存储介质简介

1. 光介质存储

介质： 光盘
存储原理：

• 刻录后 暗(被刻录后会有凹槽，不反光)表示1；亮表示0；
  

2. 磁介质存储

介质： 磁带，磁盘等
存储原理：
磁道中的不稳定磁性颗粒，经过磁头磁化后会变得有序，有序后指向南北极的方向不同，以此来区分0和1

• 磁带：条状磁道。
• 磁盘：有硬磁盘和软磁盘，圆状磁道。

3. flash(闪存)

介质： 固态硬盘，U盘，SD卡等
存储原理：
闪存颗粒中有存储单元，存储单元中存储电荷。控制栅极可以将电荷存储在存储单元中。

通过存储单元中的电荷有电压，达到某个阈值表示一个数值没有达到表示另一个数值，一个存储单元表示的数值有不同玩法，通常分为SLC、MLC、TLC、QLC。SLC更稳定

• SLC：一个存储单元表示1bit的数据，达到阈值表示1达不到表示0
• MLC：一个存储单元表示2bit的数据，根据阈值范围划分为00，01，10，11
• TLC：一个存储单元表示3bit的数据，根据阈值范围划分为000，001，010，011，100，101，110，111
• QLC：一个存储单元表示4bit的数据，同上
  
  缺点： 寿命短，不利于持久化存储。企业上一般使用磁介质硬盘来做永久化存储，闪存当做缓存来使用。因为磁介质一旦经过磁化只要不是物理损伤数据不会丢失。

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硬盘存储原理

磁盘组件

磁头摆臂可以摆动，盘片由主轴控制转动，如此以来磁头就能读取到盘片的所有磁道的数据。数据通过磁盘接口由总线发给计算机系统。
一个硬盘中可以有一个或多个盘片。盘片也可以分为单面和双面，双面表示盘片的正反两面都有磁道能存数据。

磁盘是如何存储文件的

早期磁盘存储数据方式：
磁盘存储文件时的最小单位为扇区sector，早期磁盘的寻址方式是CHS（cylinkder head sector）也就是先找到柱面再通过磁头编号找到磁道，再找到扇区。一个扇区是512Byte，若文件大于512Byte则需要跨扇区存储，但是这些扇区不一定连续这就导致读取数据时比较麻烦。
【什么是柱面】：比如一个硬盘有3个盘片，俯视图看有10个磁道，柱面就是俯视所有盘面的同一个磁道称为一个柱面。比如这三个盘面每一面的1号磁道的集合称为1号柱面，这一柱面有3个磁头分别指向这3个盘面的1号磁道。所以通过柱面-磁头编号就可以确定是哪个盘面的哪个磁道，在通过扇区找到要读取的数据。

目前主流磁盘的存储方式：
由于扇区的颗粒度太小，很容易跨扇区存储。所以后来有了block块(Linux下叫block)(windows下叫存储单元cluster)，这是一个逻辑概念。
当你在格式化磁盘的时候windows下默认一个存储单元是4096字节(也可以手动修改)，这4096字节是连续的8个扇区逻辑出来的一个块区域。格式化这个动作就是将这个磁盘的所有扇区全部按8个8个分成多个块区域，对文件系统来说他看到的最小存储单元就是一个块。
这就是你在windows上即使创建一个1字节的文件，通过文件右键->属性看到的占用空间却是4096字节的原因。
【空文件为什么占用空间是0字节】：因为文件分为描述数据(元数据metedata)和实际数据，而描述数据是有一个单独的存储位置。意味着这个文件并没有实际内容与扇区一一对应。当你往这个文件中写入一个字节的数据，这时就会占用一个块区域。

【为什么是4096字节】：虽然格式化时可以修改一个块的大小，但是最小也不能小于512字节，因为一个扇区就是512字节(这是真实的物理大小改变不了)。而文件系统存储文件的时候是按照块为最小单元来存储的，设置太大造成文件浪费，设置太小又会出现很多个跨块区域的数据。权衡后的大小就是4096字节。可以根据需求来调整格式化时的块区域大小，比如存的都是几个字节的零碎文件那就可以设置小一点，要是存的都是大文件那么就可以格式化的大一些，提高磁盘使用率。

