存储基本原理
数据存储原理
数据存储原理
数据存储原理是指存储设备如何将数据存储在硬件上的基本原理。
在计算机中，数据经常需要存储在硬盘、固态硬盘、内存、U盘等存储设备中，这些设备都需要存储数据的地方来保留数据。
首先，数据在计算机中被转化成二进制编码，也就是由0和1组成的序列。
计算机存储设备中的每一个存储单元都由一个或多个二进制位组成。
例如，8位二进制数可以表示256个不同的值，16位二进制数可以表示65536个不同的值。
在计算机中，数据的存储通常分为两种类型：随机存储和顺序存储。
随机存储是指数据可以在任意位置存储和访问，如内存和固态硬盘。
顺序存储是指数据必须按顺序存储和访问，如磁带。
在存储设备中，数据通常以块的形式被存储，每个块包含一定数量的存储单元。
块的大小取决于存储设备的类型和大小，以及数据的类型和大小等因素。
通常情况下，块的大小越大，存储效率越高，但是数据读写速度可能会变慢。
为了保证数据的安全性和完整性，存储设备通常会采用一些技术来保护数据，如数据校验和容错等技术。
此外，存储设备还需要管理空间，以确保数据可以被有效地存储和访问。
总之，数据存储原理是计算机系统中的基本原理之一，它涉及到计算机存储设备的设计、实现、管理和维护等方面，对于理解计算机系统的工作原理和优化计算机性能都具有重要的意义。
- 1 -。
(存储技术基础)第一章存储技术概述
05
数据备份恢复策略与方法
数据备份重要性及分类方法
数据备份重要性
云存储挑战与未来发展
要点一
安全性挑战
云存储面临着数据泄露、篡改、损坏 等安全风险，需要加强身份认证、访 问控制、数据加密等安全防护措施。
要点二
可扩展性挑战
随着数据量不断增长，云存储需要不 断提高可扩展性，以满足用户不断增 长的数据存储需求。
要点三
未来发展
未来云存储将朝着更加智能化、自动 化、高效化的方向发展，引入人工智 能、机器学习等技术提高数据管理和 运维效率。同时，随着5G、物联网等 新技术的普及，云存储将在更多领域 得到应用和推广。
工作原理
磁盘阵列通过条带化（Striping）将数据分散到多个磁盘上，并行读写，提高数据 访问速度；同时通过镜像（Mirroring）或奇偶校验（Parity）等技术实现数据冗余， 提高数据可靠性。
常见磁盘阵列级别及其特点
01 RAID 0
02 RAID 1
03 RAID 5
04 RAID 6
05 RAID 10（RAI…
NAS和SAN网络存储比较
NAS（Network Attached Storage， 网络附加存储）：NAS是一种基于文 件协议的存储技术，通过标准的网络协 议（如TCP/IP）在局域网上提供文件 和数据共享服务。NAS设备通常被配 置为独立的文件服务器，客户端可以通 过网络访问NAS设备上的文件和数据。
手机内存工作原理
手机内存工作原理手机内存是指用于存储数据和程序的临时存储器，也是手机正常运行所必需的组成部分。
手机内存工作原理主要包括两个方面，即存储原理和读写原理。
一、存储原理存储原理是指手机内存如何存储数据和程序的机制。
手机内存通常采用的是随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）技术，它具有高速读写的特点。
手机内存由存储单元组成，每个存储单元都有独立的地址，可以通过地址来访问和存储数据。
手机内存采用了固态存储器的技术，其中最常用的是动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）。
DRAM内存存储数据时，将数据存储为电荷状态，当读取数据时，通过读取电子状态来获取存储的数据。
DRAM内存需要不断刷新电荷状态，以保证数据的存储稳定性。
二、读写原理读写原理是指手机内存如何进行数据的读写操作。
首先，当手机上的程序需要使用内存中的数据时，将会发起读取请求。
