一、存儲作為計(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、存儲器和輸入輸出設(shè)備。其中，存儲器分為內(nèi)存儲器和外存儲器，而外存儲器包括硬盤、光盤和U盤等。CPU與外存儲器的通信是通過IO總線進(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)為百萬條，RAM為數(shù)十萬條，而硬盤為200~300條。可以看出，硬盤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的處理瓶頸。

2. 硬盤長什么樣？

每個硬盤包含多個盤片，每個盤片又劃分多個磁道，每個磁道又分為多個扇區(qū)。

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

3. 我們?nèi)祟愂侨绾未鏀?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WPS進(jìn)行寫作或者制作表格，然后將其保存成某個盤某個目錄下的某個文件。下次在查看資料時，便在某盤某目錄下去找某文件就可以。也就是說，我們的數(shù)據(jù)都是以文件形式存在某個目錄下的，“文件”是人類視角下的存儲數(shù)據(jù)的最小單位，存數(shù)據(jù)則新建文件，查看數(shù)據(jù)則打開某個文件。

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，硬盤存儲數(shù)據(jù)的最小單位是扇區(qū)。

在我們與硬盤之間，還有個操作系統(tǒng)（具體地說是文件系統(tǒng)），負(fù)責(zé)將文件分配到硬盤上，也就是對存儲在硬盤上的數(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)對硬盤塊進(jìn)行管理，將文件拆分成若干個塊，存放到硬盤的不同扇區(qū)里面。塊與扇區(qū)的對應(yīng)關(guān)系是2的n次方。這里的塊和扇區(qū)的映射由硬盤驅(qū)動器來做，當(dāng)然硬盤驅(qū)動器還進(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)注文件如何存儲在硬盤。轉(zhuǎn)換流程為：

二、存儲脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立發(fā)展

當(dāng)計(jì)算機(jī)的硬盤存儲空間不夠時，可以通過增加外掛硬盤的方式來增加容器。外掛硬盤比較多時，可以把它們打包放到一個柜子里，稱為硬盤擴(kuò)展柜，常稱為 JBOD （Just a Bunch of Disks）。JBOD的使用方法是多塊硬盤順次寫入，當(dāng)?shù)谝粔K硬盤存滿了，會繼續(xù)存到下一塊JBOD的缺點(diǎn)是當(dāng)有一塊硬盤損壞時，所有數(shù)據(jù)將丟失。

為解決數(shù)據(jù)丟失帶來的安全問題，在硬盤擴(kuò)展柜中引入 RAID 。

RAID，全稱redundant array of independent disks，獨(dú)立硬盤冗余陣列，也就是多個獨(dú)立的硬盤組成一個大硬盤，這個硬盤具有冗余特性，允許某個硬盤損壞后，數(shù)據(jù)仍可用。RAID通過在多個硬盤上并發(fā)讀寫數(shù)據(jù)來提高存儲的 I/O 性能，通過數(shù)據(jù)冗余來提高數(shù)據(jù)的高可用。

那么，如何來做RAID？

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

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)或存儲陣列中的硬盤驅(qū)動器（HDD）/固態(tài)硬盤（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沒有容錯設(shè)計(jì)，RAID1使用鏡像。

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

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

涉及到幾個概念：

• LUN“物理硬盤”，稱為PV（Physical Volume，物理卷）；
• 多個PV在邏輯上組成VG（Volume Group，卷組）；
• 對VG進(jìn)行分區(qū)生成多個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

1. DAS

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

常見的存儲設(shè)備有硬盤、U盤、移動硬盤、JBOD等。在服務(wù)器上顯示為本地硬盤，為塊級別存儲設(shè)備。

2. SAN

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

在SAN中，SAN硬盤陣列和服務(wù)器的關(guān)系是N：M，也就是多對多的關(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)格會降低一半。

SAN可以看作是網(wǎng)絡(luò)上的硬盤，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

1. NAS

文件存儲可以看成是文件服務(wù)器，提供文件共享服務(wù)給用戶，并能控制用戶的訪問權(quán)限（增刪改），稱為NAS（Network Attached Storage，網(wǎng)絡(luò)附加存儲）。

NAS的實(shí)現(xiàn)方式是在存儲設(shè)備上安裝文件系統(tǒng)，并以文件目錄的方式共享存儲空間。服務(wù)器無須對文件存儲進(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，屬于文件級共享存儲設(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提供的是塊級存儲服務(wù)，NAS提供的是文件級的數(shù)據(jù)訪問和共享服務(wù)。

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

五、對象存儲

有別于文件存儲的樹形結(jié)構(gòu)，對象存儲將數(shù)據(jù)看成“對象”，并且數(shù)據(jù)的存儲采用兩級結(jié)構(gòu)，分別稱為Bucket（桶）、Object（對象）。