磁盘的性能

对于硬件来说磁盘性能表现在：
5400rpm：平均旋转延时：5.5ms
15000rpm：平均旋转延时：2.0ms

所以可以看到机械硬盘的瓶颈很明显，转速越快产生热量越多，所以注定性能快不了。

• 寻道速度：磁头摆臂速度
• 盘片转速：主轴的转速

对操作系统来说磁盘的性能表现在：
通常企业上要使用IO高和高吞吐，都会选择flash，而且flash抗震。但是flash不适合永久化数据存储，可以先存到flash再由flash往慢速硬盘中导入。

• IOPS：读写次数
• 吞吐：带宽

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存储接口与存储协议

硬盘与内存数据交互过程见下图：

接口类型

1. ATA-高级技术附加-并行接口：也称为IDE接口，早期并行接口，现在已经被淘汰。（早期个人使用）
   ATA总线是一个慢速总线，总线中的数据交互需要遵循ATA协议。驱动协议指令最大速率只能到133MBps
   ATA为什么慢：

   • 使用的是并口而不是串口：虽然并行可以一次发送多个bit的数据，但是并行接口需要等排线上的数据都准备好才能发送，大多时间都在等待。而串行虽然只能一bit一bit发，但是不需要等待。还有一个原因是线路之间的电磁干扰，必须有协调机制来保证并行的数据的正确性，而这种协调机制就会导致前面说的等待。

2. SATA：ATA总线的串行升级版本。（个人使用）

   • SATA1.0标准速度：1.5Gbps
   • SATA2.0标准速度：3Gbps
   • SATA3.0标准速度：6Gbps （600MBps）
   • 支持驱动协议指令ATA133MBps-ATA总线：它是并行协议。
   • 支持驱动协议指令AHCI指令：高级主机控制接口协议，它是一个串行协议。

   SATA接口可以使用串行或并行的方式传输协议，这取决于使用什么驱动程序。

3. SATA-E接口：可以走SATA总线，也可以走PCIE总线。可以向下兼容SATA。

4. M.2接口：

   • B-key接口：支持SATA3总线，使用AHCI指令。最高6G
   • M-key接口：支持PCIE3.0 *4总线，使用NVMe协议指令。最高32G
     

5. U.2接口：支持PCIE *4总线，使用NVMe协议指令。最高32G
   

6. PCI-E接口：支持PCIE *4总线，使用NVMe协议指令。最高32G
   

7. MINI-PCIe接口：存储能力等同于SATA，只不过接口大小较小，适合放在笔记本中。
   

8. SCSI：小型计算机系统接口。早期为IBM为小型机器指定的，现在已经算是一种公开标准。并行接口，对应SCSI协议，SCSI总线。但是他是并行接口，所以很慢。(早期企业使用)

   • 企业中基本不用SCSI接口，但是会用SCSI协议和SCSI总线。
   • SCSI是主机与磁盘通信的基本协议。

9. SAS：串行版本的SCSI，使用串行的SCSI指令。(企业使用)

   • SAS驱动协议：支持串行SCSI指令、ATA指令、AHCI指令
   • SAS完全兼容SATA。
   • SAS总线可以连接一个expander，一个expander可以挂128个expander，每个expander可以连接128个硬盘。
     

10. 实物展示：

    • SATA硬盘可以插入到SAS接口上，但是SAS硬盘不能插入到SATA接口。
    • SAS接口如果插入了SATA硬盘，可以走AHCI协议或串行的SCSI协议。
    • SATA接口只能插SATA硬盘。
      
      

SCSI

SCSI的寻址方式

1. 首先找到总线(BUS)ID（通道ID）
2. 其次找设备ID
3. LUN-逻辑单元：logic unit number，逻辑设备
4. LBA-逻辑块区域：类似上面磁盘存储原理中说到的block

windows下查看SCSI寻址

接口与总线与协议的对应关系

cpu是如何控制存储的

南桥北桥：

● 早期北桥和南桥都在cpu外部通过总线通信：cpu -FSB总线->北桥-DMI总线->南桥。
● 后来的计算机，北桥都被集成到了CPU中，外部只有南桥(改名PCH：平台控制器总线芯片)。所以现在的计算机也就没有南桥北桥之说。

