数据存储设备

RAID实例－RAID卡
需要考虑： • 主板兼容性 • RAID控制器性能 • 磁盘接口 • 支持RAID级别
HighPoint Rocket SATA RAID 3120 带Input/Output Processor，128MB DDR II 内存。2个SATA接口，可支持2个硬盘的 RAID 0，1，JBOD。
脉冲信号，再利用数据转换器进行数据转换
▪ 磁头驱动机构
移动磁头
▪ 盘片
硬盘存储数据的载体
▪ 主轴组件
主轴组件轴承和马达等
▪ 前置控制电路
控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动等
硬盘接口类型
▪ 硬盘与主机系统间的连接部件 ▪ 作用在硬盘缓存和主机内存之间传输数据 ▪ 硬盘接口分为IDE、SATA、SCSI和光纤通道 ▪ 每种接口协议具备不同的传输速度，存取
▪ RAID3 通过分条提高性能，利用奇偶校验提升容
错性。在存储普通的信息的硬盘以外， 用一块专门的 硬盘存储校验信息 。
RAID分级
▪ RAID4 通过分条提高性能，利用奇偶校验提升容
错性。在存储普通的信息的硬盘以外， 用一块专门的 硬盘存储校验信息。但允许某一数据单元（block）可 以从单块磁盘中读写，而无需访问整个条带，所以数 据读取的速度高。
效能的差异较大
IDE
▪ 电子集成驱动器 ▪ 传输可靠性高、制造容易、兼容性好、易
于安装 ▪ 价廉、稳定性好、标准化程度高
SATA
▪ 串口硬盘，以串行的方式发送数据 ▪ 一次只传输一位，减少接口针脚 ▪ 四个针脚分别用于连接电缆、连接地线、
发送数据和接收数据 ▪ 减少系统能耗、减少系统复杂性 ▪ 起点高、发展潜力大
光盘的分类及区别
▪ CD-DA ▪ CD-ROM ▪ CD-I ▪ Photo CD ▪ Video-CD
▪ Enhanced-CD ▪ CD-R ▪ CD-RW ▪ MD ▪ DVD
光盘存储技术的特点
▪ 存储密度高 ▪ 与计算机联机能力强，易于实现随机检索
和远距离传输 ▪ 便于大量复制 ▪ 影像还原效果好 ▪ 适用范围广
RAID分级－数据镜像
▪ 数据镜像Mirroring：将同一数据写在两块 不同硬盘上，从而产生该数据两个副本。
RAID分级－奇偶校验
▪ 奇偶校验Parity (Error Correction )：通过数 学方法而不是单纯重复写同样数据来实现 数据保护。
e.g. 独立磁盘奇偶校验:校验信息单独存在磁盘 上，一旦出现磁盘损坏，用校验值减去其它磁 盘上对应位置的值，就能找回数据。
存储设备历史回顾
▪ “重”大突破——世界上第一台硬盘机 ▪ 目前最重要的存储设备——硬盘 ▪ 第一张视频光盘——LD光盘 ▪ 体积更小、容量更大——小光盘 ▪ 采用红外激光——DVD光盘 ▪ 最先进的存储——蓝光DVD、HD-DVD
光盘存储设备概述
▪ 光盘存储原理
借助激光把计算机转换后的二进制数据用数据 模式刻在扁平、具有反射能力的盘片上。
▪ DAT技术 ▪ 8mm技术 ▪ DLT技术 ▪ LTO技术 ▪ AIT技术 ▪ VXA技术
硬盘存储原理
▪ 采用磁介质的存储设备 ▪ 密封在洁净的硬盘驱动器内腔的若干个磁
盘片上 ▪ 磁道、扇区、柱面
硬盘的物理组成
▪ 盘片、磁头，盘片转轴及控制电机、磁头 控制器、数据转换器、接口、缓存
硬盘的外部结构
▪ 磁带库
广义的磁带库包换自动加载磁带机和磁带库 磁带库是指基于磁带的备份，一种将多台磁带
机整合到一个封闭机构中的箱式磁带备份设备 由多个驱动器、多个槽、机械手臂组成，并可
由机械手臂自动实现磁带的拆卸和装填
磁带数据库读写工作原理
▪ 螺旋扫描读写方式
高可靠性、高速度、高容量
▪ 线性记录读写方式
增加数据储存的可靠性 改善数据读取的速度与性能
RAID的实现
软件RAID
例子：Windows Server 2003
优点：成本低 （随操作系统）
缺点：
• • •
RAID相关运算影响CPU性能 不支持所有RAID级别 与操作系统捆绑，缺乏灵活性。
硬件RAID
RAID卡 （基于主机） 外部RAID控制器 （基于磁盘阵列）
中
