计算机存储原理介绍
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计算机存储原理与数据恢复技术
信息与网络安全教研室
信息技术系
教材：网络存储与灾难恢复技术(刘洪发等 编） 参考书：数据恢复技术（戴士剑编） 课时：总学时56，其中讲授40课时，实验12 课时，复习4课时。
第一章 概述
主要内容
• • •
第一章 第二章 第三章
概述 硬盘的基础知识 Windows文件系统
２．优势：
• 1)良好的可扩展性； • 2)数据共享； • 3)更好的可管理性； • 4)更高的系统性能； • 5)即插即用；
6)更具开放性； 7)更高的智能性和并行性；
8)更多更新的功能； 9)更低的成本。
第一章 概述
三、网络存储系统的I/O结构
１．划分为7个层次，形成存储I/O功能栈。 • 最上层为应用层：对下层表现为产生高层I/O请求，对下层以文 件方式组织的数据进行抽象访问； • 第六层为数据／文件逻辑层：以文件方式组织数据，如文件、目 录和文件夹等； • 第五层为数据分配层：负责文件系统内部存储结构、版本控制、 空闲空间管理等； • 第四层为块转换层：主要进行设备虚拟化、块I/O映射及设备驱 动和卷管理； • 第三层为设备连接层：负责数据传输、设备的状态管理和控制； • 第二层为介质访问层：定义了总线的仲裁、连接管理和地址选择 等； • 最底层为物理层：包括存储设备／子系统、总线、网络缆线、连 接器。
第一章 概述
四、网络存储系统及设备 1.网络连接存储(NAS)
可向网络用户提供跨平台的文件级海量数据共享的功能。 NAS技术改进了DAS技术，通过标准的拓扑机构连接，可 以无须服务器直接与网络连接，不依赖于通用的操作系统， 所以存储容量可以很好的扩展，对于原来的网络服务器的 性能没有任何的影响，可以确保这个网络性能不受影响。
• 第九章 数据备份技术
行实验了解常用相关工
具软件的使用。
• 第十章 网络存储系统的安全性
• 第十一章 数据恢复技术
第一章 概述
Baidu Nhomakorabea
1.1数据存储的重要性第一章 概述
– 互联网的快速发展，为信息资源的共享和传输提供了有利条 件。同时使得数字化信息发生爆炸式增长，引发了存储技术 的发展。
– 数据就绪时间的延展，要求Internet使网络数据必须保证每 天24小时、每周7天、每年365天处于就绪状态。
• 可靠性措施： 1.SMART(self-monitoring analysis &reporting technology),自动监视 分析及报告技术。
2.及时的数据备份：磁盘映射技术、磁 盘双工技术、热备份、RAID(独立磁 盘冗余)技术等。
第一章 概述
软盘：
• 由于容量小且容错 性较差，一般不用 做大量的数据备份， 主要作为数据交换 的介质。
根据存储信息的机理不同，可分为： 电存储技术；磁存储技术；光存储技术。
第一章 概述
电存储技术：（半导体存储器SCM)
– 是一种用集成电路技术构 成的存储器。
– 从工作方式不同分为：读 写存储器(RAM)与只读存 储器(ROM)。
– 主要用于快速主存或 Cache。
第一章 概述
磁存储技术：磁表面存储器MSM(Magnetic Surface Memory)
– NAS设备具备的三大特点： • 附加大容量的存储； • 内嵌操作系统； • 专门针对文件系统进行重新设计和优化以提供高效率的文件 服务；
第一章 概述
