存储系统

你的名字 2022-12-30 07:49 88阅读 0赞

计算机存储系统可以分为内置和外部两种方式。

内置就是机器里面装硬盘，外部可以是直接接外置硬盘，也可以是通过网络来连接存储设备。

## 一、磁盘接口 ##

对于内置磁盘，目前的接口主要是SATA/SAS/SCSI三种。

**1、SATA**  
像个人PC，目前一般硬盘接口是SATA（Serial ATA），即串行ATA。ATA(Advanced Technology Attachmen)，意为高级技术附件规格。20年前吧，大约2000年或更早的时候，PC里的硬盘符合PATA（parallel ATA,并行ATA）规范，接的是主板上的IDE口。目前的SATA与PATA相比，传输速率高，可靠性好，还支持热插拔，所以目前成为个人PC主流。

使用SATA的硬盘，转速通常不太高，容量大，目前PC机或者IOPS要求不是太高的存储多使用这种接口的硬盘。

**2、SCSI**  
个人PC层面是SATA接口，服务器一般是SCSI。

SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口），是一种用于计算机及其周边设备之间（硬盘、软驱、光驱、打印机、扫描仪等）系统级接口的独立处理器标准，并不仅仅只支持硬盘。  
![SCSI卡][SCSI]

SCSI有许多优点，如SCSI卡本身带有CPU，可处理一切SCSI设备的事务，在工作时主机CPU只要向SCSI卡发出工作指令，SCSI卡就会自己进行工作，工作结束后返回工作结果给CPU，在整个过程中，CPU均可以进行自身工作。由于占用主机CPU极低，在多任务系统中有明显的优势；SCSI还允许在对一个设备传输数据的同时，另一个设备对其进行数据查找。这就可以在多任务操作系统如Linux、WindowsNT中获得更高的性能。

SCSI是并行接口，而SAS(Serial SCSI)是串行接口，兼容SATA，如果主板上有个SAS接口，可以接SATA硬盘，不过反之则不行。

在应用上，SCSI优于SAS，SAS优于SATA，SATA优于ATA。SCSI硬盘多用于企业级以上服务器，SAS目前多用于工作组级服务器，SATA则多用于PC机等低负荷的终端设备。线缆上，SAS与SATA用相同的线缆，SCSI与ATA的线缆外观相近，但内含电缆数不同，完全不能互换！ATA线缆一条最多挂接两个硬盘，而一条SCSI线缆可挂接多达成15个SCSI设备。

## 二、磁盘阵列 ##

一般来说，作为服务器，磁盘通常会做磁盘阵列。

磁盘阵列（Redundant Arrays of Independent Disks，RAID），独立磁盘冗余阵列（又译作独立冗余磁盘阵列、廉价冗余磁盘阵列）。简单地说，RAID是一种把多块独立的硬盘按不同的方式组合起来形成一个硬盘组，从而提供比单个硬盘更高的存储性能和提供数据备份技术。

在用户看起来，组成的磁盘组就像是一个硬盘，用户可以对它进行分区，格式化等等。总之，对磁盘阵列的操作与单个硬盘一模一样。不同的是，磁盘阵列的存储速度要比单个硬盘高很多，而且可以提供自动数据备份。数据备份的功能是在用户数据一旦发生损坏后，利用备份信息可以使损坏数据得以恢复，从而保障了用户数据的安全性。

具体来说，RAID技术主要有以下三个基本功能：

(1)通过对磁盘上的数据进行条带化，实现对数据成块存取，减少磁盘的机械寻道时间，提高了数据存取速度。

(2)通过对阵列中的几块磁盘同时读取，减少了磁盘的机械寻道时间，提高数据存取速度。

(3)通过镜像或者存储奇偶校验信息的方式，实现了对数据的冗余保护。

组成磁盘阵列的不同方式称为RAID级别（RAID Levels）。已经发展了8个级别，分别是0、1、2、3、4、5、6、7等。但是最常用的是0、1、3、5、6五个级别。