读取请求经过处理器和内存控制器的协调后，内存控制器会通过地址线将读取请求发送到内存的对应地址。
当内存接收到读取请求后，将会根据请求的地址找到对应的存储单元，并将存储单元中的数据读取出来。
读取到的数据通过数据线传输回处理器，供程序使用。
而当需要将数据写入内存时，操作与读取相反。
处理器将写入请求发送给内存控制器，内存控制器将写入请求发送到内存的对应地址。
内存将数据写入对应的存储单元中，并通过刷新机制保证数据的存储稳定性。
三、内存管理手机内存的工作原理还涉及到内存的管理机制。
为了提高内存的使用效率和容量利用率，手机操作系统会对内存进行管理和优化。
首先，内存管理会将手机上正在运行的程序划分为多个进程，并为每个进程分配一定的内存空间。
操作系统会监控内存的使用情况，当某个进程需要更多内存时，会自动回收其他进程占用的内存空间，为该进程腾出足够的内存。
其次，内存管理还涉及到内存的数据交换机制。
为了节省内存空间和提高系统的响应速度，手机操作系统会将不常用的数据和程序暂时存储到闪存等外部存储设备中，只保留当前正在使用的数据和程序在内存中。
内存存储数据的原理
内存存储数据的原理1. 内存存储数据的概述内存是电脑硬件中最重要的组成部分之一，也是实现数据存储和读取的关键设备。
内存通俗地说，就是用来暂时存储计算机程序和数据的装置，是电脑中用来处理数据运算的空间。
因此，内存的大小和质量的好坏将直接影响到计算机的性能和运行速度。
2. 内存存储的基本原理内存存储的基本原理是“地址空间”，每一个内存单元都拥有其唯一的地址码，也就是所谓的“内存地址”，而计算机运算实际上就是在利用地址码上的“读取”和“写入”来完成数据的操作。
3. 数据在内存中的存储方式内存中存储数据或程序的方式是将数据或程序信息分散存储在不同的内存单元中（称为“内存块”），同时用特殊的数据结构将这些内存块组织成一定的逻辑关系，形成内存的“映像”结构。
这些数据在内存中的地址码并不是连续的，而是根据其内部逻辑自然排布。
4. 内存存储数据的速度计算机内存可以做到非常高速的读写，这是因为内存中存储内容的地址码可以被直接访问，没有像硬盘这种设备进行物理磁盘的寻址等操作。
内存访问速度可以达到每秒数百万次，而硬盘的速度则只有每秒数百次甚至更慢。
5. 内存空间的物理结构内存存储数据的物理结构是由内存芯片条和内存插槽来共同组成的。
内存插槽通常分为两个种类：DIMM插槽和SO-DIMM插槽，而内存芯片条也有不同的类型，例如：SDRAM、DDR、DDR2、DDR3、DDR4。
不同种类的内存芯片条有不同的存储容量和速度等特性。
6. 内存存储数据的读写操作计算机在执行运算时，会到内存中读取需要的数据或程序，一般情况下，计算机会将数据存入CPU内部的寄存器中，来完成具体的运算，之后再将结果存回内存中。
这种过程中，内存的读写速度和内存的质量都非常重要。
7. 总结内存的存储功能对计算机来说非常重要，我们平时在选购内存时，需要考虑到内存的容量、速度和种类等因素，以期可以让电脑的性能和运行速度达到最佳的状态。
同时，我们也需要保护好内存的健康，尽量避免内存过热或不当的处理方式等，这些都将有损内存的健康和寿命，甚至还会导致数据丢失或内存死亡的情况发生。
存储器的基本原理及分类
存储器的基本原理及分类存储器是计算机中非常重要的组成部分之一，其功能是用于存储和读取数据。
本文将介绍存储器的基本原理以及常见的分类。
一、基本原理存储器的基本原理是利用电子元件的导电特性实现数据的存储和读取。
具体来说，存储器通过在电子元件中存储和读取电荷来实现数据的储存和检索。
常见的存储器技术包括静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）。
1. 静态随机存取存储器（SRAM）静态随机存取存储器是一种使用触发器（flip-flop）来存储数据的存储器。
它的特点是不需要刷新操作，读写速度快，但容量较小且功耗较高。
