存储基本原理课件
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MTBF：平均无故障时间
非结构化数据的增长需求，NetApp推出第一款NAS
IP技术的成熟，低成本IPSAN出现
NAS与SAN结合，简化管理提高效率
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8
目录
1
存储阵列的诞生及发展
2
存储技术常用名词术语及存储配件
3
存储协议及存储架构介绍
4
存储高级软件功能
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9
存储RAID定义
RAID （Redundant Array of Independent Disks）即独立磁盘冗余阵 列，RAID技术将多个单独的物理硬盘以不同的方式组合成一个逻辑硬盘，从而 提高了硬盘的读写性能和数据安全性
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25
传统RAID数据保护方式
▪ 数据重建到热备盘上 – 热备盘需要承担数据重建的所有写操作 – 成为性能瓶颈 – 数据重建只能依序进行，一次一个数据条带
▪ 此RAID组上所有的数据访问都会受到影响
24-drive system with (2) 10-drive groups (8+2) and (4) hot spares
– 硬盘故障对系统的性能影响最小 – 显著加快系统恢复时间 – 10倍于传统RAID的恢复速度 – 加速数据重建
• 磁盘池规避硬盘热点
– 所有的卷空间分布在磁盘池中全部的硬盘中 – 降低硬盘故障率
• 动态的数据分布和再分配由后台持续进行
Performance Impact of a Drive Failure
位时间内系统能处理的I/O请求数量，一般以每秒处理的I/O请求数量为单位，I/O请求通常 为读或写数据操作请求。随机读写频繁的应用，如OLTP(OnlineTransaction Processing)， IOPS是关键衡量指标。 • Bandwidth-带宽：指单位时间内可以成功传输的数据数量。对于大量顺序读写的应用，如 VOD(Video On Demand)，则更关注吞吐量指标。 • Response Time-响应时间，通常与控制器与硬盘类型相关
RAID基本概念—RAID级别的选 择
成本
RAID0
RAID6
RAID5（3）
性能
可靠性
RAID10 RAID1
RAID级别
应用场合
RAID0
视频生成与编辑、图像编辑
RIAD1
财务、金融系统
RAID3
视频监控等需要高吞吐量的场合
RAID5
OLTP、OLAP、数据库系统
RAID6
对数据安全性要求很高的场合
部接口之间的缓冲器
转速对磁盘性能的影响
✓ 硬盘的读写速度同硬盘的转速成正比 ✓ 更高的转速可缩短硬盘的实际读写时间
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34
企业级硬盘与桌面级硬盘的区别
序号 1 2
3 4 5 6
参数 上电时间 Duty Cycle（工作负荷）
MTBF SCT 错误纠正功能 负载管理（用于控制机 体温度及保证长时间工 作可靠性）
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31
JBOD
•最初用来表示一个没有控制软件提供协调控制的磁盘集合。
SAS、FC线缆
阵列－控制器＝扩展柜 带有控制单元的阵列
磁盘扩展接口
磁盘扩展接口
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32
外置独立存储系统的配件组成
•BBU
•电源
•风扇 •硬盘
•Cache Title
•控制器
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33
存储重要组成——硬盘
▪ Data is reconstructed throughout the disk pool
– 所有的硬盘都会参与数据重写操作
– 数据重建多条带并行处理
– 10倍速度完成数据重建
23 24-drive system with single 24-drive pool
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28
动态磁盘池特点
桌面级 8小时/天
低
六十万小时 不支持 不支持 不支持
企业级 24小时/天 高（例如西数RE2 系列硬盘可达100%） 一百二十万小时
支持 支持 支持
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35
各类接口
阵列
管理 接口
磁盘扩 展接口
扩展柜
主机 接口
学习交流PPT
服务器
36
关于存储磁盘阵列性能
性能不仅仅是IOPS，从存储系统的角度，有三个尺度可以来衡量存储系统的性能： • IOPS(Input/OutputPer Second)——IOPS即每秒的输入输出量(或读写次数)，IOPS是指单
• DDP 动态分布数据、热备空间 • 数据保护信息保存在所有磁盘池中所有硬盘上
• 智能算法实现硬盘的分片管理 • 硬盘分片根据性能平衡需要动态实现重建、再分配 • 快速实现硬盘故障的恢复 • 所有硬盘参与数据重建 • 数据重建对系统性能影响极小