– NAS缺点： • 处理NFS和CIFS协议产生的开销和额外的时间 所带来了较大的迟延会对用户造成影响； • 数据存储和访问的速度慢，无法满足用户或应 用程序的快速要求； • 由于NAS直接与以太网相连，因此其数据安全 性存在一定的问题，通常应设防火墙； • 无法在不降低性能的情况下扩展NAS设备的规 模； • 不能提供块数据服务，不大适合数据库应用、 通用的备份／恢复。
– SAN优势： • 可扩展性； • 可管理性； • 高可用性； • 备份； • 容灾。
第一章 概述
4.网络存储系统的结构和特点
– DAS,SAN和NAS存储模式的比较：
• DAS使用SCSI适配器，SAN使用光纤通道适配 器，NAS使用以太网适配器；
• DAS、SAN使用块I/O传输方式在服务器和存 储系统间传输，而NAS使用文件I/O传输方式 在客户机与NAS设备间传送；
第一章 概述
光存储技术：ODM(Optical Disk Memory)
– 原理：将用于记录的薄层涂敷在基体上 构成记录介质，基体的圆形薄片由热传 导率很小、耐热性强的有机玻璃制成。
– 特点：记录密度最高的存储器，存储容 量大且盘片易于更换。
– 缺点：存储速度慢。 – 主要设备有：CD-ROM，CD-RW，
– 根据记录介质的形状可分为：磁卡存储器、磁带存储器以及磁 盘存储器等。
– 原理：MSM主要是通过磁记录介质做高速旋转或平移，借助 于软磁材料制作的磁头实现读写。属于机械运动方式，存取速 度远低于SCM，但存储容量大，价格低，主要用于辅存。
– 硬盘、软盘、磁带
第一章 概述
硬盘：
• 存取速度较快，适合存储那些需要经常 访问和快速访问的程序和文件。对个人 用户来说，主要存储计算机操作系统、 应用程序和重要的数据资料。
第一章 概述
– 对存储系统提出的要求：
• 在线存储服务、基于内容的数据存储； • 数据远程容灾、快速灾难恢复； • 异构平台的数据共享、存储管理的复杂度； • 系统开放性、可扩展性、可靠性以及自主性。
第一章 概述
1.2 数据存储介质
凡是仅有两种稳定的物理状态，能方便地检测出属 于哪种稳定状态，两种稳定状态又容易相互转换的物 质或元件，都可以用来存储二进制代码“0”和“1”， 这样的物质或元器件被称为存储介质或记录介质。
三、存取时间
• 是指读、写头从所在位置到达要求的某一位置开始 开始读/写时为止的一段时间。包括寻道时间和等待 写入或读出的时间。
第一章 概述
四、数据传输率
• 是指在单位时间内外存储设备向主存储器传送数码的位数或字 节数。
五、无故障间隔时间
• 是指正常工作的平均持续时间，即两次故障的间隔时间。它表 示设备工作的可靠性程度。
如下图所示为NAS存储结构图 ：
第一章 概述
– 客户机向NAS请求数据的过程为：
• 第一步：用户直接发送请求给NAS服务器； • 第二步：NAS服务器检查到缓存命中的情况下访问磁盘缓存，
然后将数据直接返回给客户机； • 第三步：在缓存未命中的情况下需访问磁盘并将数据直接返回
给客户机，并在请求的数据完成后发送请求完成消息。
– 数据存储的结构发生变化。在Internet和全球化电子商务的 时代，数据应该是面向全世界的，数据的存取只应该受到安 全机制的管理，而不应受到地域空间的约束。
第一章 概述
– 目前国内在网络系统的规划和设计中对数据存储与备份的重视 程度不够，使得设计出的计算机系统不完整，可靠性较差，因 此要从根本上解决计算机网络的完整可靠性，必须在相应的数 据存储、备份上寻求解决方案。
– 分析网络系统中数据被破坏的原因，主要有： • 自然灾害，如水灾、火灾、雷击、地震等造成计算机系统的 破坏，导致存储数据被破坏或完全丢失；
• 系统管理员及维护人员的误操作；
• 计算机设备故障，其中包括存储介质的老化、失效；
• 病毒感染造成的数据破坏；
