儲(chǔ)扇區(qū)號(hào)、磁頭號(hào)或盤(pán)面號(hào)、磁道號(hào)等。所以，未經(jīng)格式化的磁盤(pán)和已被格式化磁盤(pán)容量會(huì)存在一個(gè)差值。如，500GBde磁盤(pán)只能存儲(chǔ)465.7GB的用戶數(shù)據(jù)，余下的34.3GB空間用來(lái)存儲(chǔ)上面的那些元數(shù)據(jù)。l所有盤(pán)面上相同半徑位置處的磁道所組成的存儲(chǔ)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)柱面(Cylinder)。磁頭的位置是由柱面號(hào)來(lái)表示的，而不是磁道號(hào)。2022-5-1450磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件2022-5-1451磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件l分區(qū)位記錄 由于盤(pán)片是由具有相同圓心的磁道組成的，外面的磁道的周長(zhǎng)

23、肯定比里面的長(zhǎng)，所以外面的磁道必然能存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)。過(guò)去的磁盤(pán)中，外磁道與內(nèi)磁道所包含的扇區(qū)個(gè)數(shù)相同，所以外磁道的數(shù)據(jù)密度相對(duì)較低，盤(pán)面的空間利用率也較低。2022-5-1452l分區(qū)位記錄高效地利用磁盤(pán)空間。根據(jù)磁道與磁盤(pán)中心的距離將它們劃分成若干個(gè)區(qū)域。這些區(qū)域從最外面起進(jìn)行編號(hào)，最外面的區(qū)號(hào)是0。每個(gè)指定的區(qū)域內(nèi)所有磁道上的扇區(qū)個(gè)數(shù)都是相同的。2022-5-1453磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件l邏輯塊尋址早期磁盤(pán)利用物理地址，柱面、磁頭、扇區(qū)的編號(hào)CHS號(hào)，在磁盤(pán)上進(jìn)行定位。邏輯塊尋址（LBA），大大簡(jiǎn)化了尋址過(guò)程。磁盤(pán)控制器將LBA地址轉(zhuǎn)換為CHS地址，主機(jī)操作系統(tǒng)只需知道磁盤(pán)有多少個(gè)物理

24、塊就行了。邏輯塊與物理塊（扇區(qū)）之間的映射是1：1。2022-5-1454磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)部件l邏輯塊尋址磁盤(pán)的每個(gè)磁道上有8個(gè)扇區(qū)、8個(gè)磁頭、4個(gè)柱面（每個(gè)盤(pán)面上有4個(gè)磁道）。也就是說(shuō)一共有8x8x4=256個(gè)物理塊，物理塊的編號(hào)是從0到255。2022-5-1455磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的性能磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的性能l磁盤(pán)服務(wù)時(shí)間指磁盤(pán)完成一個(gè)I/O請(qǐng)求所花費(fèi)的時(shí)間。影響因素有三個(gè)：尋道時(shí)間、旋轉(zhuǎn)延遲和數(shù)據(jù)傳輸速率。l尋道時(shí)間：指讀寫(xiě)頭在盤(pán)面上移動(dòng)（沿盤(pán)面半徑方向）進(jìn)行定位的時(shí)間，也就是移動(dòng)臂將讀寫(xiě)頭移動(dòng)到正確的磁道上所需的時(shí)間。尋道時(shí)間越短，I/O操作越快。在隨機(jī)的磁道上讀數(shù)據(jù)與相鄰磁道上讀數(shù)據(jù)相比，尋

25、道時(shí)間對(duì)前者影響更為關(guān)鍵。2022-5-1456磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的性能磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的性能l旋轉(zhuǎn)延遲：為了存取數(shù)據(jù)，激勵(lì)器和驅(qū)動(dòng)臂需要將盤(pán)面上方的讀寫(xiě)頭移到特定的磁道。同時(shí)盤(pán)片旋轉(zhuǎn)，將請(qǐng)求的數(shù)據(jù)（扇區(qū)）移到讀寫(xiě)頭下面。盤(pán)片旋轉(zhuǎn)以定位讀寫(xiě)頭下方的數(shù)據(jù)（扇區(qū)）所用的時(shí)間，稱為旋轉(zhuǎn)延遲。平均旋轉(zhuǎn)延遲是主軸旋轉(zhuǎn)一圈所需時(shí)間的二分之一。與尋道時(shí)間類似，讀寫(xiě)隨機(jī)選擇的扇區(qū)與讀寫(xiě)鄰扇區(qū)相比，選擇延遲對(duì)前者的影響更大。2022-5-1457磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的性能磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的性能l數(shù)據(jù)傳輸速率：指每個(gè)單位時(shí)間內(nèi)磁盤(pán)能夠傳輸?shù)紿BA的平均數(shù)據(jù)量。l讀寫(xiě)過(guò)程：讀操作，數(shù)據(jù)首先從盤(pán)面移動(dòng)到讀寫(xiě)頭，再到磁盤(pán)內(nèi)部的緩沖區(qū)，最后才通過(guò)接口