SRAM常用于高速缓存等需要快速读写操作的应用场景。
2. 动态随机存取存储器（DRAM）动态随机存取存储器是一种使用电容来存储数据的存储器。
它的特点是容量大，但需要定期刷新以保持数据的有效性。
DRAM相对SRAM而言读写速度较慢，功耗较低，常用于主存储器等容量要求较高的应用场景。
二、分类根据存储器的功能和使用方式，可以将存储器分为主存储器和辅助存储器两大类。
1. 主存储器主存储器是计算机中与CPU直接交互的存储器，用于存储正在执行和待执行的程序以及相关数据。
主存储器通常使用DRAM实现，是计算机的核心部件之一。
根据存储器的访问方式，主存储器可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种。
- 随机存取存储器（RAM）随机存取存储器是一种能够任意读写数据的存储器，其中包括SRAM和DRAM。
RAM具有高速读写的特点，在计算机系统中起到临时存储数据的作用。
- 只读存储器（ROM）只读存储器是一种只能读取数据而不能写入数据的存储器。
ROM 内部存储了永久性的程序和数据，不随断电而丢失，常用于存储计算机系统的固件、基本输入输出系统（BIOS）等。
2. 辅助存储器辅助存储器是计算机中用于长期存储数据和程序的设备，如硬盘、固态硬盘等。
与主存储器相比，辅助存储器容量大、价格相对低廉，但读写速度较慢。
存储器原理介绍范文
存储器原理介绍范文存储器可以分为主存储器和辅助存储器两种。
主存储器是指计算机系统中直接与CPU进行数据交换的存储设备，其中包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
主存储器是计算机系统中最快的存储设备，它通常采用固态技术，可以快速地读写数据。
辅助存储器是指计算机系统中用于长期存储数据的设备，其中包括硬盘、光盘和闪存等。
与主存储器相比，辅助存储器的读写速度较慢，但容量更大，能够长期保存数据。
存储器的最小单元是位（bit），它可以存储一个二进制数值 0 或 1、多个位可以组合成更大的存储单元，例如字节（byte）、字（word）等。
在存储器中，每个存储单元都有一个唯一的地址，通过地址可以访问存储单元中的数据。
存储器的工作原理是通过电信号实现的。
在存储器中，数据被存储为电信号的高电平和低电平。
高电平表示二进制数值1，低电平表示二进制数值0。
当CPU需要读取或写入数据时，会把地址发送到存储器，存储器根据地址找到相应的存储单元，并将其中的数据通过电信号传输给CPU。
存储器的读取和写入操作分别称为读操作和写操作。
在读操作中，CPU发送读取指令和地址给存储器，存储器将对应地址的数据读取出来，并通过数据总线传输给CPU。
在写操作中，CPU发送写入指令、地址和数据给存储器，存储器将数据写入到对应的地址中。
存储器的读写速度通常由存取时间和传输时间两部分组成。
存取时间是指从发送地址到获取数据所需要的时间，它包括寻址时间、传递时间和传输时间等。
寻址时间是指存储器根据地址找到存储单元所需要的时间，通常取决于存储器的组织结构和访问方式。
传递时间是指数据从存储器传输到CPU所需要的时间，它取决于数据总线的带宽和传输速度。
传输时间是指CPU和存储器之间数据传输的时间，它取决于数据线的长度和驱动能力等。
存储器的组织结构主要有两种方式：随机访问存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
随机访问存储器是一种可以读写的存储器，它的特点是访问速度快、容量大，但数据不稳定，需要电源供电才能正常工作。
硬盘数据存储原理
硬盘数据存储原理硬盘是计算机中用来存储数据的重要组成部分之一、它利用磁性材料在磁盘上存储和读取数据。
其存储原理主要包括磁介质、磁头、磁道、扇区和柱面等几个方面。
1.磁介质：硬盘使用的磁介质通常是氧化铁磁粉或氧化铁磁性膜，它们具有强磁性和稳定性。