• Internet上“黑客”的侵入和来自内部网的蓄意破坏。
第一章 概述
磁带：
• 大容量数据备份首选存储介质； • 磁带品种较多，具体选择时应综合
考虑以下因素： 1.磁带的密度和容量； 2.数据传输率； 3.磁带寿命； 4.向下兼容； 5.记录技术； 6.边写边读功能； 7.不同的磁带机有不同的接口。
SONY：AIT200适合 工作组级/部门级服务 器用户，单个磁带容 量可以达到208GB
第一章 概述
2.SAN（存储区域网络）
SAN是一种基于”块”的数据访问方式,将磁盘阵列、 磁带等存储设备与服务器通过高速通道连接起来的数 据存储专用子网。
– SAN的组成： • 存储设备；(包括FC磁盘或磁盘阵列，磁带机和磁带库) • 服务器； • 连接设备；(包括交换机，集线器，接口适配器等) • 存储管理软件； • 结构图如图所示。
２．不足： 由于网络上的数据须经服务器的存储和转发，服务器 的负荷较重，服务能力受到影响，效率低，实时性差， 服务器中存储I/O、网络I/O以及CPU和内存易成为系 统瓶颈。难以满足数字化时代海量数据的存取和传第输一章 概述
二、网络存储的优势
１．网络存储：采用高速网络把存储设备连接起来，通 过系统软件进行存储资源合理的调度和分配，使系统 的整体性能达到最优，以一个系统的协同工作来满足 从多单个用户的需求。
六、误码率
• 外存储设备的误码率是指向设备写入一批数据并回读后，所检 出的错误位数与这一批数据总位数的比值。
第一章 概述
1.4存储体系结构及其演变
一、直接连接存储(DAS)
1．原理： • 多以并行SCSI总线连接 至某一特定的主机，存 储设备只能被该主机直 接访问和控制，其他主 机需访问存储设备中的 数据时，必须经该服务 器的存储和转发。 • 结构图如图所示。
DVD-ROM等等。
– 主要应用方面：
1.电子出版物； 2.电子图像管理； 3.档案管理； 4.备份管理;
第一章 概述
1.3 存储器的主要技术参数
一、存储密度
• 道密度:是指垂直于信息道即盘片的半径方向上单位 长度所记录的磁道数。
• 位密度:是指信息道长度上所记录的二进制数的位数。
二、存储容量
• 是指存储器所能容纳的二进制数码的总量。
• DAS使用SCSI协议连接服务器与存储设备； SAN使用光纤通道连接服务器与存储系统； NAS使用TCP/IP连接客户机与NAS存储设备。
第一章 概述
硬盘的结构、逻辑结构、 存储技术的接重口要介性绍以、及发存展储史、技 介的质演廉的变S光价介。A纤冗N绍术组通环余和指织道境磁存标方协的盘储以式议组阵体及。体成列系硬系；。结盘；构的数据
• • • • •
第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
SRN基网CAASIS于络ID存技技光存储术术纤储技通 管术道理的结数方及设小存构熟关简（高据式备常型组悉技要N储带备、无用机D成N术了宽份备区关M数系A；；解以P的份S性据F计FN及以统域N了可）网R与及基略AA靠作策T原、A库复算动及接数盘码安AFTT解用络FS网低S本以性用略A理I、多3S备、F态N口据文遗全DA中基容T2数开概及A：设与、TN、0络F设：表份坏分。恢件失性T的于灾-据FD中销念动卷R计意备分长备如的S技道区特复的的技架T文光存管A存等、态的文等义份、区度并何恢术修、点技恢处术I等件纤储D理储。经安概件。、软D表以行查复等复N：术复理等7。共通系协A管典全。系念架件T、及、找；；T的处以。享道统议F理安策A统、构以0M文一SD作理及同协的设之磁重的全略B的基的B件般用；数时议高计间R道点R相策框结本特、磁、及密据进、；；的恢构分性如D可关分区分B何系R析以析、。。
