存储资源讲义

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1、存储资源,郝卫东,目标,数据存储结构 数据存储设备 数据存储接口,背景,Internet的出现，尤其是全球电子商务时代的来临，正在使数据存储技术发生着巨大的变化。这种变化主要表现在三个方面： 首先是存储容量的急剧膨胀。从数百GB，到数百TB，甚至到数百PB的数据大量产生和累积。 其次是数据在线时间的延展。今天，电子商务、电子政务等许多重要的业务需要使网络数据必须保证每天24小时、每周7天、每年365天处于在线状态。 最后，数据存储的地域空间不受约束。在Internet和全球化电子商务的时代，数据应该是面向全世界的，数据的存取只应该受到安全机制的管理，而不应该受到地域空间的约束。,存储结构（1）

2、,根据用户的不同需要，目前能提供多种可选的数据存储解决方案，其中包括： 存储区域网络(SAN):针对那些要求优化交易处理性能的业务和技术应用； 网络附加存储(NAS):针对专用文件共享和协作 直接连接存储DAS :最简单也是最早发展起来的存储方式,存储结构（2）,DAS （Direct Attached Storage直接连接存储） DAS是指将存储设备通过SCSI（小型计算机系统接口）等接口直接连接到计算机上 DAS是连接大容量存储设备到服务器和LAN的最常用的方法。在该连接方式中，一组磁盘直接附加到服务器,存储结构（3）,DAS （Direct Attached Storage直接连接存储

3、） 优点：实现简单，低成本，实时性强。 缺点：不易扩充。 适用范围： 中小型企业或分支机构的存储系统。 对大型企业所需的大量数据存储需求而言，其优点将完全丧失，带来总体拥有成本（TCO）高，管理复杂，不便扩展等问题,存储结构（4）,DAS （Direct Attached Storage直接连接存储） 典型部署方式如下图,存储结构（5）,NAS（Network Attached Storage网络连接存储） NAS即将存储设备通过标准的网络拓扑结构(例如以太网)，连接到一群计算机上。 在NAS方式下，存储设备直接连接到LAN，存储数据流在LAN上流动，它使用成熟的TCP/IP技术，可以实现几百

4、公里甚至更远距离的数据存储。 对NAS的投资仅限于一台NAS设备。NAS设备本质上是经过优化设计的专用文件服务器,存储结构（6）,NAS（Network Attached Storage网络连接存储） 优点： 部署非常简单，低成本，与TCP/IP网络集成 可实现不同操作系统的文件级共享。 缺点： 备份过程中的带宽消耗大 难以在应用层上进行扩展 安全性较差。 适用范围： NAS是部门级的存储方法，它的重点在于帮助工作组和部门级机构解决迅速增加存储容量的需求。,存储结构（7）,NAS（Network Attached Storage网络连接存储） NAS的部署非常简单，只须与传统的IP交换机连接即

5、可。NAS设备的物理位置可以放置在LAN中的任何地方。,存储结构（8）,SAN(Storage Area Network-存储区域网络) SAN是连接发起者（initiators，如主机设备、服务器等）到目的地（target，如各种存储设备）的专用网络，并在不加重企业LAN的负担的情况下传输存储数据流 SAN一般通过光纤通道而不是通过标准的TCP/IP网络拓扑连接到一群计算机上。 SAN的结构提供了多主机连接，因此允许任何服务器连接到任何存储阵列，这样不管数据置放在那里，服务器都可直接存取所需的数据。 SAN可以实现几百公里甚至更远距离的数据存储,存储结构（9）,SAN(Storage Are

6、a Network-存储区域网络) 优点：实时性强，高可靠性，高可用性和高可扩展性，可以通过划分分区（LUN）实现多操作系统数据共享。 缺点：实现较复杂，高成本，不能实现不同操作系统的文件级共享。 适用范围：企业级的存储系统。对大型企业和数据中心所需的大量数据存储需求而言，其优点将充分展示，性能价格比也将提高,存储结构（10）,SAN(Storage Area Network-存储区域网络) 高性能的光纤通道交换机（FC Switch）和光纤通道网络协议是SAN的关键。,存储结构（11）,SAN(Storage Area Network-存储区域网络) 通常，一个SAN系统主要由以下几部分组成

7、 FC卡（又称主机总线适配器，即Host Bus Adapter） 光纤通道交换机（FC Switch，也可能是光纤通道集线器） 存储系统（如磁盘阵列系统和磁带库系统） 存储管理软件,存储结构（12）,SAN(Storage Area Network-存储区域网络) 与NAS不同的是，在SAN中，发起者和目的地之间有专用的数据链路，而不是与传统数据流共享网络带宽，这提高了用户访问存储数据及相关业务的效率。 SAN解决方案是从基本的网络功能中剥离出存储功能，所以运行备份操作就无需考虑它们对网络总体性能的影响,存储结构（13）,NAS区别于SAN的显著特点 即NAS设备支持多计算机平台下的“文件级