**1、RAID JBOD**  
RAID JBOD的意思是Just a Bunch Of Disks，是将多块硬盘串联起来组成一个大的存储设备。

容量是所有磁盘的总和；各磁盘的容量尺寸并不要求一致，这是跟其他RAID的最大不同；因为是各设备串联，RAID JBOD的访问速度跟单个设备相同，也没有任何形式的校验，因此任意一块磁盘出现故障，都会破坏整个RAID，可靠性是单一设备的1/N。

从某种意义上说JBOD不被算作RAID。  
![在这里插入图片描述][20210124103713853.png_pic_center]

**2、RAID 0**  
条带化，读取速度快，但一损俱损。

连续以位或字节为单位分割数据，并行读/写于多个磁盘上，因此具有很高的数据传输率，这点有别于上面的JBOD，但它同样没有数据冗余，没有为数据的可靠性提供保证，其中一个磁盘失效将影响到所有数据。因此，RAID 0不能应用于数据安全性要求高的场合。  
![在这里插入图片描述][20210124104623766.gif_pic_center]  
**3、RAID 1**  
镜像，容量是所有磁盘容量的一半。  
![在这里插入图片描述][20210124105345731.gif_pic_center]  
RAID 1称为磁盘镜像，具备很好的磁盘冗余能力。同时当原始数据繁忙时，可直接从镜像中读取数据，因此RAID 1也可以提高读取性能。

但是成本也会明显增加，磁盘利用率为50%。RAID 1多用在保存关键性的重要数据的场合。

RAID 1主要是通过二次读写实现磁盘镜像，所以磁盘控制器的负载也相当大，尤其是在需要频繁写入数据的环境中。为了避免出现性能瓶颈，使用多个磁盘控制器就显得很有必要。

**4、RAID 0 + 1**  
RAID0与RAID1的结合体。既快速读写，又保证数据安全。护发去头皮，两全其美。唯一缺点，就是磁盘利用率还是只有50%。  
![在这里插入图片描述][20210124111122472.gif_pic_center]  
**5、RAID 2**  
带海明码校验。

将数据条块化分布于不同的硬盘上，然后使用一定的编码技术来提供错误检查及恢复。这种编码技术需要多个磁盘存放检查及恢复信息，实施复杂，因此在商业环境中很少使用。

**6、RAID 3**  
同RAID 2非常类似，都是将数据条块化分布于不同的硬盘上，区别在于RAID 3使用简单的奇偶校验，并用单块磁盘存放奇偶校验信息。如果一块磁盘失效，奇偶盘及其他数据盘可以重新产生数据;如果奇偶盘失效则不影响数据使用。RAID 3对于大量的连续数据可提供很好的传输率，但对于随机数据来说，奇偶盘会成为写操作的瓶颈。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
注意上图中Disk3为存储校验信息盘。

**7、RAID 4**  
RAID4和RAID3很象，不同的是，它对数据的访问是按数据块进行的，也就是按磁盘进行的，每次是一个盘。在图上可以这么看，RAID3是一次一横条，而RAID4一次一竖条。它的特点和RAID3也挺象，不过在失败恢复时，它的难度可要比RAID3大得多了，控制器的设计难度也要大许多，而且访问数据的效率不怎么好。

**8、RAID 5**  
RAID5（分布式奇偶校验的独立磁盘结构）。从它的示意图上可以看到，它的奇偶校验码存在于所有磁盘上，所以提高了可靠性。

RAID 5 是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案。 RAID 5可以理解为是RAID 0和RAID 1的折中方案。RAID 5可以为系统提供数据安全保障，但保障程度要比 RAID 1低而磁盘空间利用率要比 RAID 1 高。RAID 5具有和RAID 0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，RAID 5的磁盘空间利用率要比RAID 1高，存储成本相对较低，是运用较多的一种解决方案。

RAID5和RAID4一样，数据以块为单位分布到各个硬盘上。RAID 5不对数据进行备份，而是把数据和与其相对应的奇偶校验信息存储到组成RAID5的各个磁盘上，并且奇偶校验信息和相对应的数据分别存储于不同的磁盘上。当RAID5的一个磁盘数据损坏后，利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息去恢复被损坏的数据。

至少使用3块硬盘（也可以更多）组建RAID5磁盘阵列。只允许有一块硬盘出现故障，出现故障时需要尽快更换。当更换故障硬盘后，在故障期间写入的数据会进行重新校验。 如果在未解决故障又坏1块，那就是灾难性的了。

