数据存储与解决方案

硬盘的进展-密、快、小、廉
硬盘的分类
1.用于服务器的硬盘：高容量、高速度 2.用于桌上机的硬盘：主流容量、速度、 低价格 3.用于笔记本电脑的硬盘：小体积、低功 耗 4.用于手持式设备的硬盘： 微硬盘Microdrive

四类硬盘的规格指标
不同尺寸的硬盘
密度的进展
密度与技术
数据存储及解决方案
华中科技大学信息存储系统
武汉 430074
三种基本的信息操作
处理 传输 存储
基本定义
处理：对信息进行变化和加工 传输：信息跨越空间的传播 存储：信息跨越时间的传播
存储是信息技术的三大基石之一 （被我国忽略的领域）
对人类文明的重要性
处理：产生知识 通讯：传播知识 存储：积累知识
解决性能问题的8条途径
1.Cache 技术，RAM-DISK, RAM-RAID RAID-TAPE(HSM) 2.高速I/O通道:SCSI(160-320), FC(1-2-4G) SATA(150-300), IP(1-10G) 3. 聚合带宽（并行技术）： 多主机-单存储，单主机-多存储 4. 改变工作方式：基于磁盘的系统，随机小写 与连续大写性能差100倍，变小写为大写 5.提高协议效率：FC vs iSCSI 6.采用就近原则 7. PTP对等存储原理 8.第三方直接传输

原来信息论适用于信息的传播！在空间和时间 上，他们遵从一样的原理！
三位一体的数字信息学理论
图灵机主要是针对计算的，但隐含了通 讯和存储 信息论主要是针对通讯和存储的，但隐 含了计算 处理、传输、存储在理论上是三位一体 的，缺一不可 上述理论解决了数字信息学的全部？NO!

硬件发展的6个规律

原因：目前的存储设备都是被动的，对设备的 管理都在上层进行，面对异构的多种存储设备 和异构的互联网络，管理软件都要适应，造成 复杂性日益增加
解决途径：基于对象的存储系统，主动存储 CMU提出OBD, SNIA提出标准 存储对象：包括数据和对数据的操作 管理下移，使存储设备包含更多的智能 标准的对外接口和描述 管理大为简化
存储系统—用“砖头”构建的大 厦
正如无论多快的
单处理器无法满 足超级计算的要 求一样，无论多 大的单个硬盘也 无法满足网络存 储和企业存储的 需要
存储系统的技术发展思路 （处理与存储的对比）
单处理器---多处理器---多计算机----网格 硬盘------- 阵列-------存储网-----数据网格
当一切信息都转换为数字， 问题就产生了……
典型的存储容量需求挑战
网站多媒体, X on Demand 人类基因库
数字化XX:数字化流域，
数字化城市，数字化地球…...
电子商务
虚拟现实
从现在起的18个月内,新的存储量等于有史以来老 的存储量之和! ———1998年图灵奖获得者Jim Gray
容量问题和 新摩尔定理

10MB
1980 1990 1995 1998 1999 2002
第一爆发点：单机多媒体 第二爆发点：Internet
第三爆发点:宽带(目前）
第四爆发点： 空间影像和虚拟现实普遍应用
空间影像
另一种模式：不断的增长
即使处理、传输能力固定不变，随着数据 不断产生，存储能力也需要动态单调地 增加。（水泵、水管、水桶的比喻） 处理和传输速度越高，容量的增加的梯 度就越高，这就是存储系统的不断扩展 特性。 结论： 无限的容量需求和动态扩展需求

对很多领域，数据是比硬件设备宝贵得 多的资源: 银行、电信、保险、电子商务、网站、 企业信息………
数据物理安全 ：存储最重要
处理部件、传输部件损坏： 损失有限， 更换可恢复 存储部件损坏： 数据丢失！巨大的损失！ 两个亲身经历的例子： 同济医院信息系统，广东石龙医院火灾 建筑行业一定有安全系数，80%的信息系统 没有安全系数！

后PC时代的计算--普适计算 Pervasive Computing
后PC时代 计算机发展的特点： 1. 无所不在的含有 智能的小装置； 2. 支持服务的后台 服务器和巨型计算机

对应于后PC时代 两极分化的存储
移动存储：Flash,
微硬盘，微光盘
企业级海量存储
数据存储的 基本问题
Enterprise Applications
Client/Server Basic Accounting
70’s 80’s 90’s 00’s 10’s
存储的前沿
半导体存储：RAM, ROM, FLASH 的高 速发展 PC机的主流硬盘 80GB 目前硬盘存储： 100GB 容量增加8,000 倍 10GB 2万转/分 实验室水平： 4GB 一道一G 500MB 100MB

结束语

PC热--网络热--存储热，国际IT业的第三次热 潮和淘金机会 IT设施的７５％投资花在存储系统上 我国的海量存储系统几乎全部进口 十年前的通讯市场和目前的存储市场十分相似 谁是存储领域的联想、华为？ 我国的标志性成果： 10万亿次超级计算机，万兆路由和交换， 存储没有等量级的标志性成果
从现在起，每18个月,新增 的存储量等于有史以来存 储量之和!
———1998年图灵奖获得者Jim Gray
数据信息爆炸式增长
Explosion in Data Volumes
Wireless Online Video
E-Commerce Customer Mgmt.
Data Analysis
D A T A
数字信息学的
科学基础
（力学：牛顿定律) (电学：麦克斯韦方程） (数字信息学：？）
最基本的理论：图灵机
希尔伯特问： 存不存在一个解决所有数学问题的一般算法？ 图灵答道：有！ 图灵理论的俗解： 如果不考虑时间，只要按某种规律对bit进行处理、传输、 存储三种简单操作，就能在理论上解决任何数学计算问 题！ 图灵机模型主要是针对计算的，但存储和通讯隐含在其 中 这个理论指明了bit的强大功能，也包含了计算机的设计 思想
Βιβλιοθήκη Baidu
只读光盘：CD-ROM，DVD-ROM
闪存（Flash memory) 移动存储的新星
各种规格 SmartMedia CompactFlash Memory Stick(SONY) PCMCIA接口 USB接口--Easedisk、 Netech

