存储硬盘基础知识与存储架构
计算机存储器基础知识硬盘固态硬盘和内存的工作原理
计算机存储器基础知识硬盘固态硬盘和内存的工作原理计算机存储器基础知识：硬盘，固态硬盘和内存的工作原理计算机存储器是计算机硬件中至关重要的组成部分，它负责存储和读取数据。
在计算机存储器中，硬盘、固态硬盘(SSD)和内存是最常见的三种类型。
本文将从基础知识的角度详细介绍这三种存储设备的工作原理。
一、硬盘的工作原理硬盘是一种机械式存储设备，它使用一个或多个盘片旋转的方式存储和读取数据。
它的工作原理可以分为以下几个步骤：1. 数据的存储硬盘上的数据存储在盘片的磁性表面上。
每个盘片都被划分为许多磁道，磁道上再细分为扇区。
当计算机将数据写入硬盘时，数据会被分割成小块，并写入到盘片的指定扇区上。
硬盘也会记录着每个数据块的地址信息，以便于后续的读取。
2. 数据的读取当计算机需要读取硬盘上的数据时，硬盘的读取头会根据计算机发送的指令来定位到指定的扇区。
读取头会将磁性表面上的数据转换成电信号，然后通过硬盘的控制层返回给计算机。
计算机进一步处理这些电信号以得到需要的数据。
尽管硬盘在存储和读取数据方面可靠且容量大，但由于机械结构的局限性，其读写速度相对较慢，且易受物理撞击和磁场干扰的影响。
二、固态硬盘 (SSD) 的工作原理固态硬盘是一种基于闪存存储技术的存储设备，与传统的硬盘相比，它没有机械部件。
固态硬盘的工作原理如下：1. 存储单元固态硬盘由一系列存储单元组成，每个存储单元中存储着一个或多个闪存芯片。
这些存储单元以类似硬盘的方式分成许多扇区，每个扇区用来存储特定大小的数据块。
2. 数据的存储在固态硬盘中，数据存储在闪存芯片中的晶体管中。
每个晶体管有两种可能的状态: 在和离开。
这些状态的组合形成不同的二进制代码，用于存储和表示数据。
3. 数据的读取当计算机需要读取固态硬盘上的数据时，固态硬盘的控制器会根据计算机发送的指令来定位到指定的扇区，并读取相应的数据。
数据以电信号的形式通过控制器返回给计算机，然后计算机对这些电信号进行处理，得到需要的数据。
存储基础知识应知应会 PPT
可以采用非常成熟的IP网络管理工具和基础建设 IP网络使用普遍，可为企业节省大笔建设、管理及人
➢iSCSI协议： （Internet Small Computer System Interface）互联网小型计算机系统接口，是一种在 TCP/IP上进行数据块传输的标准，可以理解为SCSI over IP。iSCSI可构成基于IP的SAN，为用户提供高 速、低价、长距离的存储解决方案。iSCSI将SCSI命令封装到TCP/IP数据包中，使I/O数据块可通过IP网 络传输，是未来的发展之路。
存储是企业数据的“家”
用户
应用服务器
数据库服务器
邮箱服务器
员工 数据产生
文件服务器 数据处理
在线存储
近线存储
依据数据的访问频率
数据管理
离线存储
存储发展历程：从附属于服务器，剥离成独立系统
硬盘在服务器内部
Server CPU
外部硬盘阵列（DAS)
CPU
Server RAM
智能硬盘阵列(DAS) CPU Server RAM
DAS（Direct Attached Storage） 时间：70年代 背景：用户最早因为数据量的增多而产生存储的
需求，从而产生最早最简单的存储架构直连附加 存储DAS 连接方式：FC,SCSI,SAS 访问方式：直连式存储与服务器主机之间的连接 通道通常采用SCSI连接 链路速率：20MB/s、40MB/s、80MB/s 提供快照、备份等功能
解决问题： • 有限硬盘槽位，容量小
• 单硬盘存放数据，可靠性差
存储基础知识培训
存储基础知识培训一、存储概述存储是计算机系统中非常重要的组成部分，用于保持数据和程序的持久性。
在大数据时代的背景下，存储的重要性愈发凸显。
本文将介绍存储的基础知识，以帮助读者全面了解存储的相关概念和技术。
二、存储类型1.主存储器主存储器（Main Memory）是计算机系统中最直接与CPU交互的存储设备，也被称为内存。
主存储器的容量决定了系统同时存储的数据和程序大小。
2.辅助存储器辅助存储器（Secondary Storage）用于长期存储大量的数据和程序，例如硬盘、光盘、固态硬盘等。