26、傳輸?shù)街鳈C(jī)HBA。寫(xiě)操作，數(shù)據(jù)通過(guò)磁盤(pán)接口從HBA傳輸?shù)酱疟P(pán)內(nèi)部的緩沖區(qū)，再到讀寫(xiě)頭，最終讀寫(xiě)頭寫(xiě)到盤(pán)面上。2022-5-1458主機(jī)的邏輯部件主機(jī)的邏輯部件l主機(jī)的邏輯部件由應(yīng)用軟件和協(xié)議組成：l操作系統(tǒng)（OS）；l設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（Device Driver）；l卷管理器（Volume Manager）；l文件系統(tǒng)（File System）；l應(yīng)用（Application）。2022-5-1459主機(jī)的邏輯部件主機(jī)的邏輯部件l操作系統(tǒng)(OS)：管理著計(jì)算機(jī)環(huán)境中的各個(gè)方面，它工作于應(yīng)用程序和計(jì)算機(jī)物理部件之間。它支持?jǐn)?shù)據(jù)訪問(wèn)、監(jiān)視和響應(yīng)用戶動(dòng)作。組織和控制著物理資源并負(fù)責(zé)物理資源的分配。同時(shí)，

27、它還提供了對(duì)所管理資源訪問(wèn)與使用的基本安全保障。在管理一些其他底層資源，如文件系統(tǒng)、卷首管理器和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，操作系統(tǒng)也擔(dān)當(dāng)基本存儲(chǔ)管理的任務(wù)。2022-5-1460主機(jī)的邏輯部件主機(jī)的邏輯部件l設(shè)備驅(qū)動(dòng)(DeviceDriver：是一種特殊的軟件，它允許操作系統(tǒng)與特殊的設(shè)備，如打印機(jī)、鼠標(biāo)或硬盤(pán)交互。設(shè)備驅(qū)動(dòng)讓操作系統(tǒng)識(shí)別出設(shè)備，并且能夠使用標(biāo)準(zhǔn)接口(如應(yīng)用程序編程接口API，ApplicationProgrammingInterface)來(lái)訪問(wèn)和控制設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)是硬件相關(guān)的，且與操作系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)。2022-5-1461主機(jī)的邏輯部件主機(jī)的邏輯部件l卷管理器早期，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器(HDD)呈現(xiàn)

28、給操作系統(tǒng)的是一組連續(xù)的物理塊。整個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器都分配給文件系統(tǒng)或是其他數(shù)據(jù)體，由操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序使用。這樣做的缺點(diǎn)是缺乏靈活性：當(dāng) 一個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的空間使用完時(shí)，想要擴(kuò)展文件系統(tǒng)的大小就很難。而當(dāng)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器存儲(chǔ)容量增加時(shí)，把整個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器分配給文什系統(tǒng)通常會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)空間不能充分利用。 磁盤(pán)分區(qū)(DiskPartitioning)的引入就是為了改善硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的靈活性和使用率。在分區(qū)時(shí)，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器被劃分為幾個(gè)邏輯卷(LV)。例如， 一個(gè)大的物理磁盤(pán)，可以根據(jù)文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)管理要求，劃分為若個(gè)小的邏輯卷。當(dāng)硬盤(pán)在主機(jī)上進(jìn)行初始分區(qū)時(shí)，是將一組連續(xù)的柱面分配給一個(gè)分區(qū)。主機(jī)的文件系統(tǒng)在訪問(wèn)