DMA直接内存访问：

● 若CPU中没有DMA时，cpu进行io任务的时候有两种方式：

1. 磁盘查询：效率底浪费cpu资源。cpu不停的询问硬盘能不能进行io当io准备好了才能进行io任务，一般硬盘会给cpu回复两种状态"busy"和"ready"，只有cpu收到ready的时候才会执行io任务。
2. 中断：cpu给磁盘发送我要进行io的指令然后继续进行其他任务，磁盘接收到指令后在ready状态的时候发起io中断提醒cpu进行io任务。

● CPU中集成了DMA时：

• cpu要执行io任务的时候将io控制权暂时交给DMA控制单元，DMA帮CPU去完成io任务(方式：io中断)，cpu除了跟DMA通信外不需要跟磁盘交互，cpu可以继续执行其他运算任务。DMA处理好了后通知CPU，CPU收回io控制权。

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文件系统

简述：

• 文件系统以树形目录的方式组织计算机数据，直接与物理磁盘的块区域交互，让我们在使用计算机的过程中对物理磁盘的存储无感知，我们只需要记录文件名和目录即可。
• 文件系统与磁盘交互的方式是文件系统维护着文件与底层LBA地址的映射关系。

常见的文件系统

不同的操作系统能识别不同的文件系统，有些文件系统可以被所有主流操作系统识别。

windows：

• FAT16、FAT32、NTFS、exFAT

Linux：

• ext、ext2、ext3、ext4、XFS、ISO9660、Minx、MSDOS、UMSDOS、VFAT、NTFS、HPFS、NFS、SMB、SysV、PROC、exFAT

MAC OS：

• APFS、HFS+、exFAT

文件系统中块存储与文件的关系

当主机接入块设备的时候(LUN)通过驱动协议(SCSI)与扇区(sector)通信。

1. 磁盘首先将磁盘进行分区(按照磁盘大小分)得到盘符。
2. 将盘符格式化，将对应的block块链接到这个分区，完成文件系统的创建。
3. 每个分区中都有一个单独的存储空间用来保存元数据(Linux中叫inode)信息(文件描述信息、mapping映射LBA关系)。所以格式化后的大小会略微小于分区的总大小。
   

注意：

• 对windows系统来说操作系统会默认保留100M的保留分区来存储引导程序。
• 分区是个逻辑的概念，既可以压缩也可以扩展。
• 格式化重新对磁盘上的block划分，此时可能会导致数据丢失。
• 格式化分为快速格式化和常规格式化。快速格式化不会对block填0，而常规格式化会将该分区对应的block全部填0
• windows下分区有两种方式，MBR(最大2T)和GPT(大小无限制)。

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存储链接方式

DAS

• 全称：Direct Access Storage（直连存储）
  
• 特点：
  • 通过存储线缆直接将数据传入主机，不通过网络。
  • 对主机提供的是一个块级别的存储。也就是说没有文件系统，需要进行分区格式化后才能使用。
    

SAN

• 全称：Storage Area Network（存储区域网络）
  
• 特点：
  • 有单独的网络来进行传递数据的存储指令。
  • 有单独的存储设备来进行存储——集中式存储。
  • SAN的本质是通过网络数据包的形式将SCSI指令进行封装后，通过网络设备发送给存储设备。
  • SAN对主机提供的是块级别的存储。
  • SAN的网络通常情况下使用光纤网络。
• SAN封装SCSI指令的方式：针对不同的封装方式称为FC-SAN和IP-SAN