做RAID 5阵列所有磁盘容量必须一样大，当容量不同时，会以最小的容量为准。 最好硬盘转速一样，否则会影响性能。

图中下标带p的，都是检验码，每个盘都有，人人有份，永不落空。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

**9、RAID 6**  
与RAID 5相比，RAID 6增加了第二个独立的奇偶校验信息块。两个独立的奇偶系统使用不同的算法，数据的可靠性非常高，即使两块磁盘同时失效也不会影响数据的使用。但RAID 6需要分配给奇偶校验信息更大的磁盘空间，相对于RAID 5有更大的“写损失”，因此“写性能”非常差。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

**10、RAID 7**

RAID 7等级是至今为止，理论上性能最高的RAID模式，因为它从组建方式上就已经和以往的方式有了重大的不同。在RAID 7中，以前的单个硬盘相当于分割成多个独立的硬盘，有自己的读写通道，效率也就不言自明。  
![在这里插入图片描述][20210124232659370.jpg_pic_center]  
RAID 7完全可以理解为一个独立存储计算机，它自身带有操作系统和管理工具，完全可以独立运行。

**11、固态硬盘RAID技术**  
固态硬盘和机械硬盘组合搭建的混合式RAID阵列实现了两者特性的互补，有成本控制优势；但在性能与可靠性方面，多个固态硬盘构成的RAID阵列要优于混合阵列。目前大多数固态硬盘厂商都采用固态硬盘内部的芯片级RAID阵列来进一步提升性能，降低功耗。

**12、RAID实现方式**  
1）软件RAID  
使用基于主机的软件提供RAID 功能，在操作系统级实现

2）硬件RAID  
（1）基于主机的硬件RAID  
将专用RAID控制器安装在主机上，并且所有磁盘驱动器都与主机相连，有的制造商还将RAID控制器集成到主板上。在包含大量主机的数据中心环境下这不是高效的解决方案。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
（2）基于阵列的硬件RAID  
使用外部硬件RAID控制器，它充当主机与磁盘之间的接口。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

## 三、外部存储 ##

以上为内置式的存储系统，或曰封闭系统的存储。随着主机、磁盘、网络等技术的发展，对于承载大量数据存储的服务器来说，服务器内置存储空间，或者说内置磁盘往往不足以满足存储需要。因此，在内置存储之外，服务器需要采用外置存储的方式扩展存储空间。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]  
开放系统的外挂存储根据连接的方式分为：直连式存储（Direct-Attached Storage，简称DAS）和 网络化存储（Fabric-Attached Storage，简称FAS）；其中网络化存储根据传输协议又分为：网络接入存储（Network-Attached Storage，简称NAS）和存储区域网络（Storage Area Network，简称SAN）。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
**1、DAS**  
DAS(Direct Attached Storage，直接外挂存储)。

DAS这种直连方式，能够解决单台服务器的存储空间扩展、高性能传输需求，并且单台外置存储系统的容量，已经从不到1TB，发展到了2TB，随着大容量硬盘的推出，单台外置存储系统容量还会上升。基于阵列的硬件RAID应该也算DAS。

DAS的优点在于容易扩充，成本低廉，但仍然需要消耗比较多的服务器资源，并且扩充时需要停机，影响较大。直连式存储或服务器主机的升级扩展，只能由原设备厂商提供，往往受原设备厂商限制。  
![在这里插入图片描述][20210126220232982.jpg_pic_center]

**2、NAS**  
网络接入存储（Network-Attached Storage，简称NAS）

采用网络（TCP/IP、ATM、FDDI）技术，通过网络交换机连接存储系统和服务器主机，建立专用于数据存储的存储私网。NAS有文件系统和IP地址，可以类似的理解为网上邻居的共享磁盘。

NAS产品是真正即插即用的产品，支持多种计算机平台，无需改造即可用于混合Unix/Windows NT局域网内；由于网络接入存储采用TCP/IP网络进行数据交换，不同厂商的产品（服务器、交换机、NAS存储）只要满足协议标准就能够实现互连互通，无兼容性的要求。