29、分區(qū)時(shí)，完全不需要知道磁盤(pán)的物理結(jié)構(gòu)和分區(qū)信息。2022-5-1462主機(jī)的邏輯部件主機(jī)的邏輯部件2022-5-1463主機(jī)的邏輯部件主機(jī)的邏輯部件l串聯(lián)(Concatenation)是一個(gè)把若干小的物理磁盤(pán)組合起來(lái)的過(guò)程，并呈現(xiàn)給主機(jī)一個(gè)更大的、完整的邏輯盤(pán)(如圖上所示)。l邏輯卷管理器(LogicalVolumeManager，LVM)的發(fā)展使得文件系統(tǒng)容量的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展以及高效的存儲(chǔ)管理成為可能。LVM是一個(gè)運(yùn)行在物理機(jī)器上管理邏輯和物理存儲(chǔ)設(shè)備的軟件。LVM也是一個(gè)介于文件系統(tǒng)和物理磁盤(pán)之間可選的中間層次。它可以把幾個(gè)小的磁盤(pán)組合成一個(gè)大的虛擬磁盤(pán)，或是反過(guò)來(lái)把一個(gè)大容量物理磁盤(pán)劃分為若于

30、小的虛擬磁盤(pán)，提供給應(yīng)用程序使用。LVM提供了優(yōu)化的存儲(chǔ)訪問(wèn)，簡(jiǎn)化了存儲(chǔ)資源的管理。它隱藏了物理磁盤(pán)細(xì)節(jié)和數(shù)據(jù)在磁盤(pán)上的分布。同時(shí)，它也允許管理員改變存儲(chǔ)的分配而不用改變硬件，就算應(yīng)用程序還在運(yùn)行著也沒(méi)有關(guān)系。2022-5-1464主機(jī)的邏輯部件主機(jī)的邏輯部件LVM的基本部件是物理卷(Physical Volume)、卷組(Volume Group)和邏輯卷(Logical Volume)。在LVM術(shù)語(yǔ)中，每一個(gè)連接到主機(jī)系統(tǒng)的物理磁盤(pán)都是一個(gè)物理卷(PV)。LVM把由物理卷提供的物理存儲(chǔ)空間轉(zhuǎn)換為邏輯存儲(chǔ)空間，以便給操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序使用。一個(gè)卷組的創(chuàng)建是把一個(gè)或多個(gè)物理卷變?yōu)橐唤M。當(dāng)一個(gè)物

31、理卷被初始化使用時(shí)，LVM都會(huì)為其分配一個(gè)唯一的物理卷標(biāo)識(shí)(PVID)。物理卷可以動(dòng)態(tài)地往卷組中添加或移除。在不同的卷組之間，物理卷是不能共享的，每個(gè)物理卷的全部都變成了卷組的一部分。在卷組創(chuàng)建時(shí)，每一個(gè)物理卷都被劃分為若于個(gè)相同大小的數(shù)據(jù)塊，這些數(shù)據(jù)塊稱為物理區(qū)域(PhysicalExtent)。2022-5-1465主機(jī)的邏輯部件主機(jī)的邏輯部件邏輯卷是在給定的卷組中創(chuàng)建的。 一個(gè)邏輯卷可以被認(rèn)為是一個(gè)虛擬磁盤(pán)分區(qū)，而卷組則可以被認(rèn)為是一個(gè)磁盤(pán)。一個(gè)卷組可以劃分為許多邏輯卷。邏輯卷的大小取決于：物理區(qū)域(PhysicalExtent)的數(shù)目。 對(duì)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，邏輯卷就像是一個(gè)物理設(shè)備。一個(gè)邏

32、輯卷可以由不連續(xù)的物理區(qū)組成，并可以跨越多個(gè)物理卷。 一個(gè)文件系統(tǒng)可以創(chuàng)建在一個(gè)邏輯卷之上， 且邏輯卷可以通過(guò)配置來(lái)為應(yīng)用程序提供優(yōu)化的性能，也可以被鏡像來(lái)提供更好的數(shù)據(jù)可用性。2022-5-1466主機(jī)的邏輯部件主機(jī)的邏輯部件l文件系統(tǒng)一個(gè)文件就是一個(gè)有關(guān)聯(lián)關(guān)系的記錄或數(shù)據(jù)的集合，它們作為，一個(gè)整體存儲(chǔ)在一起并被命名。一個(gè)文件系統(tǒng)(File System)就是大量文件的分層組織結(jié)構(gòu)。文件系統(tǒng)使得對(duì)存放在磁盤(pán)、磁盤(pán)分區(qū)或邏輯卷內(nèi)的數(shù)據(jù)文件的訪問(wèn)變得更加容易。個(gè)文件系統(tǒng)需要基于主機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)和軟件例程來(lái)控制對(duì)文件的存取。對(duì)磁盤(pán)上文件的訪問(wèn)需要由文件擁有者授權(quán)才能講行，這通常也是由文件系統(tǒng)來(lái)控制的