随机读较好
顺序读很好
中
随机读很好
顺序读较好
中
随机读很好
顺序读较好
中
随机读很好
顺序读较好
高
很好
较好
较好
较好
较好
较好
较好
优于RAID3， RAID4， RAID6
较快
较好
快
* n为磁盘数目
数据恢复 －热备用（Hot Spare）
▪ 热备用指的是RAID阵列中用于临时替代RAID集中故
障硬盘的备用硬盘（一个阵列中可以有多个热备用 盘），热备可以设置为自动或用户发起。不同RAID使
按存储方式分
▪ 随机存储器（RAM）
静态RAM 动态RAM
▪ 只读存储器（ROM）
掩模型只读存储器（MROM） 可编程只读存储器（PROM） 可擦除可编程只读存储器（EPROM） 电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）
▪ 串行访问存储器
顺序存取存储器 直接存取存储器
按在计算机中的作用分类
•磁盘读写不如SCSI RAID, •支持热拔插
IDE RAID
RAID0， RAID1
低 <SCSI30%
•50％硬件 50％软件RAID
•有独立控制芯片，但只包括简单操作， 高主机CPU占用率 •不支持热拔插，在线扩展，后台初始化
RAID实例－配置
阵列通常是通过磁盘阵列卡的 BIOS工具进行配置。 例子：在HP服务器上，用五块磁盘建立RAID5和一个热 备盘。 开机启动
SCSI
▪ 小型计算机接口 ▪ 专门为小型计算机系统设计的存储单元接
口，通常用于服务器承担关键业务的较大 的存储负载 ▪ 更适于中、高端存储应用
接口支持数更多 SCSI的带宽很宽 CPU占用率低、并行处理能力强
光纤通道
▪ 专门为网络系统设计的 ▪ 热插拔性、高速带宽、远程连接、连接设
备数量大
用不同方法从热备中恢复数据：
如果采用校验RAID，则按照RAID集中的校验值和幸 存盘上的数据重建
如果采用镜像RAID，则从存活镜像上复制数据
数据恢复 －热拔插 （Hot Plug ）
▪ 热拔插指在使用数据
保护性RAID阵列时，在 开机状况下用新硬盘替 换原来的故障硬盘。即 在开机状况拔出故障硬 盘，安装新硬盘。
维护更换与管理非常容易，成本价格低 访问速度较低，自动换盘机构的换盘时间通常
在秒量级 信息处理能力强
光盘库发展阶段
▪ 第一代光盘库
须通过SCSI总线连接服务器 对服务器要求较高 光驱速度慢，且易损坏
▪ 第二代光盘库
体积庞大，无需服务器支持 不支持并发用户访问 传输速度慢，光驱易损坏
硬盘接口技术比较
接口类型 IDE SATA SCSI SAS FC
优点 价格低廉 价格低、容量高 性能较高 高性能、高可靠性 高性能、高可靠性
不足 性能较低 性能、可靠性低 并行技术的弊端 未完全成熟 价格较高
应用领域 PC 中低端存储 企业级存储 中高端存储 高端存储
什么是RAID
▪ 独立磁盘冗余阵列，或简称磁盘阵列 ▪ 主要有两个目的：
品牌: •Adaptec •Highpoint •LSI Logic
RAID实例－RAID卡
RAID SCSI RAID SAS RAID
SATA RAID
通常支持RAID级别 RAID0到RAID6
RAID0到RAID6
价格 高
中
性能
•100％硬件RAID •接口速度快：160MBps-320Mbps •有独立控制芯片，低主机CPU占用率， •支持热拔插，在线扩展，后台初始化
▪ 第三代光盘库
速度快，单位成本低，对原光盘无磨损 安全性较差，数据易丢失
磁带存储技术
▪ 特点
互换性好、易于保存 具有高纠错能力的编码技术 即写即读的通道技术 可靠性强 读写速度快
主要设备
▪ 磁带机
单驱动产品，通常有磁带驱动器和磁带构成。
▪ 自动加载磁带机
将磁带和磁带机有机结合
优点：对主机CPU性能影响小，灵活性高 缺点：贵
RAID分级
▪ RAID分级取决于三个因素：
分条Striping 数据镜像Mirroring 奇偶校验 Parity（ Error Correction ）
RAID分级－分条
▪ 分条Striping： 将数据分散到不同物 理硬盘上，使读写数
RAID分级据时可以同时访问多 块硬盘。