信息与网络安全教研室
信息技术系
教材：网络存储与灾难恢复技术(刘洪发等 编） 参考书：数据恢复技术（戴士剑编） 课时：总学时56，其中讲授40课时，实验12 课时，复习4课时。
第一章 概述
主要内容
• • •
第一章 第二章 第三章
概述 硬盘的基础知识 Windows文件系统
２．优势：
• 1)良好的可扩展性； • 2)数据共享； • 3)更好的可管理性； • 4)更高的系统性能； • 5)即插即用；
6)更具开放性； 7)更高的智能性和并行性；
8)更多更新的功能； 9)更低的成本。
第一章 概述
三、网络存储系统的I/O结构
１．划分为7个层次，形成存储I/O功能栈。 • 最上层为应用层：对下层表现为产生高层I/O请求，对下层以文 件方式组织的数据进行抽象访问； • 第六层为数据／文件逻辑层：以文件方式组织数据，如文件、目 录和文件夹等； • 第五层为数据分配层：负责文件系统内部存储结构、版本控制、 空闲空间管理等； • 第四层为块转换层：主要进行设备虚拟化、块I/O映射及设备驱 动和卷管理； • 第三层为设备连接层：负责数据传输、设备的状态管理和控制； • 第二层为介质访问层：定义了总线的仲裁、连接管理和地址选择 等； • 最底层为物理层：包括存储设备／子系统、总线、网络缆线、连 接器。
第一章 概述
四、网络存储系统及设备 1.网络连接存储(NAS)
可向网络用户提供跨平台的文件级海量数据共享的功能。 NAS技术改进了DAS技术，通过标准的拓扑机构连接，可 以无须服务器直接与网络连接，不依赖于通用的操作系统， 所以存储容量可以很好的扩展，对于原来的网络服务器的 性能没有任何的影响，可以确保这个网络性能不受影响。
• 第九章 数据备份技术
行实验了解常用相关工
具软件的使用。
• 第十章 网络存储系统的安全性
• 第十一章 数据恢复技术
第一章 概述
Baidu Nhomakorabea
1.1数据存储的重要性第一章 概述
– 互联网的快速发展，为信息资源的共享和传输提供了有利条 件。同时使得数字化信息发生爆炸式增长，引发了存储技术 的发展。
– 数据就绪时间的延展，要求Internet使网络数据必须保证每 天24小时、每周7天、每年365天处于就绪状态。
• 可靠性措施： 1.SMART(self-monitoring analysis &reporting technology),自动监视 分析及报告技术。
2.及时的数据备份：磁盘映射技术、磁 盘双工技术、热备份、RAID(独立磁 盘冗余)技术等。
第一章 概述
软盘：
• 由于容量小且容错 性较差，一般不用 做大量的数据备份， 主要作为数据交换 的介质。
根据存储信息的机理不同，可分为： 电存储技术；磁存储技术；光存储技术。
第一章 概述
电存储技术：（半导体存储器SCM)
– 是一种用集成电路技术构 成的存储器。
– 从工作方式不同分为：读 写存储器(RAM)与只读存 储器(ROM)。
– 主要用于快速主存或 Cache。
第一章 概述
磁存储技术：磁表面存储器MSM(Magnetic Surface Memory)
– NAS设备具备的三大特点： • 附加大容量的存储； • 内嵌操作系统； • 专门针对文件系统进行重新设计和优化以提供高效率的文件 服务；
第一章 概述
– NAS缺点： • 处理NFS和CIFS协议产生的开销和额外的时间 所带来了较大的迟延会对用户造成影响； • 数据存储和访问的速度慢，无法满足用户或应 用程序的快速要求； • 由于NAS直接与以太网相连，因此其数据安全 性存在一定的问题，通常应设防火墙； • 无法在不降低性能的情况下扩展NAS设备的规 模； • 不能提供块数据服务，不大适合数据库应用、 通用的备份／恢复。
