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1、数据存储及解决方案,华中科技大学信息存储系统 武汉 430074,三种基本的信息操作,处理 传输 存储,基本定义,处理：对信息进行变化和加工 传输：信息跨越空间的传播 存储：信息跨越时间的传播 存储是信息技术的三大基石之一 （被我国忽略的领域）,数字信息学的,科学基础 （力学：牛顿定律) (电学：麦克斯韦方程） (数字信息学：？）,最基本的理论：图灵机,希尔伯特问： 存不存在一个解决所有数学问题的一般算法？ 图灵答道：有！ 图灵理论的俗解： 如果不考虑时间，只要按某种规律对bit进行处理、传输、存储三种简单操作，就能在理论上解决任何数学计算问题！ 图灵机模型主要是针对计算的，但存储和通讯隐含在
2、其中 这个理论指明了bit的强大功能，也包含了计算机的设计思想,第二层的理论：信息论关于信息时空传播的理论,在通讯和存储两个领域工作过的人都会发现，他们涉及的问题竟然如此类似 通讯的编码理论完全可以用于存储 通讯：信源编码，信道编码 存储：纠错编码，调制编码， 磁盘阵列的容错原理 加密理论、信息的压缩原理对通讯和存储是一样的 本质的道理：通讯和存储都是信息的传播，差别在于：一个跨越空间，一个跨越时间 原来信息论适用于信息的传播！在空间和时间上，他们遵从一样的原理！,三位一体的数字信息学理论,图灵机主要是针对计算的，但隐含了通讯和存储 信息论主要是针对通讯和存储的，但隐含了计算 处理、传输、存储
3、在理论上是三位一体的，缺一不可 上述理论解决了数字信息学的全部？NO!,硬件发展的6个规律,1 Moore定律：微处理器内晶体管数每十八个月翻一番； 2 Bell定律：如果保持计算能力不变，微处理器的价格每十八个月减少一半； 3 Gilder定律：未来25年（1996年与预言）里，主干网的带宽将每6个月增加一倍； 4 Metcalfe定律：网络价值同网络用户数的平方成正比。 5.半导体存储器发展规律：DRAM的密度每年增加60%，每三年翻四倍。 6。硬盘存储技术发展规律：硬盘的密度每年增加约一倍,后PC时代的计算-普适计算Pervasive Computing,后PC时代 计算机发展的特点：
4、1. 无所不在的含有 智能的小装置； 2. 支持服务的后台 服务器和巨型计算机,对应于后PC时代两极分化的存储,移动存储：Flash, 微硬盘，微光盘 企业级海量存储,数据存储的基本问题,当一切信息都转换为数字， 问题就产生了,典型的存储容量需求挑战,从现在起的18个月内,新的存储量等于有史以来老的存储量之和! 1998年图灵奖获得者Jim Gray,容量问题和新摩尔定理,从现在起，每18个月,新增的存储量等于有史以来存储量之和! 1998年图灵奖获得者Jim Gray,70s80s90s00s10s,数据信息爆炸式增长,存储的前沿,半导体存储：RAM, ROM, FLASH 的高速发展 目前
5、硬盘存储： 100GB 2万转/分 实验室水平： 一道一G,第一爆发点：单机多媒体 第二爆发点：Internet 第三爆发点:宽带(目前） 第四爆发点： 空间影像和虚拟现实普遍应用,空间影像,另一种模式：不断的增长,即使处理、传输能力固定不变，随着数据不断产生，存储能力也需要动态单调地增加。（水泵、水管、水桶的比喻） 处理和传输速度越高，容量的增加的梯度就越高，这就是存储系统的不断扩展特性。 结论： 无限的容量需求和动态扩展需求,容量问题的解决途径,1. 减小bit位元尺度，提高密度 采用各种物理原理和现象减小位元 磁（翻转尺寸）、光(光点大小）、电（线宽）、生物、量子 密度：道密度、面密度、
6、体密度 2. 建立存储系统，用“砖头”构造“大厦”,单个硬盘的技术进展的进展,硬盘是最重要的大容量存储设备，50年代由IBM发明以来密度增加了1，000，000倍，到目前为止，还没有找到能与之竞争的对手 最近的密度超过100Gb/in2，主要技术：超低飞行磁头10nm，加钌超稳定介质，PRML读通道，光磁混合纪录，垂直磁记录,硬盘的进展-密、快、小、廉,硬盘的分类,1.用于服务器的硬盘：高容量、高速度 2.用于桌上机的硬盘：主流容量、速度、低价格 3.用于笔记本电脑的硬盘：小体积、低功耗 4.用于手持式设备的硬盘： 微硬盘Microdrive,四类硬盘的规格指标,不同尺寸的硬盘,密度的进展,密
7、度与技术,IBM微硬盘 Microdrive,应用领域 移动计算 数码相机、数码摄像机,磁头的进展,可换式存储,软盘：1.44MB 顽强的生命力 高密度软盘：Zip 100/200MB(IOMAG) LS-120(兼容1.44) HiFD-200(兼容1.44) 磁光盘（MO）：1.3GB/650MB/230MB CD-R/W, DVD-RW, DVD-RAM 只读光盘：CD-ROM，DVD-ROM,闪存（Flash memory)移动存储的新星,各种规格 SmartMedia CompactFlash Memory Stick(SONY) PCMCIA接口 USB接口-Easedisk、 N