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29
动态磁盘池特点
• 系统提供持续不受影响的性能 • 系统性能保持在 “绿色区域”
硬盘的主要指标
常用指标
• 容量：指硬盘能存储的数据量大小，以字节为基本单位 • 单碟容量：硬盘都是由一个或几个盘片组成的，单碟容量就是指包括正反两面在内的单
个盘片的总容量 • 转速：即主轴马达转动速度，单位为RPM（Round Per Minute)，即每分钟盘片转动
圈数 常用指标 • 缓存：是硬盘控制器上的一块内存芯片，具有极快的存取速度，它是硬盘内部盘片和外
1、随着服务器数量的增多，磁盘数量也在增加，且分散在不同的服务器 上，查看每一个磁盘的运行状况都需要到不同的应用服务器上去查看。
2、更换磁盘也需要拆开服务器，中断应用。
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6
真正的企业级存储
将磁盘从服务器中脱离出来，集中到一起管理 商业、大容量、为企业解决信息时代海量数据的存储才是真正的存储
654 32 1
XPO2 R P0 P1 P2
GE变换 Q0 Q1 Q2 +XOR
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21
RAID基本概念—RAID0+1
4块磁 盘
….. 2 1….. 2 1
RAID 01
RAID0
1
2
3
4
5
6
7
8
Disk1 Disk2
RAID0
1
2
3
4
5
6
7
8
Disk3 Disk4
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22
“从石器时代到存储设备（From StoneAge to StorAge），硬盘发 展至今，简直就像从石器时代走到现在。”
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3
信息化数据发展
海量数据
多元化数据
截止2013年，中国数据总量达到8-10EB 每年以50%的速度增长
从2011年开始，75%以上的数据都是基于 文件的数据类型，非结构化数据79%的复合增
Optimal
DDP
Acceptable
Performance
Time
RAID Rebuild
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30
磁盘阵列
•由一个或者多个磁盘子系统中的磁盘组成的磁盘集合，这些磁盘 由控制软件组合到一起并统一控制。自带RAID控制器的盘柜就叫 做磁盘阵列或者盘阵。 •控制软件将磁盘集合的总磁盘存储容量作为一个或者多个虚拟磁 盘提供给主机。
百度文库
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26
动态磁盘池DDP Volumes
▪ 每一个卷的数据，保护信息和热备空间均匀分布在磁盘池中的所有 硬盘上
▪ 所有的磁盘都是活动状态，无备用状态 ▪ 热备空间对所有的卷都有保护作用
24-drive system with single 24-drive pool
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27
动态磁盘池——当发生磁盘故障 时
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38
高可靠性（High Availability）
经常听到五个“9”的标准，什么是五个“9”？五个“9”意味着什么？
计算方法 A(Availability) = MTBF/(MTBF+MTTR) Downtime = 525600×(1-A) mins/year Availability：可靠性
目录
1
存储阵列的诞生及发展
2
存储技术常用名词术语及存储配件
3
存储协议及存储架构介绍
4
存储高级软件功能
学习交流PPT
1
mainframe
IT技术的发展趋势
C/S PC internet
Cloud computing
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2
从世界第一款磁盘驱动器说起…
世界上第一款磁盘驱动器(magnetic drive) RAMAC（名为IBM 305）是IBM在1956年所创， 重达一吨（内含50片24英寸硬盘），只能容纳5MB的数据。
1
RAID 1
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18
RAID基本概念—RAID3
3块磁盘
RAID 3
654 32 1
XPO2R P0 P1 P2
学习交流PPT
19
RAID基本概念—RAID5
3块磁盘
RAID 5
654 32 1
XPO2R P0 P1 P2
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20
RAID基本概念—RAID6
4块磁盘
RRAAIDID6 6
• 专用式：备用硬盘为系统中某一组冗余RAID组专用
磁盘阵列
热备盘
RAID 5
RAID 5
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24
传统RAID数据保护方式
▪ 磁盘组织管理通过RAID组 ▪ 卷空间只能分布在RAID组中的磁盘上