– SAN优势： • 可扩展性； • 可管理性； • 高可用性； • 备份； • 容灾。
第一章 概述
4.网络存储系统的结构和特点
– DAS,SAN和NAS存储模式的比较：
• DAS使用SCSI适配器，SAN使用光纤通道适配 器，NAS使用以太网适配器；
• DAS、SAN使用块I/O传输方式在服务器和存 储系统间传输，而NAS使用文件I/O传输方式 在客户机与NAS设备间传送；
第一章 概述
光存储技术：ODM(Optical Disk Memory)
– 原理：将用于记录的薄层涂敷在基体上 构成记录介质，基体的圆形薄片由热传 导率很小、耐热性强的有机玻璃制成。
– 特点：记录密度最高的存储器，存储容 量大且盘片易于更换。
– 缺点：存储速度慢。 – 主要设备有：CD-ROM，CD-RW，
– 根据记录介质的形状可分为：磁卡存储器、磁带存储器以及磁 盘存储器等。
– 原理：MSM主要是通过磁记录介质做高速旋转或平移，借助 于软磁材料制作的磁头实现读写。属于机械运动方式，存取速 度远低于SCM，但存储容量大，价格低，主要用于辅存。
– 硬盘、软盘、磁带
第一章 概述
硬盘：
• 存取速度较快，适合存储那些需要经常 访问和快速访问的程序和文件。对个人 用户来说，主要存储计算机操作系统、 应用程序和重要的数据资料。
第一章 概述
– 对存储系统提出的要求：
• 在线存储服务、基于内容的数据存储； • 数据远程容灾、快速灾难恢复； • 异构平台的数据共享、存储管理的复杂度； • 系统开放性、可扩展性、可靠性以及自主性。
第一章 概述
1.2 数据存储介质
凡是仅有两种稳定的物理状态，能方便地检测出属 于哪种稳定状态，两种稳定状态又容易相互转换的物 质或元件，都可以用来存储二进制代码“0”和“1”， 这样的物质或元器件被称为存储介质或记录介质。
三、存取时间
• 是指读、写头从所在位置到达要求的某一位置开始 开始读/写时为止的一段时间。包括寻道时间和等待 写入或读出的时间。
第一章 概述
四、数据传输率
• 是指在单位时间内外存储设备向主存储器传送数码的位数或字 节数。
五、无故障间隔时间
• 是指正常工作的平均持续时间，即两次故障的间隔时间。它表 示设备工作的可靠性程度。
如下图所示为NAS存储结构图 ：
第一章 概述
– 客户机向NAS请求数据的过程为：
• 第一步：用户直接发送请求给NAS服务器； • 第二步：NAS服务器检查到缓存命中的情况下访问磁盘缓存，
然后将数据直接返回给客户机； • 第三步：在缓存未命中的情况下需访问磁盘并将数据直接返回
给客户机，并在请求的数据完成后发送请求完成消息。
– 数据存储的结构发生变化。在Internet和全球化电子商务的 时代，数据应该是面向全世界的，数据的存取只应该受到安 全机制的管理，而不应受到地域空间的约束。
第一章 概述
– 目前国内在网络系统的规划和设计中对数据存储与备份的重视 程度不够，使得设计出的计算机系统不完整，可靠性较差，因 此要从根本上解决计算机网络的完整可靠性，必须在相应的数 据存储、备份上寻求解决方案。
– 分析网络系统中数据被破坏的原因，主要有： • 自然灾害，如水灾、火灾、雷击、地震等造成计算机系统的 破坏，导致存储数据被破坏或完全丢失；
• 系统管理员及维护人员的误操作；
• 计算机设备故障，其中包括存储介质的老化、失效；
• 病毒感染造成的数据破坏；
• Internet上“黑客”的侵入和来自内部网的蓄意破坏。