硬盘盘片上涂覆了一层磁性材料，可以被磁场刷写和读取数据。
2.磁头：硬盘上有多个磁头，每个磁头负责读/写一个盘面上的数据。
磁头通过悬臂臂臂处于接头上，可以在盘片上运动。
磁头本质上是一个电磁线圈，它可以产生和感应磁场。
3.磁道：每个盘面被划分成多个同心圆环，称为磁道。
每个磁道上都可以存储一定数量的扇区。
盘面的内圈磁道的数据容量较大，外圈磁道的数据容量较小。
4.扇区：磁道被进一步划分成多个扇区，每个扇区存储特定大小的数据。
扇区是硬盘存储和读取数据的最小单位，通常为512字节或4KB。
5.柱面：多个盘片上同一半径位置的磁道构成一个柱面。
硬盘在读写数据时，通过调整磁头的位置，将数据读写在相同柱面的磁道上，以提高读写效率。
硬盘的数据存储过程如下：1.写入数据：当计算机需要将数据写入硬盘时，首先由CPU发送写入命令给磁盘控制器。
磁盘控制器将这个命令传递给磁头驱动器。
驱动器通过移动磁头到正确的柱面和磁道上，使磁头位于正确的扇区上。
然后，驱动器通过磁头的电磁线圈在扇区上产生一个磁场，将数据写入磁介质上。
2.读取数据：当计算机需要读取硬盘中的数据时，CPU发送读取命令给磁盘控制器。
控制器将读取命令传达给磁头驱动器。
驱动器通过移动磁头到正确的柱面和磁道上，使磁头位于正确的扇区上。
然后，驱动器通过磁头的电磁线圈感应扇区上的磁场，将磁场信号转换为电信号，并传递给磁盘控制器。
控制器将读取到的数据传递给CPU进行处理。
值得注意的是，硬盘的数据存储是非易失性的。
这意味着数据会一直保留在硬盘上，即使断电或关闭计算机，数据也不会丢失。
这是因为硬盘使用了磁性材料作为存储介质，而磁性材料的磁性是稳定的。
存储器的工作原理
存储器的工作原理
存储器是计算机中用于存储数据和程序的设备，其工作原理可以简单地概括为存储和读取两个过程。
存储过程：
1. 写数据：当计算机需要将数据存储到存储器中时，控制器将数据发送给存储器。
这些数据被转换为存储器中的电信号，在存储器的电路中被存储下来。
2. 存储：存储器将数据存储在特定的存储单元中。
这些存储单元包括位、字节、字等，每个单元有一个唯一的地址，通过地址，存储器可以将数据存储在正确的位置。
读取过程：
1. 读取数据：当计算机需要读取存储器中的数据时，控制器会发送请求读取的命令和相应的地址给存储器。
2. 传输数据：存储器接收到读取的命令和地址后，将存储在该地址上的数据传输给控制器。
3. 控制器处理数据：控制器接收到存储器传输的数据后，可以将数据发送给其他设备进行处理，比如CPU进行运算或显示
器进行显示。
存储器的数据存储是通过电子元件来实现的，最常见的是基于半导体的固态存储器，如RAM（随机访问存储器）和ROM （只读存储器）。
存储器的读写速度较快，可以在很短的时间内完成存储和读取操作，因此是计算机中重要的基础设备之一。
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12
RAID基本概念—校验
A0值
A1值
P值
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
奇偶校验（XOR）算法
数据A0和A1通过异或运算（相同为0，相异为1） 得到校验位P
13
RAID基本概念—磁盘数据 重建
A0 ＝
XOR
XOR
故障
A1
A2
数据盘1 数据盘2 数据盘3
更换
P 数据校验盘
14
RAID基本概念—物理卷、 逻辑卷
29
动态磁盘池特点
• 系统提供持续不受影响的性能
• 系统性能保持在 “绿色区域”
– 硬盘故障对系统的性能影响最小 – 显著加快系统恢复时间 – 10倍于传统RAID的恢复速度 – 加速数据重建
• 磁盘池规避硬盘热点
Performance Impact of a Drive Failure
Optimal