▪ 接口：包括电源接口和数据接口（IDE接口 和SCSI接口）
▪ 控制电路板：包括主轴高速电路、磁头驱 动与伺服定位电路、读写电路、控制和接 口电路等
▪ 固定盖板：硬盘的面板，设有安装孔及透 气孔
硬盘的内部结构
▪ 磁头组件
由读写头、传动手臂、传动轴组成 磁头在读数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电
RAID分级
❖ RAID1＋0分条的镜像。数据先
被镜像，再分条，数据恢复简单 ，迅速。
▪ RAID0＋1镜像的分条。数据
先被分条，再镜像，一旦一块硬 盘坏掉，级数下降成RAID0，恢
复起来较RAID1+0麻烦 。
RAID分级
▪ RAID2 带海明码的RAID（超算中应用较多，不做详
细讨论。）
RAID分级
读写速度低、磨损小、磁带的可靠性较高、容 量易扩容、价格较低
磁带的分类
▪ 采用螺旋扫描读写方式
面向工作组级的DAT（4mm）磁带机 面向部门级的8mm磁带机
▪ 数据流存储技术
面向低端应用的Travan和DC系列 面向高端应用的DLT和IBM的3480/3490/3590系
列
磁带存储技术及其应用
RAID分级
▪ RAID5 通过分条提高性能，利用奇偶校验提升容错性。允许某
一数据单元（block）可以从单块磁盘中读写，而无需访问整个条带。 校验信息分布在所有磁盘上。比RAID4写性能好，容易恢复。
RAID分级
▪ RAID6基本与RAID5一样，但引入第二校验元素应对两块磁
盘同时失效的情况。写代价也因此比RAID5高，恢复也比RAID5 耗时长。
利用激光束在记录表面上存储的信息，根据激 光束和反射光的强弱不同，可以实现信息的读/ 写。
由于光学读/写头和介质保持较大的距离，因此， 它是非接触型读/写的存储器。
光存储设备
▪ 主要部分
激光发生器和光监测器
▪ 激光二极管，可以产生对应波长的激光光 束，然后经过一系列的处理后射到光盘上， 然后经由光监测器捕捉反射回来的信号从 而识别实际的数据。
▪ 主存储器
可以和CPU直接交换信息
▪ 辅助存储器
用来存放当前暂时不用的程序和数据，不能与 CPU直接交换信息
▪ 缓冲存储器
用在两个速度不同的部件之间，起到缓冲作用
存储设备历史回顾
▪ 最早期的存储媒介——打孔纸卡 ▪ 容量比打孔纸卡大——穿孔纸带 ▪ 电子应用——计数电子管 ▪ 大型磁带记录——盘式磁带 ▪ 最珍贵的回忆——盒式录音磁带 ▪ 超长的存储设备——磁鼓 ▪ 早期盛行的移动存储——软磁盘
光盘在数据存储备份系统中的应用
▪ 光盘塔 ▪ 光盘库
光盘塔Байду номын сангаас
▪ 由几台或十几台CD-ROM驱动器串联构成， 通过软件来控件某台光驱的读写操作
▪ 可同时支持几十个到几百个用户访问信息 ▪ 访问速度方面 ▪ 数据源方面 ▪ 安全方面
光盘库
▪ 特点
安装简单、使用方便，并支持几乎所有的常见 网络操作系统及各种常用通信协议
RAID比较
RAID RAID0 RAID1
最少磁盘数 2 2
磁盘利用率 100％ 50％
RAID3
3
n-1/n
RAID4
3
n-1/n
RAID5
3
n-1/n
RAID6
4
RAID1＋0
RAID0＋1
4
n-2/n 50%
开销 低 高
读性能 （较单磁盘） 很好
较好
写性能 （较单磁盘）
很好
较好
数据恢复时间 N/A 快
蔡熙
数据存储备份与灾难恢复
数据存储设备
▪ 存储设备发展历史 ▪ 光盘设备存储原理 ▪ 磁带设备技术原理及应用 ▪ 硬盘设备存储原理及RAID技术
存储设备的分类
▪ 按存储介质分类 ▪ 存储介质
能寄存“0”或“1”两种代码并能区别两种状 态的物质或元器件
半导体存储器 磁表面存储器 磁芯存储器 光盘存储器
RAID分级
▪ RAID0 单纯依靠分条提高I/O性能，无数据保护。
适用 ：I/O量大但不需要数据保护的应用 e.g.图像处理
RAID分级
▪ RAID1 通过数据镜像提升容错性。同一数据写在不同
硬盘上。可以承受一块甚至几块硬盘同时坏掉，但不 优化读取性能。
▪ 适用 ：数据安全可靠性要求非常高的应用 e.g. 人事会计系统