– 性能受磁盘数目限制 ▪ 热备盘直到硬盘故障的时候参与工作 ▪ 热备的空间总是处于备用状态
24-drive system with (2) 10-drive groups (8+2) and (4) hot spares
HDS：我们有权威的SPC数据，证明我们的性能。
EMC：SPC的测试标准没有考虑规定许多对存储性能测试至关重要的因素，SPC平台并不能代表 客户的实际应用。
用户：把我的应用测了再说！
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37
关于存储磁盘阵列性能
应用访问模式
受到 15K 2.5-in 或 3.5-in 驱动器的最好服 务
读密集型 写密集型
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7 7
存储发展历史
Tape 1920’s
HDD 1956
存储产品的发展历程就是数据保存、应用发展的过程 DAS
1970’s FC SAN
IBM推出第一款HDD
1980’s
数据脱离Server，存储单独发展 数据的集中管理需求，SAN出现
NAS 1993
IPSAN 2001
统一存储 2010
驱动器SED考虑
联机事务处理
●
●
医学成像
●
文档映像
●
备份/恢复
●
数据仓库
●
系统 (SCP)
●
文件服务
●
网络/因特网
●
混合工作量
●
●
虚拟化
多媒体/视频
●
CAD/CAM
●
IOPs
I/O 密集型
●
● ●
●
吞吐密集型 随机存取
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
顺序存取 ● ● ●
●
●
●
●
●
选择近线SAS驱动器
MB/s
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15
RAID基本概念—RAID、逻辑卷
LUN1
LUN2
LUN3
逻辑卷（LV ）
分割
物理卷（RAID组）
物理磁盘
Disk1
Disk2
Disk3
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16
RAID基本概念—RAID0
2块磁盘
65 43 21
RAID 0
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17
RAID基本概念—RAID1
2块磁盘
3
2
学习交流PPT
23
RAID基本概念—RAID硬盘故障 处理
热备：HotSpare
• 定义：当冗余的RAID组中某个硬盘失效时，在不干扰当前RAID系统的正常使 用的情况下，用RAID系统中另外一个正常的备用硬盘自动顶替失效硬盘，及 时保证RAID系统的冗余性
• 全局式：备用硬盘为系统中所有的冗余RAID组共享
A2 数据盘3
更换
P 数据校验盘
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14
RAID基本概念—物理卷、逻辑卷
逻辑卷
LUN1
物理卷
逻辑卷
LUN2
LUN3
物理卷
RAID10 单个物理卷上创建1个逻辑卷
RAID5 单个物理卷上创建2个逻辑卷
✓ RAID由几个硬盘组成 ，从整体上看相当于一个物理卷 ✓ 在物理卷的基础上可以按照指定容量创建一个或多个逻辑卷，通过LUN（Logic Unit Number）来标识
11
RAID基本概念—条带化
条带化
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12
RAID基本概念—校验
A0值 0 0 1 1
A1值
P值
0
0
1
1
0
1
1
0
奇偶校验（XOR）算法
数据A0和A1通过异或运算（相同为0，相异为1）得到校验位P
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13
RAID基本概念—磁盘数据重建
A0 ＝
XOR
XOR
故障
数据盘1
A1 数据盘2
长率
结构化数据31%的复合增长率
=
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4
IT技术的发展趋势
数据如何存储？ 数据如何保护？ 数据如何高效使用？
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5
独立存储的诞生
• 存储系统是整个IT系统的基石，是IT技术赖以存在和发挥效能的基础平台。 • 早先的存储形式是存储设备（通常是磁盘）与应用服务器其他硬件直接安装
于同一个机箱之内，并且该存储设备是给本台应用服务器独占使用的。 • 缺点：
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10
RAID诞生的因素
• CPU运算速度飞速 提高，数据读写速 度不应该成为计算 机系统处理的瓶颈
容量
性能
可靠性
RAID
• 计算机发展初期， 大容量硬盘价格非 常高，而需要存储 的数据量越来越大
• 信息时代，数据对 企业和个人的重要 性越来越大，数据 存储安全更需要保 障
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非结构化数据的增长需求，NetApp推出第一款NAS
IP技术的成熟，低成本IPSAN出现