8、etech,光存储的进展,目前：CD-ROM, DVD-ROM, DVD机 DVD-RW(DVR) 最近要产品化的技术：向高密度进军 蓝光DVD, HD-DVD 多层多阶光存储 近场光存储 全息光存储,存储的前沿,半导体存储：RAM, ROM, FLASH 的高速发展 目前硬盘存储： 100GB 2万转/分 实验室水平： 一道一G,存储系统用“砖头”构建的大厦,正如无论多快的单处理器无法满足超级计算的要求一样，无论多大的单个硬盘也无法满足网络存储和企业存储的需要,存储系统的技术发展思路（处理与存储的对比）,单处理器-多处理器-多计算机-网格 硬盘- 阵列-存储网-数据网格 由软件和硬件共同实现
9、,磁盘阵列 （多个硬盘）,容量、速度、可用性,Storage Area Networks（SAN）存域网结构图,系统结构必须和软件相配合,存储虚拟化软件（单一逻辑映像） 存储资源管理软件（容量、级别，性能） 存储备份、数据迁移软件,可靠性和可用性问题 当关键信息转换为数据时，数据成为最宝贵的财富,对很多领域，数据是比硬件设备宝贵得多的资源: 银行、电信、保险、电子商务、网站、企业信息,数据物理安全 ：存储最重要,处理部件、传输部件损坏： 损失有限， 更换可恢复 存储部件损坏： 数据丢失！巨大的损失！ 两个亲身经历的例子： 同济医院信息系统，广东石龙医院火灾 建筑行业一定有安全系数，80%的信息
10、系统没有安全系数！,三种级别的可用性,1. 数据不丢失（最起码的要求） 2.系统不停机（724服务的保障） 3.性能不下降（优质服务的保障） 解决可用性问题的典型途径： 冗余 （双机，网络RAID) 备份 （磁带、光盘、硬盘）,解决可用性的新思路,具有耗散结构的存储系统 借鉴生物系统原理：心脏之所以保证数十年的可用性，不是因为材料特别好，而是因为新陈代谢 UCB的ISTORE 华中科技大学的进化存储系统,性能问题： 瓶颈的转移 应用的转移,共享处理机,共享存储器里的数据 Make the common case fast!,网站的存储：几十万用户同时点击到一个站点去获得海量存储系统中的信息。
11、WWW: world wide web 变为world wide wait,解决性能问题的8条途径,1.Cache 技术，RAM-DISK, RAM-RAID RAID-TAPE(HSM) 2.高速I/O通道:SCSI(160-320), FC(1-2-4G) SATA(150-300), IP(1-10G) 3. 聚合带宽（并行技术）： 多主机-单存储，单主机-多存储 4. 改变工作方式：基于磁盘的系统，随机小写与连续大写性能差100倍，变小写为大写 5.提高协议效率：FC vs iSCSI 6.采用就近原则 7. PTP对等存储原理 8.第三方直接传输,解决性能问题的新思路,对现状的观察
12、（1）硬盘每年的容量和性能都在提高 （2）现有的RAID系统，换了一个硬盘之后整体性能没有提高 （3）越用性能越差,管理复杂性问题,异构的存储系统 规模越来越大 系统越来越难以管理，人为错误越来越多 管理成本越来越高，管理成本超过设备成本,管理复杂性的解决途径,原因：目前的存储设备都是被动的，对设备的管理都在上层进行，面对异构的多种存储设备和异构的互联网络，管理软件都要适应，造成复杂性日益增加 解决途径：基于对象的存储系统，主动存储 CMU提出OBD, SNIA提出标准 存储对象：包括数据和对数据的操作 管理下移，使存储设备包含更多的智能 标准的对外接口和描述 管理大为简化,数据生命周期问题,
13、一切都存下来，不是一个好的办法 无限扩大容量，成本无谓增加 管理和保存无用的数据，是巨大的浪费 无用信息干扰当前信息存取的性能 解决途径：向大脑学习遗忘机制 重要的信息深层记忆，不重要的浅层记忆，无用的信息忘掉,结论,处理、传输、存储是信息技术的三大基石 存储是信息跨越时间的传播 只要对数字进行操作，就能解决一切信息问题 信息论是信息时空传播的共同理论基础 硬件是数字操作机（只有三种简单操作：处理、存储、传输） 软件是思想和内容的数字化 存储系统的基本问题有容量、可用性、性能、管理复杂性、数据生命周期等，它们都有各自的解决途径,结束语,PC热-网络热-存储热，国际IT业的第三次热潮和淘金机会 IT设施的投资花在存储系统上 我国的海量存储系统几乎全部进口 十年前的通讯市场和目前的存储市场十分相似 谁是存储领域的联想、华为？ 我国的标志性成果： 10万亿次超级计算机，万兆路由和交换， 存储没有等量级的标志性成果,
