关于存储技术的入门科普

鲜枣课堂 2020/7/29 22:01:12 责编:远洋

说到 “存储”,大家会想到什么?

是这个?

还是这个?

又或者是这个?

哈哈,没错,我们现在处于信息时代,每天都在和电脑、手机打交道。我们的工作和生活,已经完全离不开视频、音乐、图片、文本、表格这样的数据文件。

而所有这些数据文件,都需要通过电子设备进行保存,这就是数据存储,简称存储。

▉ 存储的基本载体——硬盘

对于普通用户来说,最常见的存储设备,就是硬盘。

我们知道,计算机的三大核心硬件,分别是 CPU(中央处理器)、内存(Memory)和硬盘(Hard Disk)。CPU 负责运算,硬盘负责存储。而内存,是 CPU 和硬盘之间的桥梁。用于暂时存放 CPU 中的运算数据。

CPU、内存、硬盘

绝大部分的台式机、服务器、手机,都是内置存储系统。也就是说,它们的硬盘安装在设备内部。

以普通台式机为例,硬盘通过专用接口和数据线,连接在主板上,实现和 CPU、内存的数据连接。

台式机上安装好的硬盘

常用的硬盘专用接口如下:

手机等数码设备的 “硬盘”,则是做成了很小的存储芯片,直接焊在主板上。

常见的手机存储芯片:eMMC、UFS(更快)

我们再来简单看看硬盘的内部结构。

目前主流的硬盘类型有两种,分别是传统机械硬盘和 SSD 固态硬盘。小枣君以大家比较熟悉的机械硬盘为例进行介绍。

左边是机械硬盘,右边是 SSD 固态硬盘

硬盘之所以叫硬盘,是因为它的核心部分是一块或多块由坚硬金属材料制成的盘片。盘片上面涂抹了磁性介质,两面都可以记录信息。在盘面上读 / 写数据的,是磁头。

硬盘,也叫磁盘(有点像唱片机)

下图显示的是一个盘面:

盘面中一圈圈灰色同心圆为一条条磁道。从圆心向外画直线,可以将磁道划分为若干个弧段,每个弧段被称之为一个扇区(Sector,图中绿色部分)。

扇区是磁盘的最小组成单元。大家应该看出来了,越靠圆心,扇区越短。那么,是不是越往外,扇区越长,存储的数据越多呢?

不一定。

老式的硬盘,不管靠内还是靠外,每个扇区的大小是一样的,都是 512 字节。这种硬盘用柱面 - 磁头 - 扇区号(CHS,Cylinder-Head-Sector)组成的编号进行寻址。

而现在主流的硬盘,扇区密度是一致的,也就是说,越靠外侧,扇区数越多。每个扇区的大小是 4K 字节,用一个逻辑块编号寻址(LBA,Logical Block Addressing)。

以扇区为基础,一个或多个连续的扇区组成一个块,叫做物理块。所以,硬盘往往又叫块设备(Block Device)。

▉ 什么是逻辑卷?什么是文件系统?

为了方便管理,我们可以将硬盘这样的物理块设备,分割成多个逻辑块设备。或者,我们也可以将多个物理块设备,组合成一个容量更大的逻辑块设备。

底层的相关技术和工具,包括 RAID(大家可能比较熟悉)、JBOD、卷管理系统(Volume Manager)。

Windows 的卷管理系统,就是它自带的磁盘管理工具。而 Linux 的,是大名鼎鼎的 LVM(Logical Volume Manager,逻辑卷管理)。

我们先说说 Windows 的。

在 Windows 中,磁盘分为基本磁盘和动态磁盘。默认情况下,用户用的都是基本磁盘。

一个基本磁盘可以划分为多个分区,分区类别包括主分区、扩展分区和逻辑分区。

硬盘分区

主分区是硬盘的启动分区,我们常说的 “C 盘”就是硬盘上的主分区。MBR 分区表可以划分出 4 个主分区。如果使用 GPT 分区,可以管理 128 个主分区。

除去主分区以外,硬盘剩下的容量就被认定为扩展分区。扩展分区不能直接使用。扩展分区可以分成一个或若干个逻辑分区,也就是我们的 “D 盘”、“E 盘”等。

动态磁盘是基本磁盘的升级模式。在动态磁盘中,分区叫做卷。卷的出现,就是为了便于对多硬盘进行管理。

简单来说,动态磁盘可以将不同硬盘分到一个卷。假如你手中有 160G 和 250G 硬盘各一块,如果想划分 90G 和 320G 的分区,就可以借助动态磁盘来完成。