• 全局式：备用硬盘为系统中所有的冗余RAID组共享
• 专用式：备用硬盘为系统中某一组冗余RAID组专用
磁盘阵列
热备盘
RAID 5
RAID 5
24
传统RAID数据保护方式
▪ 磁盘组织管理通过RAID组 ▪ 卷空间只能分布在RAID组中的磁盘上
– 性能受磁盘数目限制 ▪ 热备盘直到硬盘故障的时候参与工作 ▪ 热备的空间总是处于备用状态
31
JBOD
•最初用来表示一个没有控制软件提供协调控 制的磁盘集合。
阵列－控制器＝扩 展柜
SAS、FC线缆
带有控制单元的阵列
磁盘扩展接口
磁盘扩展接口
32
外置独立存储系统的配件组 成
•BBU
•电源
•风扇 •硬盘
•CacTitle
he
•控制 器
33
存储重要组成——硬盘
硬盘的主要 • 指容标量：指硬盘能存储的数据量大小，以字节常为用基指标本单位
辑
RAID5 （3）
RIAD1
财务、金融系统
性能
可靠性
RAID3 视频监控等需要高吞吐量
的场合
RAID1
0
RAI
D1
RAID5 OLTP、OLAP、数据库系 统
RAID6 对数据安全性要求很高的
场合
23
RAID基本概念—RAID硬盘 故障处理
热备：HotSpare
• 定义：当冗余的RAID组中某个硬盘失效时，在不干扰当 前RAID系统的正常使用的情况下，用RAID系统中另外 一个正常的备用硬盘自动顶替失效硬盘，及时保证RAID 系统的冗余性
• 缺点： 1、随着服务器数量的增多，磁盘数量也在增加，且分
散在不同的服务器上，查看每一个磁盘的运行状况都需 要到不同的应用服务器上去查看。
2、更换磁盘也需要拆开服务器，中断应用。
6
真正的企业级存储
将磁盘从服务器中脱离出来，集中到一起管理 商业、大容量、为企业解决信息时代海量数据的存 储才是真正的存储
7 7
存储发展历史
Tape
存储产品的发展历程就是数据保存、应用
1920’s HDD 发展的过程
1956 DAS
1970’s FC
SAN
IBM推出第一 款HDD
1980’s
数据脱离Server，存储单
独发展 数据的集中管理需求，
SAN出现
NAS 1993
IPSAN 2001
非结构化数据的增长需求，NetApp推出 第一款NAS
10
RAID诞生的因素
容量
• CPU运算速 度飞速提高， 数据读写速 度不应该成 为计算机系 统处理的瓶 颈
性能
可靠性
RAID
• 计算机发展 初期，大容 量硬盘价格 非常高，而 需要存储的 数据量越来 越大
• 信息时代，数 据对企业和个 人的重要性越 来越大，数据 存储安全更需 要保障
11
RAID基本概念—条带化
23 24-drive system with single 24-drive pool
28
动态磁盘池特点
• DDP 动态分布数据、热备空间 • 数据保护信息保存在所有磁盘池中所有硬盘上
• 智能算法实现硬盘的分片管理 • 硬盘分片根据性能平衡需要动态实现重建、再分
配 • 快速实现硬盘故障的恢复 • 所有硬盘参与数据重建 • 数据重建对系统性能影响极小
• 单碟容量：硬盘都是由一个或几个盘片组成的，单碟容量就是 指包括正反两面在内的单个盘片的总容量
• 转速：即主轴马达转动速度，单位为RPM（Round Per Minu常te用)指，标即每分钟盘片转动圈数
• 缓存：是硬盘控制器上的一块内存芯片，具有极快的存取速度， 它是硬盘内部盘片和外部接口之间的缓冲器
4
SCT
不支持
支持
5
错误纠正功能
不机体温度及
保证长时间工作
可靠性）
支持
35
各类接口
阵 列
管 理 接 口
磁盘 扩展 接口
主 机 接 口
扩展 柜
服务 器
36
关于存储磁盘阵列性能
性能不仅仅是IOPS，从存储系统的角度，有三个尺度可以来衡量存储 系统的性能： • IOPS(Input/OutputPer Second)——IOPS即每秒的输入输出量(或
79%的复合增长率
结构化数据31%的复合增长率