NAS与SAN结合，简化管理提高效率
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8
目录
1
存储阵列的诞生及发展
2
存储技术常用名词术语及存储配件
3
存储协议及存储架构介绍
4
存储高级软件功能
学习交流PPT
9
存储RAID定义
RAID （Redundant Array of Independent Disks）即独立磁盘冗余阵 列，RAID技术将多个单独的物理硬盘以不同的方式组合成一个逻辑硬盘，从而 提高了硬盘的读写性能和数据安全性
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25
传统RAID数据保护方式
▪ 数据重建到热备盘上 – 热备盘需要承担数据重建的所有写操作 – 成为性能瓶颈 – 数据重建只能依序进行，一次一个数据条带
▪ 此RAID组上所有的数据访问都会受到影响
24-drive system with (2) 10-drive groups (8+2) and (4) hot spares
– 硬盘故障对系统的性能影响最小 – 显著加快系统恢复时间 – 10倍于传统RAID的恢复速度 – 加速数据重建
• 磁盘池规避硬盘热点
– 所有的卷空间分布在磁盘池中全部的硬盘中 – 降低硬盘故障率
• 动态的数据分布和再分配由后台持续进行
Performance Impact of a Drive Failure
位时间内系统能处理的I/O请求数量，一般以每秒处理的I/O请求数量为单位，I/O请求通常 为读或写数据操作请求。随机读写频繁的应用，如OLTP(OnlineTransaction Processing)， IOPS是关键衡量指标。 • Bandwidth-带宽：指单位时间内可以成功传输的数据数量。对于大量顺序读写的应用，如 VOD(Video On Demand)，则更关注吞吐量指标。 • Response Time-响应时间，通常与控制器与硬盘类型相关
RAID基本概念—RAID级别的选 择
成本
RAID0
RAID6
RAID5（3）
性能
可靠性
RAID10 RAID1
RAID级别
应用场合
RAID0
视频生成与编辑、图像编辑
RIAD1
财务、金融系统
RAID3
视频监控等需要高吞吐量的场合
RAID5
OLTP、OLAP、数据库系统
RAID6
对数据安全性要求很高的场合
部接口之间的缓冲器
转速对磁盘性能的影响
✓ 硬盘的读写速度同硬盘的转速成正比 ✓ 更高的转速可缩短硬盘的实际读写时间
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34
企业级硬盘与桌面级硬盘的区别
序号 1 2
3 4 5 6
参数 上电时间 Duty Cycle（工作负荷）
MTBF SCT 错误纠正功能 负载管理（用于控制机 体温度及保证长时间工 作可靠性）
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31
JBOD
•最初用来表示一个没有控制软件提供协调控制的磁盘集合。
SAS、FC线缆
阵列－控制器＝扩展柜 带有控制单元的阵列
磁盘扩展接口
磁盘扩展接口
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32
外置独立存储系统的配件组成
•BBU
•电源
•风扇 •硬盘
•Cache Title
•控制器
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33
存储重要组成——硬盘
▪ Data is reconstructed throughout the disk pool
– 所有的硬盘都会参与数据重写操作
– 数据重建多条带并行处理
– 10倍速度完成数据重建
23 24-drive system with single 24-drive pool
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28
动态磁盘池特点
桌面级 8小时/天
低
六十万小时 不支持 不支持 不支持
企业级 24小时/天 高（例如西数RE2 系列硬盘可达100%） 一百二十万小时
支持 支持 支持
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35
各类接口
阵列
管理 接口
磁盘扩 展接口
扩展柜
主机 接口
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服务器
36
关于存储磁盘阵列性能
性能不仅仅是IOPS，从存储系统的角度，有三个尺度可以来衡量存储系统的性能： • IOPS(Input/OutputPer Second)——IOPS即每秒的输入输出量(或读写次数)，IOPS是指单
• DDP 动态分布数据、热备空间 • 数据保护信息保存在所有磁盘池中所有硬盘上
• 智能算法实现硬盘的分片管理 • 硬盘分片根据性能平衡需要动态实现重建、再分配 • 快速实现硬盘故障的恢复 • 所有硬盘参与数据重建 • 数据重建对系统性能影响极小
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29
动态磁盘池特点
• 系统提供持续不受影响的性能 • 系统性能保持在 “绿色区域”
硬盘的主要指标
常用指标