光存储的进展
目前：CD-ROM, DVD-ROM, DVD机 DVD-RW(DVR) 最近要产品化的技术：向高密度进军 蓝光DVD, HD-DVD 多层多阶光存储 近场光存储 全息光存储
解决性能问题的新思路

对现状的观察 （1）硬盘每年的容量和性能都在提 高 （2）现有的RAID系统，换了一个硬 盘之后整体性能没有提高 （3）越用性能越差
管理复杂性问题
异构的存储系统 规模越来越大 系统越来越难以管理，人为错误越来越 多 管理成本越来越高，管理成本超过设备 成本

管理复杂性的解决途径

Disk Half-height canister
性能问题：
瓶颈的转移 应用的转移
网络瓶颈 CPU瓶颈 70年代 90年代
80年代
00年代
内存瓶颈
海量存储瓶颈
共享处理机
共享存储器里的数据 Make the common case fast!
网站的存储：几十万用户同时点击到一个站点 去获得海量存储系统中的信息。 WWW: world wide web 变为world wide wait

第二层的理论：信息论 关于信息时空传播的理论

在通讯和存储两个领域工作过的人都会发现，他们涉 及的问题竟然如此类似 通讯的编码理论完全可以用于存储 通讯：信源编码，信道编码 存储：纠错编码，调制编码， 磁盘阵列的容错原理 加密理论、信息的压缩原理对通讯和存储是一样的 本质的道理：通讯和存储都是信息的传播，差别在于： 一个跨越空间，一个跨越时间
由软件和硬件共同实现
磁盘阵列 （多个硬盘）
容量、速度、可用性
Storage Area Networks （SAN）存域网结构图
系统结构必须和软件相配合
存储虚拟化软件（单一逻辑映像） 存储资源管理软件（容量、级别，性能） 存储备份、数据迁移软件

可靠性和可用性问题
当关键信息转换为数据时，数据成为 最宝贵的财富
IBM微硬盘 Microdrive
应用领域 移动计算 数码相机、数 码摄像机

磁头的进展
可换式存储
软盘：1.44MB 顽强的生命力 高密度软盘：Zip 100/200MB(IOMAG) LS-120(兼容1.44) HiFD-200(兼容1.44) 磁光盘（MO）：1.3GB/650MB/230MB CD-R/W, DVD-RW, DVD-RAM


1． Moore定律：微处理器内晶体管数每十八个月翻
一番； 2． Bell定律：如果保持计算能力不变，微处理器的 价格每十八个月减少一半； 3． Gilder定律：未来25年（1996年与预言）里，主 干网的带宽将每6个月增加一倍； 4． Metcalfe定律：网络价值同网络用户数的平方成 正比。 5. 半导体存储器发展规律： DRAM 的密度每年增加 60%，每三年翻四倍。 6。硬盘存储技术发展规律：硬盘的密度每年增加约一 倍
容量问题的解决途径
1. 减小bit位元尺度，提高密度 采用各种物理原理和现象减小位元 磁（翻转尺寸）、光(光点大小）、电 （线宽）、生物、量子 密度：道密度、面密度、体密度 2. 建立存储系统，用“砖头”构造“大厦”
单个硬盘的技术进展的进展
硬盘是最重要的大容量存储设备，50年 代由IBM发明以来密度增加了1，000， 000倍，到目前为止，还没有找到能与之 竞争的对手 最近的密度超过100Gb/in2，主要技术： 超低飞行磁头10nm，加钌超稳定介质， PRML读通道，光磁混合纪录，垂直磁 记录

三种级别的可用性
1. 数据不丢失（最起码的要求） 2.系统不停机（7×24服务的保障） 3.性能不下降（优质服务的保障）

解决可用性问题的典型途径： 冗余 （双机，网络RAID) 备份 （磁带、光盘、硬盘）
解决可用性的新思路
具有耗散结构的存储系 统 借鉴生物系统原理：心 脏之所以保证数十年的 可用性，不是因为材料 特别好，而是因为新陈 代谢 UCB的ISTORE 华中科技大学的进化存 储系统
存储的前沿
半导体存储：RAM, ROM, FLASH 的高 速发展 PC机的主流硬盘 80GB 目前硬盘存储： 100GB 容量增加8,000 倍 10GB 2万转/分 实验室水平： 4GB 一道一G 500MB 100MB

10MB
1980 1990 1995 1998 1999 2002

数据生命周期问题
一切都存下来，不是一个好的办法 无限扩大容量，成本无谓增加 管理和保存无用的数据，是巨大的浪费 无用信息干扰当前信息存取的性能

解决途径：向大脑学习遗忘机制
重要的信息深层记忆，不重要的浅层记 忆，无用的信息忘掉
结论
处理、传输、存储是信息技术的三大基石 存储是信息跨越时间的传播 只要对数字进行操作，就能解决一切信息问题 信息论是信息时空传播的共同理论基础 硬件是数字操作机（只有三种简单操作：处理、 存储、传输） 软件是思想和内容的数字化 存储系统的基本问题有容量、可用性、性能、 管理复杂性、数据生命周期等，它们都有各自 的解决途径