33、。2022-5-1467主機(jī)的邏輯部件主機(jī)的邏輯部件文件系統(tǒng)通過(guò)使用目錄(Directory)來(lái)把數(shù)據(jù)組織成分層結(jié)構(gòu)。目錄就是保存指向文件的指針的地方。所有的文件系統(tǒng)都維護(hù)著一個(gè)到目錄、子目錄和文件的指針映射，這內(nèi)容也是文件系統(tǒng)的一部分。常見(jiàn)的文件系統(tǒng)有以下幾種。lFAT32(FileAllocationTable，文件分配表)；適用于微軟Windows；lNT文件系統(tǒng)(NTFS)：適用于微軟Windows；lUNIX文件系統(tǒng)(UFS)：適用于UNIX；l擴(kuò)展文件系統(tǒng)(EXT23)適用于UNIX。2022-5-1468主機(jī)的邏輯部件主機(jī)的邏輯部件文件系統(tǒng)塊是最小的物理磁盤(pán)空間分配單元。每一個(gè)文

34、件系統(tǒng)塊對(duì)應(yīng)物理磁盤(pán)上一個(gè)連續(xù)的區(qū)域。在文件系統(tǒng)創(chuàng)建之初，文件系統(tǒng)塊的大小就確定了。文件系統(tǒng)的大小是由文件系統(tǒng)塊的大小以及所有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)使用的總塊數(shù)決定的。因?yàn)榇蟛糠治募急纫粋€(gè)預(yù)定義的文件系統(tǒng)塊的大小要大，所以一個(gè)文件可以跨越多個(gè)塊。隨著新塊的增加和刪除，文件系統(tǒng)中的塊將變得不再連續(xù)了（碎片化）。使用一段時(shí)間后，隨著文件變得越來(lái)越大，文件系統(tǒng)就變得更加碎片化了。2022-5-1469主機(jī)的邏輯部件主機(jī)的邏輯部件l利用LVM將用戶文件映射到磁盤(pán)存儲(chǔ)子系統(tǒng)的過(guò)程：l用戶和應(yīng)用程序產(chǎn)生和管理文件；l將這些文件存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)上；l文件系統(tǒng)把它們映射到數(shù)據(jù)單元或是文件系統(tǒng)塊上；l文件系統(tǒng)塊又被映射邏輯區(qū)

35、域(LogicalExtent)上；l通過(guò)操作系統(tǒng)或是LVM再把邏輯區(qū)域映射到磁盤(pán)的物理區(qū)域(Physical Extent)上；l這些物理區(qū)域最終被映射到物理存儲(chǔ)子系統(tǒng)上。 如果沒(méi)有LVM，那么就不會(huì)有邏輯區(qū)域(LogicalExtent)。沒(méi)有LVM，文件系統(tǒng)塊將被直接映射到磁盤(pán)扇區(qū)。 文件系統(tǒng)樹(shù)(FileSystemTree)以根目錄(RootDirectory)開(kāi)始。根目錄又有大量子目錄。文件系統(tǒng)只有掛載之后才能被使用。2022-5-1470主機(jī)的邏輯部件主機(jī)的邏輯部件2022-5-1471主機(jī)的邏輯部件主機(jī)的邏輯部件l應(yīng)用一個(gè)應(yīng)用(Application)就是一個(gè)提供計(jì)算操作邏輯：的計(jì)算機(jī)程序，它提供了一個(gè)介于用戶和主機(jī)以及多個(gè)主機(jī)之間的界面。傳統(tǒng)的使用數(shù)據(jù)庫(kù)的商業(yè)應(yīng)用都采用三層架構(gòu)前端(Front-end Tier)是應(yīng)用用戶界面：計(jì)算邏輯，或應(yīng)用本身，構(gòu)成了中間層(MiddleTier)：而組織數(shù)據(jù)的底層數(shù)據(jù)庫(kù)則是后端(Back-endTier)。應(yīng)用程序可以直接發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求到底層操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)來(lái)完成在存儲(chǔ)設(shè)備上讀寫(xiě)操作。應(yīng)用程序也可以在數(shù)據(jù)庫(kù)之上，而數(shù)據(jù)庫(kù)同樣也要利用操作系統(tǒng)的服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的讀寫(xiě)操作。這