一、存儲(chǔ)作為計(jì)算機(jī)的一份子

1. 計(jì)算機(jī)是如何設(shè)計(jì)的？

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)采用的是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，包含控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備。其中，存儲(chǔ)器分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器，而外存儲(chǔ)器包括硬盤(pán)、光盤(pán)和U盤(pán)等。CPU與外存儲(chǔ)器的通信是通過(guò)IO總線(xiàn)進(jìn)行。

計(jì)算機(jī)各部件的性能參數(shù)大致是：CPU每秒處理的指令數(shù)為百萬(wàn)條，RAM為數(shù)十萬(wàn)條，而硬盤(pán)為200~300條?？梢钥闯?，硬盤(pán)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的處理瓶頸。

2. 硬盤(pán)長(zhǎng)什么樣？

每個(gè)硬盤(pán)包含多個(gè)盤(pán)片，每個(gè)盤(pán)片又劃分多個(gè)磁道，每個(gè)磁道又分為多個(gè)扇區(qū)。

扇區(qū)即是硬盤(pán)中最小的物理存儲(chǔ)單位，也是讀寫(xiě)基本單位，大小是為512字節(jié)或4096字節(jié)。

3. 我們?nèi)祟?lèi)是如何存數(shù)據(jù)的？

現(xiàn)在我們習(xí)慣于使用電腦進(jìn)行辦公，我們打開(kāi)WPS進(jìn)行寫(xiě)作或者制作表格，然后將其保存成某個(gè)盤(pán)某個(gè)目錄下的某個(gè)文件。下次在查看資料時(shí)，便在某盤(pán)某目錄下去找某文件就可以。也就是說(shuō)，我們的數(shù)據(jù)都是以文件形式存在某個(gè)目錄下的，“文件”是人類(lèi)視角下的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的最小單位，存數(shù)據(jù)則新建文件，查看數(shù)據(jù)則打開(kāi)某個(gè)文件。

4. 數(shù)據(jù)從文件到扇區(qū)發(fā)生了什么？

我們新建、編輯和刪除都是圍繞文件進(jìn)行，硬盤(pán)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的最小單位是扇區(qū)。

在我們與硬盤(pán)之間，還有個(gè)操作系統(tǒng)（具體地說(shuō)是文件系統(tǒng)），負(fù)責(zé)將文件分配到硬盤(pán)上，也就是對(duì)存儲(chǔ)在硬盤(pán)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織。如FAT文件系統(tǒng)、NTFS文件系統(tǒng)。

文件系統(tǒng)對(duì)硬盤(pán)塊進(jìn)行管理，將文件拆分成若干個(gè)塊，存放到硬盤(pán)的不同扇區(qū)里面。塊與扇區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系是2的n次方。這里的塊和扇區(qū)的映射由硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器來(lái)做，當(dāng)然硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器還進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)、控制磁頭等操作。

這樣，我們就不需要關(guān)注文件如何存儲(chǔ)在硬盤(pán)。轉(zhuǎn)換流程為：

二、存儲(chǔ)脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立發(fā)展

當(dāng)計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)存儲(chǔ)空間不夠時(shí)，可以通過(guò)增加外掛硬盤(pán)的方式來(lái)增加容器。外掛硬盤(pán)比較多時(shí)，可以把它們打包放到一個(gè)柜子里，稱(chēng)為硬盤(pán)擴(kuò)展柜，常稱(chēng)為 JBOD （Just a Bunch of Disks）。JBOD的使用方法是多塊硬盤(pán)順次寫(xiě)入，當(dāng)?shù)谝粔K硬盤(pán)存滿(mǎn)了，會(huì)繼續(xù)存到下一塊JBOD的缺點(diǎn)是當(dāng)有一塊硬盤(pán)損壞時(shí)，所有數(shù)據(jù)將丟失。

為解決數(shù)據(jù)丟失帶來(lái)的安全問(wèn)題，在硬盤(pán)擴(kuò)展柜中引入 RAID 。

RAID，全稱(chēng)redundant array of independent disks，獨(dú)立硬盤(pán)冗余陣列，也就是多個(gè)獨(dú)立的硬盤(pán)組成一個(gè)大硬盤(pán)，這個(gè)硬盤(pán)具有冗余特性，允許某個(gè)硬盤(pán)損壞后，數(shù)據(jù)仍可用。RAID通過(guò)在多個(gè)硬盤(pán)上并發(fā)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)來(lái)提高存儲(chǔ)的 I/O 性能，通過(guò)數(shù)據(jù)冗余來(lái)提高數(shù)據(jù)的高可用。