NAS早期性能受带宽影响，随着快速以太网（100Mbps）、VLAN虚网、Trunk(Ethernet Channel) 以太网通道的出现，网络接入存储的读写性能得到改善；1998年千兆以太网（1000Mbps）的出现和投入商用，为网络接入存储（NAS）带来质的变化和市场广泛认可。2002年万兆以太网（10000Mbps）的出现和投入商用，存储网络带宽大大提高NAS存储的性能。

无论是从适用性还是TCO(Total Cost of Ownership,总拥有成本)的角度来说，NAS成为多数企业，尤其是大中小企业的最佳选择。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]

**3、SAN**  
存储区域网络（Storage Area Network，简称SAN）  
通过光纤通道交换机连接存储阵列和服务器主机，建立专用于数据存储的区域网络。

目前的SAN存储有2种：一是基于光纤通道的FC SAN；二是基于以太网的IP SAN(也就常说的iSCSI)。FC SAN通过光纤交换机连接到主机(HBA卡)，也就是说可以连接到光纤交换机的主机都可以访问这个存储；iSCSI作为共享于以太网络上的存储则更类似于NAS。

SAN的各存储设备之间交换数据时可以不通过服务器，能有效减少大流量数据传输时发生的阻塞和冲突，较大程度减轻服务器承受的压力，具有很强的灵活性和伸缩性。SAN使用了光纤，带宽高，速度快，传输距离远（光纤接口提供了50公里的连接长度，这使得实现物理上分离的、不在机房的存储变得非常容易）。如果说有什么缺点，就是贵，成本高。基于以太网的IP SAN则性能相去甚远。

SAN 应用于大型的数据中心（比如银行 保险业），IP-SAN 应用于中型的企业。  
　![在这里插入图片描述][20210126220256318.jpg_pic_center]  
**4、NAS与SAN的区别**  
NAS和SAN最本质的不同就是文件管理系统在哪里。如图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]  
SAN结构中，文件管理系统（FS）还是分别在每一个应用服务器上；而NAS则是每个应用服务器通过网络共享协议（如：NFS、CIFS）使用同一个文件管理系统。换句话说：NAS和SAN存储系统的区别是NAS有自己的文件系统管理。

按照我的理解，NAS意为网络接入存储，它就是一个独立的存储系统，通过网络接入；SAN为存储区域网络，是一个网络，这个网络适合用于存储。

NAS是存储系统，SAN是网络系统。

--------------------

2021.05.20  
NAS，通过网络将存储服务器连接起来；SAN，通过网络将磁盘连接起来。NAS，压力容易落在存储服务器上，形成瓶颈。而SAN，数据可以从多个磁盘中并行存取，提高了性能，减轻单个磁盘压力，再加上光纤高速传输，效果估计比NAS更好。

参考文章：  
[DAS、NAS、SAN][DAS_NAS_SAN]  
[磁盘阵列三种架构DAS、NAS、SAN基础知识][DAS_NAS_SAN 1]  
[存储：从硬盘到磁盘阵列再到DAS、NAS、SAN][DAS_NAS_SAN 2]

[SCSI]: /images/20221120/20ad53f8530349258cfe410c2fbfff84.png
[20210124103713853.png_pic_center]: /images/20221120/04abe9293a174190b9939be40a7f8350.png
[20210124104623766.gif_pic_center]: /images/20221120/f534331c41ef433f95352a7c50494baa.png
[20210124105345731.gif_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210124105345731.gif#pic_center
[20210124111122472.gif_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210124111122472.gif#pic_center
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210124220809985.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210124222751549.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210124113252426.jpg?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center
[20210124232659370.jpg_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210124232659370.jpg#pic_center
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210125223702357.jpg?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210125224247642.jpg?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201224135030974.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201224161858852.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center
[20210126220232982.jpg_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210126220232982.jpg#pic_center
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210126220245860.jpg?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center
[20210126220256318.jpg_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210126220256318.jpg#pic_center
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210126221404288.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center
[DAS_NAS_SAN]: https://www.cnblogs.com/yangmingxianshen/p/8390571.html
[DAS_NAS_SAN 1]: https://www.sohu.com/a/282588526_120043435
[DAS_NAS_SAN 2]: https://blog.csdn.net/lijie45655/article/details/94521049