辅助存储器的容量一般远大于主存储器，可用于大数据存储和备份。
三、存储技术1.磁盘存储磁盘存储是一种机械存储技术，通过将数据存储在旋转的磁盘上来实现数据的读写。
磁盘以扇区为单位进行数据的存储和访问，随机存取速度较慢，但容量较大。
2.固态存储固态存储（Solid State Storage）采用闪存芯片作为存储介质，相对于传统磁盘存储具有更快的读写速度和较好的耐用性。
固态硬盘（SSD）已逐渐取代传统机械硬盘成为存储系统的主力。
3.网络存储网络存储（Network Storage）指的是通过网络连接远程存储设备的存储技术。
常见的网络存储技术有网络附加存储（NAS）和存储区域网络（SAN），可实现数据的共享和备份。
四、存储管理1.存储器层次结构计算机系统的存储器层次结构由多级存储构成，层次结构越高，存取速度越快，成本越高。
常见的存储器层次结构包括高速缓存、主存储器和辅助存储器。
2.存储系统管理存储系统管理涉及存储资源的分配和管理，包括存储容量的规划、文件系统的设计与管理、数据备份与还原等。
合理的存储系统管理能够提高存储系统的效率和可靠性。
五、存储安全1.数据安全存储安全是指对存储中的数据进行保护和控制，以防止非法访问、损坏或泄露。
常见的数据安全措施包括数据加密、访问权限控制和备份恢复。
2.存储设备安全存储设备安全涉及到存储设备的管理和防护。
存储基础知识(RAID及磁盘技术)..
• RAID可以多个硬盘按照指定容量创建一个或多个逻辑卷，便通过
LUN（Logic Unit Number）来标识。一个逻辑卷对于主机来说 就是一块硬盘（物理卷）
逻辑卷
LUN1
逻辑卷
LUN2
LUN3
物理卷
物理卷
RAID10
RAID5
多个物理卷上创建1个逻辑卷
多个物理卷上创建2个逻辑卷
特点：较高的数据冗余性能；超强的数据保护能力，可以应付多颗盘同 时出错； 优点：允许在同一组内并发进行多个写操作 缺点：计算校验地址占用较多的处理时间；较低的写入速率。
RAID6 P+Q
•
RAID6 P+Q会根据公式计算出P和Q的值，当有 两个数据同时丢失时，仍可以计算出原数据
磁盘1 条带1 条带2 数据1a 数据2d
I/O 2
I/O 2 (Disk 2)
• 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
节省时间
Total request execution time
速度 @ N x 单块硬盘的速度
RAID基本概念 ——条带
大数据块写入RAID时会被分成多个数据块并行写入多块硬盘， 这些大小一致的数据块就称为条带。同时数据读取时会并行从 多块硬盘读取条带数据，最后完整输出。 条带无疑会大幅度提升整体读写效率。
磁盘2 数据1b 数据2e
磁盘3 数据1c P2
磁盘4 P1 Q2
磁盘5 Q1 数据2f
条带3
条带4 条带5
数据3g
P4 Q5
P3
Q4 数据5m
Q3
数据4j 数据5n
数据3h
存储技术基础知识
存储技术基础知识2023/9/7CONTENTS目录04半导体存储03光学存储02磁性存储01存储基本概念05数据存力存储基本概念01存储的作用·存储系统是计算机最重要的组成部分之一，实现“记忆”的功能·存储系统负责对信息数据进行保存，可以支持写入和读取存储的类型（按类别）· 存储分为多种类型，内存(Memory) 和硬盘(Hard Disk)是最常见的两种· 内存有时候也叫运行内存(运存)。
它是CPU和硬盘之间的桥梁，暂时存放CPU中的运算数据存储的类型（按类别）· 关机或断电后，内存上的数据就没有了，属于易失性(VM)存储器· 硬盘比内存的容量更大，存放了大量的数据文件。
只要执行了保存(写入)操作，即便关机或断电，硬盘上的数据仍会继续存在，属于非易失性(NVM)存储器存储器的层次结构· 不同类型的存储器，根据性能和成本的权衡，应用于不同的位置。
· 性能越强的存储器，价格就越贵，会越离计算芯片 (CPU/GPU等)越近· 性能弱的存储器，可以承担一些对存储时延要求低，写入速度不敏感的需求，降低成本。