第一章 概述
磁带：
• 大容量数据备份首选存储介质； • 磁带品种较多，具体选择时应综合
考虑以下因素： 1.磁带的密度和容量； 2.数据传输率； 3.磁带寿命； 4.向下兼容； 5.记录技术； 6.边写边读功能； 7.不同的磁带机有不同的接口。
SONY：AIT200适合 工作组级/部门级服务 器用户，单个磁带容 量可以达到208GB
第一章 概述
2.SAN（存储区域网络）
SAN是一种基于”块”的数据访问方式,将磁盘阵列、 磁带等存储设备与服务器通过高速通道连接起来的数 据存储专用子网。
– SAN的组成： • 存储设备；(包括FC磁盘或磁盘阵列，磁带机和磁带库) • 服务器； • 连接设备；(包括交换机，集线器，接口适配器等) • 存储管理软件； • 结构图如图所示。
２．不足： 由于网络上的数据须经服务器的存储和转发，服务器 的负荷较重，服务能力受到影响，效率低，实时性差， 服务器中存储I/O、网络I/O以及CPU和内存易成为系 统瓶颈。难以满足数字化时代海量数据的存取和传第输一章 概述
二、网络存储的优势
１．网络存储：采用高速网络把存储设备连接起来，通 过系统软件进行存储资源合理的调度和分配，使系统 的整体性能达到最优，以一个系统的协同工作来满足 从多单个用户的需求。
六、误码率
• 外存储设备的误码率是指向设备写入一批数据并回读后，所检 出的错误位数与这一批数据总位数的比值。
第一章 概述
1.4存储体系结构及其演变
一、直接连接存储(DAS)
1．原理： • 多以并行SCSI总线连接 至某一特定的主机，存 储设备只能被该主机直 接访问和控制，其他主 机需访问存储设备中的 数据时，必须经该服务 器的存储和转发。 • 结构图如图所示。
DVD-ROM等等。
– 主要应用方面：
1.电子出版物； 2.电子图像管理； 3.档案管理； 4.备份管理;
第一章 概述
1.3 存储器的主要技术参数
一、存储密度
• 道密度:是指垂直于信息道即盘片的半径方向上单位 长度所记录的磁道数。
• 位密度:是指信息道长度上所记录的二进制数的位数。
二、存储容量
• 是指存储器所能容纳的二进制数码的总量。
• DAS使用SCSI协议连接服务器与存储设备； SAN使用光纤通道连接服务器与存储系统； NAS使用TCP/IP连接客户机与NAS存储设备。
第一章 概述
硬盘的结构、逻辑结构、 存储技术的接重口要介性绍以、及发存展储史、技 介的质演廉的变S光价介。A纤冗N绍术组通环余和指织道境磁存标方协的盘储以式议组阵体及。体成列系硬系；。结盘；构的数据
• • • • •
第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
SRN基网CAASIS于络ID存技技光存储术术纤储技通 管术道理的结数方及设小存构熟关简（高据式备常型组悉技要N储带备、无用机D成N术了宽份备区关M数系A；；解以P的份S性据F计FN及以统域N了可）网R与及基略AA靠作策T原、A库复算动及接数盘码安AFTT解用络FS网低S本以性用略A理I、多3S备、F态N口据文遗全DA中基容T2数开概及A：设与、TN、0络F设：表份坏分。恢件失性T的于灾-据FD中销念动卷R计意备分长备如的S技道区特复的的技架T文光存管A存等、态的文等义份、区度并何恢术修、点技恢处术I等件纤储D理储。经安概件。、软D表以行查复等复N：术复理等7。共通系协A管典全。系念架件T、及、找；；T的处以。享道统议F理安策A统、构以0M文一SD作理及同协的设之磁重的全略B的基的B件般用；数时议高计间R道点R相策框结本特、磁、及密据进、；；的恢构分性如D可关分区分B何系R析以析、。。