那么，如何來(lái)做RAID？

將硬盤(pán)陣列進(jìn)行橫切、豎切形成帶、條。帶、條交叉點(diǎn)形成邏輯硬盤(pán)。

RAID控制器是一種硬件設(shè)備或軟件程序，用于管理計(jì)算機(jī)或存儲(chǔ)陣列中的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（HDD）/固態(tài)硬盤(pán)（SSD），以便它們能如邏輯部件一樣工作，各司其職。

RAID標(biāo)準(zhǔn)從RAID0到RAID6。其中，RAID0沒(méi)有容錯(cuò)設(shè)計(jì)，RAID1使用鏡像。

由于在SCSI總線(xiàn)上可掛接的設(shè)備數(shù)量是有限的，一般為8個(gè)或者16個(gè)。需要在RAID基礎(chǔ)上進(jìn)一步抽象，這個(gè)抽象形成的邏輯結(jié)構(gòu)稱(chēng)為L(zhǎng)UN（Logical Unit Number，邏輯單元號(hào)），LUN被看作是由硬件生成的虛擬硬盤(pán)的統(tǒng)稱(chēng)，而由軟件生成的虛擬硬盤(pán)稱(chēng)為“卷”。

從服務(wù)器主機(jī)的角度來(lái)看，這些LUN被看作“物理硬盤(pán)”，主機(jī)操作系統(tǒng)可以在LUN上進(jìn)行分區(qū)和格式化。這個(gè)工作通常由內(nèi)核中的LVM（Logical Volume Manager，邏輯卷管理）來(lái)做。

涉及到幾個(gè)概念：

• LUN“物理硬盤(pán)”，稱(chēng)為PV（Physical Volume，物理卷）；
• 多個(gè)PV在邏輯上組成VG（Volume Group，卷組）；
• 對(duì)VG進(jìn)行分區(qū)生成多個(gè)LV（Logical Volume，邏輯卷）。

服務(wù)器主機(jī)操作系統(tǒng)使用這些邏輯卷。

三、塊存儲(chǔ)

1. DAS

存儲(chǔ)直接外掛在一臺(tái)服務(wù)器上，這種架構(gòu)稱(chēng)為DAS（Direct Attached Storage，直接連接存儲(chǔ)）。DAS的特點(diǎn)是其自身沒(méi)有操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)，僅供一臺(tái)服務(wù)器使用。

常見(jiàn)的存儲(chǔ)設(shè)備有硬盤(pán)、U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)、JBOD等。在服務(wù)器上顯示為本地硬盤(pán)，為塊級(jí)別存儲(chǔ)設(shè)備。

2. SAN

為了硬盤(pán)陣列能夠供多個(gè)服務(wù)器使用，就出現(xiàn)了SAN（Storage Area Networks，存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）。

在SAN中，SAN硬盤(pán)陣列和服務(wù)器的關(guān)系是N：M，也就是多對(duì)多的關(guān)系。

SAN有FC-SAN和IP-SAN兩種。

其中，F(xiàn)C-SAN需要FC交換機(jī)和光纖，價(jià)格較貴，要組一套完整的SAN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，需要幾十W的投資成本。IP-SAN需要以太交換機(jī)，價(jià)格會(huì)降低一半。

SAN可以看作是網(wǎng)絡(luò)上的硬盤(pán)，面向的是海量的面向數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)傳輸。

3. DAS和SAN圖示

四、文件存儲(chǔ)

1. NAS

文件存儲(chǔ)可以看成是文件服務(wù)器，提供文件共享服務(wù)給用戶(hù)，并能控制用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限（增刪改），稱(chēng)為NAS（Network Attached Storage，網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)）。

NAS的實(shí)現(xiàn)方式是在存儲(chǔ)設(shè)備上安裝文件系統(tǒng)，并以文件目錄的方式共享存儲(chǔ)空間。服務(wù)器無(wú)須對(duì)文件存儲(chǔ)進(jìn)行格式化。

NAS的特點(diǎn)是包含文件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，可完全獨(dú)立自主運(yùn)行，屬于文件級(jí)共享存儲(chǔ)設(shè)備，成本低，軟硬件一體。

NAS可以看成是網(wǎng)絡(luò)上的文件系統(tǒng)。

2. NAS與SAN

SAN提供的是塊級(jí)存儲(chǔ)服務(wù)，NAS提供的是文件級(jí)的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和共享服務(wù)。

現(xiàn)在很多廠(chǎng)商提供統(tǒng)一的存儲(chǔ)，也就是一種網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)架構(gòu)同時(shí)支持NAS和SAN。

五、對(duì)象存儲(chǔ)

有別于文件存儲(chǔ)的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，對(duì)象存儲(chǔ)將數(shù)據(jù)看成“對(duì)象”，并且數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，分別稱(chēng)為Bucket（桶）、Object（對(duì)象）。