数据的类型存储技术分类(按介质)· 现代存储技术，主要分为三大类别，分别是: 磁性存储、光学存储以及半导体存储.磁性存储02磁存储时代磁带机存储器· 以磁带为存储介质，由磁带机及其控制器组成的存储设备，是计算机的一种辅助存储器· 磁带机由磁带传动机构和磁头等组成，能驱动磁带相对磁头运动，用磁头进行电磁转换，在磁带上顺序地记录或读出数据。
· 低成本的存储方式，经常用于冷数据的离线存储硬盘(HDD)的基本知识硬盘(磁性)的组成· 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。
存储基础知识培训ppt课件
物理卷（RAID）
RAID、LUN的形成过程
物理磁盘
LUN
物理卷（RAID）
பைடு நூலகம்
分割
卷（Volume）
在LUN映射给主机的“物理硬盘”，对于主机系统来说就是一个“卷”，没有格式化的卷我们称为裸设备（裸卷），卷上创建一个或多个分区（如C盘，D盘等等），通过格式化以后创建文件系统（FAT32、NTFS、ext2/3/4等）VOLUME相对于主机是一个逻辑设备。
控制器
磁盘柜
磁盘电缆
磁盘阵列是把多个磁盘组成阵列（Array） ，以单一磁盘使用。磁盘阵列所利用的不同的技术，称为RAID level，不同的level 针对不同的系统及应用，以解决数据存储的安全、性能和容量的问题。阵列控制器是介于主机和磁盘之间的控制单元，配置有专门为I/O进行过优化的处理器以及一定数量的缓存（cache）。控制器上的CPU和cache共同实现对来自主机系统I/O请求的操作和对磁盘阵列的RAID管理。阵列上的cache则作为I/O缓冲池，大大提高磁盘阵列的读写响应速度，显著改善磁盘阵列的性能。传统磁盘阵列大多采用双控制器设计，从而充分体现了磁盘阵列的高可用特性。双控制器可配置成active-active或active-standby的工作模式，并且支持热插拔功能，能够实现简单的无单点故障，为用户提供的7*24不间断业务。 在配置了CPU和cache的磁盘阵列中，部分高端产品还可以运行基于磁盘阵列的存储软件，提供比较全面的基于磁盘阵列的解决方案。
常见磁盘阵列
光纤通道（FC）
HBA卡
WWN（World Wide Name）
SAN交换设备—交换机
FC交换机，内部为Fabric拓扑，每端口独占带宽，理论上可以连接1600万个设备
存储基础知识PPT课件
最新课件
36
存储系统的几种基本架构
最新课件
DAS NAS
SAN
37
DAS（Direct Attached Storage ）
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38
NAS（Network Attached Storage）
•NAS = Optimized for File I/O
最新课件
39
SAN （Storage Area Network）
40-pin 主/从盘 连接器 电源 跳线 连接器
最新课件
13
SCSI接口硬盘介绍
80-pin 公接头
最新课件
14
FC接口硬盘介绍
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15
SATA接口硬盘介绍
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16
SAS接口硬盘介绍
•1•2•3•4 •1 •2 •3 •4
最新课件
17
不同类型接口硬盘的比较
IDE
SATA
SCSI
SAS
•多个物理硬盘
•Raid运算
•控制器
•读I/O
•逻辑磁盘
•-6-
最新课件
6
磁盘阵列
• 常见的磁盘阵列组成部分： 控制器和磁盘柜分离
控制器
+
=
磁盘扩展柜(JBOD) 磁盘阵列
控制器和磁盘柜一体
+
控制器模块
磁盘柜
=
磁盘阵列
• 主要分类 • 按控制器数量： JBOD，双控制器阵列，多控制器 阵列 • 按对外接口：SCSI阵列， FC阵列，i SCSI阵列等
最新课件
FC或IP(GE)
缓存(Cache)
CPU
CPU
后端总线
阵列内置UPS
存储基础知识DAS、SAN、NAS详解说明