=
4
IT技术的发展趋势
数据如何存储？ 数据如何保护？ 数据如何高效使用？
5
独立存储的诞生
• 存储系统是整个IT系统的基石，是IT技术赖以存在和发 挥效能的基础平台。
• 早先的存储形式是存储设备（通常是磁盘）与应用服务 器其他硬件直接安装于同一个机箱之内，并且该存储设 备是给本台应用服务器独占使用的。
读写次数)，IOPS是指单位时间内系统能处理的I/O请求数量，一般 以每秒处理的I/O请求数量为单位，I/O请求通常为读或写数据操作 请求。随机读写频繁的应用，如OLTP(OnlineTransaction Processing)，IOPS是关键衡量指标。 • Bandwidth-带宽：指单位时间内可以成功传输的数据数量。对于大 量顺序读写的应用，如VOD(Video On Demand)，则更关注吞吐 量指标。 • Response Time-响应时间，通常与控制器与硬盘类型相关
24-drive system with (2) 10-drive groups (8+2) and (4) hot spares
25
传统RAID数据保护方式
▪ 数据重建到热备盘上 – 热备盘需要承担数据重建的所有写操作 – 成为性能瓶颈 – 数据重建只能依序进行，一次一个数据条带
▪ 此RAID组上所有的数据访问都会受到影响
%
时间
间
时间
1 个 9 90%
.9
.1
36 天
2 个 9 99%
.99 .01 87 小时
3 个 9 99.9%
.999 .001
8 小时
99.99 4个9
%
.9999 .0001
52 分钟
99.99
.0000
39
灾备衡量指标
RTO：（Recovery Time Object，恢复时间目标 ）是指 信息系统从灾难状态恢复到可运行状态所需的时间，用来 衡量容灾系统的业务恢复能力
24-drive system with single 24-drive pool
27
动态磁盘池——当发生磁盘 故障时
▪ Data is reconstructed throughout the disk pool – 所有的硬盘都会参与数据重写操作 – 数据重建多条带并行处理 – 10倍速度完成数据重建
“计9算”方意法味着什么？
A(Availability) = MTBF/(MTBF+MTTR) Downtime = 525600×(1-A) mins/year Availability：可靠性
MTBF：平均无故障时间
MTTR：平均故障恢复时间
Downtime：宕机时间
9 的个 数
正常运行 停机时 每年的停机
DDP
Acceptab le
Performance
Time
RAID Rebu
ild
– 所有的卷空间分布在磁盘池中全部的硬盘中
– 降低硬盘故障率
• 动态的数据分布和再分配由后台持续进行
30
磁盘阵列
•由一个或者多个磁盘子系统中的磁盘组成的磁盘 集合，这些磁盘由控制软件组合到一起并统一控 制。自带RAID控制器的盘柜就叫做磁盘阵列或者 盘阵。 •控制软件将磁盘集合的总磁盘存储容量作为一个 或者多个虚拟磁盘提供给主机。
HDS：我们有权威的SPC数据，证明我们的性能。
EMC：SPC的测试标准没有考虑规定许多对存储性能测试至关重要的因 素，SPC平台并不能代表客户的实际应用。
37
关于存储磁盘阵列性能
应用访问模式
受到 15K 2.5-in 或 3.5-in 驱动器 的最好服务
IOPs
读密集型 写密集型
I/O 密集型
吞吐密集 型
“从石器时代到存储设备（From StoneAge to StorAge），硬盘发展至今，简直就像从石器时 代走到现在。”
3
信息化数据发展
海量数据 多元化数据
截止2013年，中国数据总量达到8-从2011年开始，75%以上的数据
10EB 每年以50%的速度增长
都是基于 文件的数据类型，非结构化数据
21
RAID基本概念—RAID0+1