  • FC：有自己单独的协议框架，无法和以太网兼容。FC对应有FC光纤交换机，FC接口。如果想使用FC网络必须使用FC接口和FC光纤交换机(FC接口必须走光纤)。
    

  • ISCSI：支持TCP/IP协议，可以使用以太网的接口和交换机来传输数据。

SAN接口的工作原理

主机本身是不能将SCSI指令转化成FC或ISCSI指令，所以需要一个硬件来完成这项工作，它就是HBA卡。
HBA卡分为FC-HBA卡和ISCSI-HBA卡。

FC-HBA：

ISCSI-HBA：

IPSAN数据传输过程：

1. 服务器在内存中产生数据。
2. 内存将SCSI指令通过总线发送给ISCSI-HBA卡。
3. ISCSI-HBA卡将SCSI指令封装成ISCSI指令，这个指令中带了以太网的数据包。
4. 将数据包通过以太网发送给存储设备。
5. 存储控制器从Ethernet接口接收ISCSI指令数据包，解析成SCSI指令进行数据的存储。

IPSAN的优势：

1. 接入标准化：不需要专用的HBA卡和光纤交换机，普通的以太网卡和交换机就可以实现存储和服务器的连接。
2. 传输距离远：理论上IP网络可达的地方就可以使用IPSAN。
3. 可维护性好：IP网络技术的维护人员群众广大，维护工具齐全。
4. 带宽扩展方便：随着10Gb以太网的迅速发展，IPSAN单端口带宽扩展到10Gb已经是趋势。

ISCSI可以使用身份认证

• ISCSI中可以开启身份认证(CHAP：用户名/口令)也可以不开启。
• 如果开启了CHAP，会在ISCSI中创建关联角色IQN-ISCSI限定名称(限定名称表示一个目标的连接)，因为一个ISCSI发起段可以有多个目标，而这些目标需要有个区分，这时就需要IQN来标记每个目标。

注意：

• FC-SCSI只能通过FC-HBA卡来进行封装。ISCSI可以由模拟软件通过CPU封装然后通过光纤网络发送给存储设备，也可以由ISCSI-HBA卡来封装。
• FCoE：FC支持以太网传输的过渡协议版本，极少有场景使用。
• 以太网中一个包的数据最大1500字节（虽然可以设置这个最大值）导致IPSAN的速度不如FCSAN。FCSAN的一个数据包很大，发送速度较快，但是现在IPSAN的速度也在进步，使用更加广泛。

HBA卡实物展示

存储设备

存储设备分为硬盘框和控制框：

• 存储控制引擎（控制框）：控制整个存储规划，空间划分。提供IO接入功能。
• 硬盘框存储阵列（硬盘框）：负责最终的数据存储。

1. 盘控一体：控制框和硬盘框在一起。
   
2. 盘控分离：控制框和硬盘框之间使用的DAS方式连接，控制框对外提供IO接口，供外部访问。
   

NAS

• 全称：Network Access Storage（网络访问存储）
• 简述：通过存储为用户提供文件级别的存储。可通过TCP/IP协议做文件共享
• eg：smba工具

NAS共享协议

1. SMB协议：Windows平台下service message block 服务消息块，对应CIFS文件系统。
2. NFS：unix平台下Network File System，对应NFS文件系统。

NAS设备组件：

1. NAS引擎-控制器：负责I/O接入 | NAS空间划分。
2. NAS后端存储硬盘框：负责写入数据。

• 一体化NAS：包含NAS引擎和硬盘框。
  • windows下win+R–>运行–>//ip/filepath–>看到共享目录。实际上是通过SMB协议访问CIFS文件系统。
  • linux下需要安装smba软件来支持smb协议。
  • mac系统下运行框–>smb://ip/filepath–>看到共享目录。
• 访问NFS共享存储：
  • windows下需要安装NFS客户端，在windows功能下开启。
  • Linux下需要安装NFS客户端。
  • mac下需要安装NFS客户端。

NAS、SAN、DAS的区别

• DAS：为我们提供的是块级别的直连存储。支持SCSI、SATA总线协议。
• SAN：为我们提供的是块级别的网络存储，需要特殊的网络设备。支持iSCSI、FC协议。
• NAS：为我们提供的是文件级别的网络存储，普通的网络即可。常用来做共享存储。

RAID磁盘冗余与逻辑卷LUN

• 描述：Redundant array of independent disks（RAID）独立硬盘冗余阵列。
• 作用：
  • 提升主机的存储速度。
  • 确保存储的正确性。（可靠性）
• 原理：多个硬盘组成的一个阵列集群，对主机来说只能看到一个逻辑硬盘。提高并行读写效率。