存储基础知识DAS、SAN、NAS详解说明目前磁盘存储市场上，存储分类（如下表一）根据服务器类型分为：封闭系统的存储和开放系统的存储，封闭系统主要指大型机，AS400等服务器，开放系统指基于包括Windows、UNIX、Linux等操作系统的服务器；开放系统的存储分为：内置存储和外挂存储；开放系统的外挂存储根据连接的方式分为：直连式存储（Direct-Attached Storage，简称DAS）和网络化存储（F abric-Attached Storage，简称FAS）；开放系统的网络化存储根据传输协议又分为：网络接入存储（Network-Attached Storage，简称NAS）和存储区域网络（Storage Area Netw ork，简称SAN）。
由于目前绝大部分用户采用的是开放系统，其外挂存储占有目前磁盘存储市场的70%以上，因此本文主要针对开放系统的外挂存储进行论述说明。
表一：存储入门：图文阐释DAS、NAS、SAN（图一）今天的存储解决方案主要为：直连式存储（DAS）、存储区域网络（SAN）、网络接入存储（NAS）。
如下表二：存储入门：图文阐释DAS、NAS、SAN（图二）开放系统的直连式存储（Direct-Attached Storage，简称DAS）已经有近四十年的使用历史，随着用户数据的不断增长，尤其是数百GB以上时，其在备份、恢复、扩展、灾备等方面的问题变得日益困扰系统管理员。
主要问题和不足为：直连式存储依赖服务器主机操作系统进行数据的IO读写和存储维护管理，数据备份和恢复要求占用服务器主机资源（包括CPU、系统IO等），数据流需要回流主机再到服务器连接着的磁带机（库），数据备份通常占用服务器主机资源20-30%，因此许多企业用户的日常数据备份常常在深夜或业务系统不繁忙时进行，以免影响正常业务系统的运行。
直连式存储的数据量越大，备份和恢复的时间就越长，对服务器硬件的依赖性和影响就越大。
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NS
磁芯(Core)
Binary 0 (同性)
Binary 1 (异性)
盘 片
硬盘主要参数
– 容量 – 转速 – 缓存 – 平均访问时间 – 寻道时间 – 内部数据传输率 – 外部数据传输率
–S.M.A.R.T.技术 –DFT技术 –MTBF –AFR
硬盘主要参数：容量
扇区
– 容量(Capacity) • 磁头(Head) • 磁道(Track) • 柱面(Cylinder) • 扇区(Sector)
AFR值是根据制造商每年回收的不合格产品占年度总产量的比 例计算出来的，企业级磁盘驱动器产品的AFR值一般都会控制 在1%以下
介面(Interface)
缓存Cache)
S.M.A.R.T.技术
Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology –最早由Compaq 和 IBM推动, 目的是尽可能预测硬盘 的可靠性，在硬盘损坏之前给用户警告
很多由硬盘部件功能性衰减的问题是可以预测的，通 过以下参数 –磁头飞行高度 –信息输出效率 –旋转启动时间 –寻道失败率 –寻道时间的效率
存储技术与产品基础
• 存储硬盘基础知识
目录
• 硬件结构 • 工作原理 • 主要参数 • 硬盘接口及发展介绍 • 目前主要使用的硬盘及
型号编码 • DAS、NAS、SAN
硬件结构
盘片 (Media)
磁头停放区 (Parking Zone)
音圈马达 (Voice Coil Motor)
主轴马达 (Spindle Motor)
– 平均寻道时间=（最大寻道时间+最小寻道时间）/3
硬盘主要参数--内部数据传输率
– 数据从磁盘表面传输到硬盘的缓存的速率 – 单位为每秒百万位元 (Mbits/sec)
磁盘表面
读写磁头
磁场资料
缓存
硬盘主要参数--外部数据传输率
数据由缓存经由介质传输到系统主机的速率 单位为 (Mbytes/sec) 一定比内部数据传输速率快
Aluminu m Media
硬件结构：硬盘磁头技术
– 磁头(Head) – 磁道(Track) – 柱面(Cylinder) – 扇区(Sector)