• 容量：指硬盘能存储的数据量大小，以字节为基本单位 • 单碟容量：硬盘都是由一个或几个盘片组成的，单碟容量就是指包括正反两面在内的单
个盘片的总容量 • 转速：即主轴马达转动速度，单位为RPM（Round Per Minute)，即每分钟盘片转动
圈数 常用指标 • 缓存：是硬盘控制器上的一块内存芯片，具有极快的存取速度，它是硬盘内部盘片和外
1、随着服务器数量的增多，磁盘数量也在增加，且分散在不同的服务器 上，查看每一个磁盘的运行状况都需要到不同的应用服务器上去查看。
2、更换磁盘也需要拆开服务器，中断应用。
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6
真正的企业级存储
将磁盘从服务器中脱离出来，集中到一起管理 商业、大容量、为企业解决信息时代海量数据的存储才是真正的存储
654 32 1
XPO2 R P0 P1 P2
GE变换 Q0 Q1 Q2 +XOR
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21
RAID基本概念—RAID0+1
4块磁 盘
….. 2 1….. 2 1
RAID 01
RAID0
1
2
3
4
5
6
7
8
Disk1 Disk2
RAID0
1
2
3
4
5
6
7
8
Disk3 Disk4
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22
“从石器时代到存储设备（From StoneAge to StorAge），硬盘发 展至今，简直就像从石器时代走到现在。”
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3
信息化数据发展
海量数据
多元化数据
截止2013年，中国数据总量达到8-10EB 每年以50%的速度增长
从2011年开始，75%以上的数据都是基于 文件的数据类型，非结构化数据79%的复合增
Optimal
DDP
Acceptable
Performance
Time
RAID Rebuild
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30
磁盘阵列
•由一个或者多个磁盘子系统中的磁盘组成的磁盘集合，这些磁盘 由控制软件组合到一起并统一控制。自带RAID控制器的盘柜就叫 做磁盘阵列或者盘阵。 •控制软件将磁盘集合的总磁盘存储容量作为一个或者多个虚拟磁 盘提供给主机。
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26
动态磁盘池DDP Volumes
▪ 每一个卷的数据，保护信息和热备空间均匀分布在磁盘池中的所有 硬盘上
▪ 所有的磁盘都是活动状态，无备用状态 ▪ 热备空间对所有的卷都有保护作用
24-drive system with single 24-drive pool
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27
动态磁盘池——当发生磁盘故障 时
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38
高可靠性（High Availability）
经常听到五个“9”的标准，什么是五个“9”？五个“9”意味着什么？
计算方法 A(Availability) = MTBF/(MTBF+MTTR) Downtime = 525600×(1-A) mins/year Availability：可靠性
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1
存储阵列的诞生及发展
2
存储技术常用名词术语及存储配件
3
存储协议及存储架构介绍
4
存储高级软件功能
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1
mainframe
IT技术的发展趋势
C/S PC internet
Cloud computing
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2
从世界第一款磁盘驱动器说起…
世界上第一款磁盘驱动器(magnetic drive) RAMAC（名为IBM 305）是IBM在1956年所创， 重达一吨（内含50片24英寸硬盘），只能容纳5MB的数据。
1
RAID 1
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18
RAID基本概念—RAID3
3块磁盘
RAID 3
654 32 1
XPO2R P0 P1 P2
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19
RAID基本概念—RAID5
3块磁盘
RAID 5
654 32 1
XPO2R P0 P1 P2
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20
RAID基本概念—RAID6
4块磁盘
RRAAIDID6 6
• 专用式：备用硬盘为系统中某一组冗余RAID组专用
磁盘阵列
热备盘
RAID 5
RAID 5
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24
传统RAID数据保护方式