动态磁盘里面的卷,又分为简单卷、跨区卷、带区卷、镜像卷、RAID-5 卷。限于篇幅,就不做具体介绍了。基本磁盘里的分区,现在也被微软改叫为卷。

再来看看 Linux 的 LVM 工具。

其实 LVM 和动态磁盘的思路差不多的,也是把物理空间变成逻辑空间。

首先,物理存储介质进行初始化,变成物理卷(PV,physical volume)。

然后,一个或多个物理卷组成一个卷组(VG,Volume Group)。

创建卷组之后,再创建逻辑卷(LV,logical volume)。

整个过程,如下图所示:

LVM 主要元素的构成

好了,不管是 Windows 还是 Linux,逻辑卷都有了,是不是可以直接使用它们啦?

不行,还差一步。那就是文件系统(File System)。

文件系统就像仓库管理员。作为用户,你不需要知道仓库里面到底是什么样子,只需要把货物交给他,他会以一个树形结构目录,登记这些货物。你来取的时候,只需要告诉他路径,他就会把货物交给你。

文件夹结构

文件系统有很多种类型,常见的有 Windows 的 FAT/FAT32/NTFS(大家应该很熟悉),还有就是 Linux 的 EXT2/EXT3/EXT4/XFS/BtrFS 等。

Windows 系统下,通过对分区(卷)进行文件系统格式化,再分配一个盘符,我们就可以在 “我的电脑”里看到可用的磁盘。Linux 系统下,我们需要对逻辑卷进行文件系统格式化,然后执行挂载操作,也就能对存储空间进行使用了。

▉ 什么是 DAS/NAS/SAN

除了内置存储之外,随着存储容量需求的不断增加,加上维护便利性的需要,计算机系统开始引入了外挂存储。也就是说,硬盘从计算机的内部,跑到了计算机的外部。

外挂存储分为两种,一种是直连式存储(DAS,Direct Attached Storage),还有一种是网络存储(FAS,Fabric Attached Storage)。

DAS 直连式存储,一般是使用专用线缆(例如 SCSI),与存储设备(例如磁盘阵列)进行直连。

虽然数据存储设备看似在外部,但直接挂接在服务器内部总线上,是整个服务器结构的一部分。

DAS 的缺点是存储设备只能连接到一台主机使用,无法共享,成本较高,且安全性可靠性较低。

FAS 网络存储,是一种多点连接式的存储。它又分为 NAS(Network-attached Storage,网络接入存储)和 SAN(Storage Area Network,存储区域网络)。

这些概念的名字非常像,大家千万别晕。画个图看得明白一些:

NAS 与 DAS 相比,最大的特点是非直连。它可以通过 IP 网络,实现多台主机与存储设备之间的连接。

NAS 大大提高了存储的安全性、共享性和成本。但是 I/O(输入输出)渐渐成为性能瓶颈。随着应用服务器的不断增加,网络系统效率会急剧下降。为了解决这个问题,出现了 SAN 存储方案。

SAN 是在 NAS 基础上做的演进。它通过专用光纤通道交换机访问数据,采用 ISCSI、FC 协议。

SAN 和 NAS 的关键区别,就在于文件系统的位置。画个图就明白了:

可以看出,如果说 SAN 是一块网络硬盘的话,NAS 基本上已经像一台独立的服务器了。NAS 拥有文件系统,用户可以通过 TCP/IP 协议直接访问上面的数据。

现在很多家庭都开始使用小型 NAS 设备,相当于一个小型服务器。

在 NAS 的模式下,不同的客户端可以使用网络文件系统(Network File System)访问 NAS 上的文件。常见的网络文件系统有 Windows 网络的 CIFS(也叫 SMB)、类 Unix 系统网络的 NFS 等。

FTP、HTTP 其实也算是文件存储的某种特殊实现,它们通过某个 URL 地址来访问一个文件。

▉ 未完待续……

随着互联网的持续发展,网络上的数据量在不断激增,这给存储系统带来了巨大的压力和挑战。

云计算的兴起,会给我们全新的解决方案吗?

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关键词:存储硬盘

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