扇区
1磁道 0磁道
n磁道
硬件结构：磁头与柱面
硬件结构：硬盘受撞击
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硬件结构：磁道
1磁道 n磁道
硬件结构：扇区
扇区
工作原理
硬盘最基本的功能就是存储电脑資料, 并且当需要時读取出來供电脑运算与处理
1磁道
0磁道 n磁道
格式化容量 =柱面数 X 每磁道扇区数 X 磁 头数 X 扇区字节数
硬盘主要参数：转速
– 硬盘主轴马达转速 – 单位为每分钟转速 (rpm) – 主轴马达转速越快，就越快存取资料 – 目前大多数硬盘主轴马达转速：
5,400及7,200RPM(ATA), 7,200、10,000、及15000RPM （SCSI）
DFT技术
–DFT（Drive Fitness Test，驱动器健康检测）
–IBM公司为其PC硬盘开发的数据保护技术,通过使用 DFT程序访问IBM硬盘里的DFT微代码对硬盘进行检测。
–DFT软件是一个独立的不依赖操作系统的软件，它可 以在用户其他任何软件失效的情况下运行。
可靠性指标-MTBF
入(t)
温度应力因子
上电时间对可靠性指标的影响
通常硬盘：2400小时/年（6.5小时/天）（见下表） 商用硬盘：4000小时/年（11小时/天） 高可靠性硬盘：8766小时/年（24小时/天）
2.5
2
1.5
1
0.5
0 492 1764 3036 4308 5580 6852 8124 1128 2400 3672 4944 6216 7488 8760 每年上电时间
早期失效期
使用寿命பைடு நூலகம்偶然失效期
生产 阶段
现场运行
耗损失效期
t
MTBF＝
8760 年返修率
温度对可靠性指标的影响
通常，硬盘的工作环境温度为25℃～40℃
1.1 1
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0 25 26 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70 环境温度（℃）
硬盘主要参数 --缓存
– 缓存 • 缓存是硬盘与外部总线交换数据的场所 • 硬盘上的记忆晶片用来暂时存放数据以增强硬 盘性能 • EDO、SDRAM
硬盘主要参数—平均访问时间
平均访问时间：硬盘磁头找到目标数据的平均时间。
平均寻道时间：硬盘磁头从一个柱面移动到另一个 柱 面所需要的平均时间。
平均潜伏时间(等待时间)：当磁头移动到数据所在 的磁道后，等待目标扇区可用的平均时间。平均潜 伏时间一般取盘片旋转一周所需时间的一半
平均访问时间 = 平均寻道时间 + 平均潜伏时间
硬盘主要参数--寻道时间
磁场资料
– 磁头寻找资料所在轨道所需的时间
– 单位为毫秒 (千分之秒)
– 时间越短表示读写资料的速度越快
– 最大寻道时间：
读写磁头
从最内道到最外道或从最外道到最内道所需时间
– 最小寻道时间：
磁头从所在磁道移动到相邻磁道所需时间
磁头 传动部件
基座(Base Plate) 接口
硬件结构：玻璃盘片和铝合金盘片
玻璃盘片
优点
存储密度高,容量大 磁盘寿命长 抗冲击的可靠性高
缺点:
价格昂贵 要使用磁头加载/卸载技术
Glas s Medi a
铝合金盘片
优点
技术成熟 价格便宜
缺点
对冲击较为敏感 对温度较为敏感
MTBF倍数
Annualized Failure Rate (AFR)
MTBF值：数字游戏？ 举例：一个失效率是在“一年365天、一天24小时不间断”循 环工作条件下测出的，另一个是在“每天8小时不间断”循环 工作条件下测出的，两款产品的性能高低一下子就比较出来。
AFR，“按年计算的失效率” ，与MTBF不同的是，AFR能够 更合理地反映磁盘驱动器的失效率。
磁盘表面
读写磁头
磁场资料
主轴马达带动 磁盘旋转
读写磁头在磁盘 表面上方飞行
磁记录原理
线圈(Coil)
磁芯(Core)
SN
磁性材料层 (Magnetic Film)
金属性粒子呈 不规则状排列
盘
已磁化的金属性粒子
片
未磁化的金属性粒子
磁记录原理
线圈(Coil)
磁性材料层 (Magnetic Film)