RAID

当硬盘加入到RAID集群后，需要对硬盘进行条带化-Strip（逻辑块）

【什么是条带化？】
硬盘中单个或多个连续的扇区构成条带，他是一块硬盘上进行一次数据读写的最小单元，类似于block块。
集群中的每个磁盘都必须先有自己的条带，阵列中每个磁盘的相同"位置"(或者说相同编号)条带的集合组成一个分条，分条是提供给主机访问逻辑硬盘的最小存储单元。

怎么实现数据的可靠性：

• 方法一：通过数据镜像副本
• 方法二：通过算法实现冗余副本

RAID模式

RAID0、RAID1、RAID3、RAID5、RAID6、RAID10、RAID01

• RAID 0：通过条带分条技术实现提升并行写入速度。但是无法提供数据可靠性，如果一个磁盘损坏，那么这整个分条的数据就被损坏了。
  
• RAID 1：通过镜像技术实现数据备份。但是无法提升写入的速度，可以提升读取速度。因为数据有多份可以并行读取。
  
• RAID 3：带奇偶校验。允许任何一个盘损坏，P盘是不与主机I/O通信的。
  
  【为什么可以允许一个磁盘损坏？】
  因为奇偶校验的原理是异或运算，任何一个盘的损坏都可以通过其他盘的数据根据异或算法推理得到。
  eg：比如现在有上图中5个盘，数据盘的数据为0、1、0、1那么校验盘的数据计算方式为按顺序从前往后异或，0⊕1=1，1⊕0=1，1⊕1=0；所以P盘的数据就是0。当disk0盘损坏，依然可以通过逆向异或推理得到disk0的数据是0
• RAID 5：原理同RAID3一样，但是没有独立的硬盘来存储校验数据。通过分布式存储算法将校验数据分布存储在数据盘中。同样只允许损坏一个硬盘。
  
• RAID 6：原理同RAID5，但是多增加了一个q校验数据来保证数据的可靠性。允许任意两块盘损坏。
  
• RAID 10：先将两块硬盘做RAID1，再将两块RAID1的硬盘做RAID0。比如有4个盘两两分组分为组1和组2。组内使用RAID1，外层对组1和组2做RAID0；
• RAID 01：先将两块硬盘做RAID0，再将两块RAID0的硬盘做RAID1。举例同RAID10；

RAID不同模式的有效空间：

• RAID 0：利用率100%
• RAID 1：利用率50%
• RAID 3：N-1
• RAID 5：N-1
• RAID 6：N-2
• RAID 10：利用率50%
• RAID 01：利用率50%

RAID实际应用模式推荐：

• RAID 5：推荐4盘位
• RAID 6：最少4盘位，推荐6盘位

RAID实现方式：

1. 通过RAID模拟软件，来模拟RAID实现。主机的存储是跟RAID软件交互。(不推荐使用)
2. RAID卡插在主板上，RAID卡提供了接口可以连接硬盘，主机只能看到RAID的逻辑磁盘。主机的存储是跟RAID卡交互。这种方式的RAID模式需要进入主板BIOS中设置。

注意：
服务一般运行在操作系统上，而操作系统也存储在一个硬盘上，若恰好操作系统所在的磁盘挂了那么整个服务都将瘫痪。所以一般有两种方式去报操作系统的可靠性：

1. 先做RAID，然后再做系统。
2. 在存储设备做RAID，在RAID的基础上闯将逻辑卷（LUN）系统装在LUN上。如此做法即使主机挂了，换一个主机再映射这个LUN数据和系统依然在。

LUN逻辑卷

企业使用时，一般是将多个磁盘先通过RAID技术做一个大的物理硬盘，在RAID的基础上可以创建多个逻辑卷(LUN)，这个LUN对于存储设备来讲可以当作是个逻辑分区，而这个LUN在主机中认为它是一块磁盘(块设备)。
LUN是一个存储设备中的逻辑分区，但是可以作为一个独立的块设备映射给主机。
LUN通常情况下作为服务器的数据盘