▪ 磁盘组织管理通过RAID组 ▪ 卷空间只能分布在RAID组中的磁盘上
– 性能受磁盘数目限制 ▪ 热备盘直到硬盘故障的时候参与工作 ▪ 热备的空间总是处于备用状态
24-drive system with (2) 10-drive groups (8+2) and (4) hot spares
HDS：我们有权威的SPC数据，证明我们的性能。
EMC：SPC的测试标准没有考虑规定许多对存储性能测试至关重要的因素，SPC平台并不能代表 客户的实际应用。
用户：把我的应用测了再说！
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37
关于存储磁盘阵列性能
应用访问模式
受到 15K 2.5-in 或 3.5-in 驱动器的最好服 务
读密集型 写密集型
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7 7
存储发展历史
Tape 1920’s
HDD 1956
存储产品的发展历程就是数据保存、应用发展的过程 DAS
1970’s FC SAN
IBM推出第一款HDD
1980’s
数据脱离Server，存储单独发展 数据的集中管理需求，SAN出现
NAS 1993
IPSAN 2001
统一存储 2010
驱动器SED考虑
联机事务处理
●
●
医学成像
●
文档映像
●
备份/恢复
●
数据仓库
●
系统 (SCP)
●
文件服务
●
网络/因特网
●
混合工作量
●
●
虚拟化
多媒体/视频
●
CAD/CAM
●
IOPs
I/O 密集型
●
● ●
●
吞吐密集型 随机存取
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
顺序存取 ● ● ●
●
●
●
●
●
选择近线SAS驱动器
MB/s
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15
RAID基本概念—RAID、逻辑卷
LUN1
LUN2
LUN3
逻辑卷（LV ）
分割
物理卷（RAID组）
物理磁盘
Disk1
Disk2
Disk3
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16
RAID基本概念—RAID0
2块磁盘
65 43 21
RAID 0
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17
RAID基本概念—RAID1
2块磁盘
3
2
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23
RAID基本概念—RAID硬盘故障 处理
热备：HotSpare
• 定义：当冗余的RAID组中某个硬盘失效时，在不干扰当前RAID系统的正常使 用的情况下，用RAID系统中另外一个正常的备用硬盘自动顶替失效硬盘，及 时保证RAID系统的冗余性
• 全局式：备用硬盘为系统中所有的冗余RAID组共享
A2 数据盘3
更换
P 数据校验盘
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14
RAID基本概念—物理卷、逻辑卷
逻辑卷
LUN1
物理卷
逻辑卷
LUN2
LUN3
物理卷
RAID10 单个物理卷上创建1个逻辑卷
RAID5 单个物理卷上创建2个逻辑卷
✓ RAID由几个硬盘组成 ，从整体上看相当于一个物理卷 ✓ 在物理卷的基础上可以按照指定容量创建一个或多个逻辑卷，通过LUN（Logic Unit Number）来标识
11
RAID基本概念—条带化
条带化
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12
RAID基本概念—校验
A0值 0 0 1 1
A1值
P值
0
0
1
1
0
1
1
0
奇偶校验（XOR）算法
数据A0和A1通过异或运算（相同为0，相异为1）得到校验位P
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13
RAID基本概念—磁盘数据重建
A0 ＝
XOR
XOR
故障
数据盘1
A1 数据盘2
长率
结构化数据31%的复合增长率
=
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4
IT技术的发展趋势
数据如何存储？ 数据如何保护？ 数据如何高效使用？
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5
独立存储的诞生
• 存储系统是整个IT系统的基石，是IT技术赖以存在和发挥效能的基础平台。 • 早先的存储形式是存储设备（通常是磁盘）与应用服务器其他硬件直接安装
于同一个机箱之内，并且该存储设备是给本台应用服务器独占使用的。 • 缺点：
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10
RAID诞生的因素
• CPU运算速度飞速 提高，数据读写速 度不应该成为计算 机系统处理的瓶颈
容量
性能
可靠性
RAID
• 计算机发展初期， 大容量硬盘价格非 常高，而需要存储 的数据量越来越大
• 信息时代，数据对 企业和个人的重要 性越来越大，数据 存储安全更需要保 障
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