8、共享”。 不同操作系统下的用户可以通过统一的网络支持协议（如网络文件系统NFS和CIFS）进入相同的文档，这避免了同样内容的用户文档需要存储成不同的文件格式以便供不同的操作系统访问的问题，以沟通WINDOWS 和UNIX等不同的操作系统。 NAS的这一特点是目前存储区域网SAN尚不具备的功能。 SAN只能支持不同操作系统的用户访问同一磁盘阵列中的不同数据分区，而不能实现多操作系统对同一文件的读写,存储结构（14）,从性能上看，由于存储数据流与应用数据流使用同一IP网络，NAS会增加网络拥塞，反过来，NAS性能也严重受制于网络传输数据能力。 比如， NAS进行备份过程中有带宽消耗问题。 与将备份

9、数据流从LAN中转移出去的存储区域网（SAN）不同，NAS仍使用网络进行备份和恢复。 NAS相当于将备份事务由并行SCSI连接转移到了网络上。 对NAS而言，LAN除了必须处理正常的最终用户的业务传输流外，还必须处理包括备份操作的存储磁盘请求。,存储设备（1）,在网络系统存储备份设备中，应用最广泛的存储设备是： 磁盘阵列 磁带库 光盘塔或光盘库,存储设备（2）,磁带库是网络存储备份设备的元老。 磁带库因磁带可以不断更换，存储备份容量仅取决于所换磁带的多少，这就是说磁带库的存储容量是无限的。 另外，磁带还可以作为一种半永久可更换的存储备份介质，在异地存储中可以选择更加安全可靠的保存环境。因而在大

10、中型数据库系统中应用十分广泛。 总之，磁带库是一种安全、可靠、易用和成本低廉的网络存储备份设备,存储设备（3）,磁盘阵列的最大特点是数据存取速度特别快 其主要功能是可提高网络数据的可用性及存储容量，并可将数据有选择性地分布在多个磁盘上，从而提高系统的数据吞吐率。 另外，磁盘阵列还能够免除单块硬盘故障所带来的灾难后果 通过把多个较小容量的硬盘连在智能控制器上，可增加存储容量。 显然，磁盘阵列是一种高效、快速、易用的网络存储备份设备,存储设备（4）,光盘塔和光盘库不仅容量大、速度高、价格低，而且信息容量可以随着承载信息的光盘数量的增加而增加。 由于光盘基本上是只读媒介，一方面它是一种永久信息备份载

11、体，另一方面它又限制了用户对光盘塔和光盘库中过时信息数据的修改与补充。,存储设备（5）,应用环境 磁带库更多的是用于网络系统中的海量数据的定期备份 磁盘阵列则主要用于网络系统中的海量数据的即时存取 光盘塔或光盘库主要用于网络系统中的海量数据的访问,存储设备（6）,磁盘阵列 是指将多个类型、容量、接口，甚至品牌一致的专用硬磁盘或普通硬磁盘连成一个阵列，使其能以某种快速、准确和安全的方式来读写磁盘数据，从而提高数据读取速度和安全性。 磁盘阵列读写方式的基本要求是: 在尽可能提高磁盘数据读写速度的前提下，必须确保在一张或多张磁盘失效时，阵列能够有效地防止数据丢失。,存储设备（7）,磁盘阵列硬件组成

12、由多个硬磁盘组成的磁盘组 存储控制器 存储控制器的作用完全可以使得整个磁盘组就象一片磁碟那样成为读写速度快、存储容量大、性能稳定可靠的虚拟磁盘。 目前存储控制器的发展趋势是提供智能存储功能和大容量缓冲区（Cache），并在存储控制器中运行磁盘镜像软件、磁盘快照软件、磁盘通道管理软件等。 接口控制器 在主机和磁盘组之间提供的接口控制器可为主机提供无缝透明的磁盘操作功能,存储设备（8）,从实现方法而言，磁盘阵列是通过RAID技术实现的。 RAID（Redundant Array of Inexpensive Disks，廉价磁盘冗余阵列）是通过多个磁盘与数据条带化方法相结合, 以提高数据可用率的一

13、种结构。 RAID的基本思想是将多只小的、廉价的驱动器进行有机的组合，使其性能提高，存储容量增加。 另外，对计算机而言，该磁盘阵列等效为一只逻辑存储器或驱动器。 基本的磁盘阵列可分为RAID级别1到RAID级别6, 通常称为: RAID 0, RAID 1, RAID 2, RAID 3,RAID 4, RAID 5,RAID6.每一个RAID级别都有自己的优点和缺点。,存储设备（9）,RAID0、RAID1和RAID5是常用到的，现给出它们的工作示意图。 图中“磁盘阵列控制器”和“DISK16”之间的“箭头”可以理解为硬盘接口，常见的有“IDE,SCSI或FC”接口； “数据”和“磁盘阵列控

14、制器”之间的“箭头”可以 理解为磁盘阵列柜的接口，一般为“SCSI或FC”接口。,存储设备（10）,RAID 0: 又称数据条带化。RAID 0 并不是真正的RAID结构, 没有数据冗余。 RAID 0 采用条带化技术使多个磁盘形成一个大容量的逻辑盘，连续地分布数据到多个磁盘上，这样，磁盘阵列控制器不象以前那样一次只读写一个硬盘，而可以同时并行地读/写多个磁盘上. 因此具有很高的数据传输率。 但RAID 0在提高性能的同时,并没有提供数据可靠性,如果一个磁盘失效, 将影响整个数据. RAID 0 适用于需要高性能的应用，而不适用于需要数据高可用性的关键应用。,存储设备（11）,RAID 1:

15、又称数据镜像。RAID 1实现数据的完全冗余, 在一对分离的磁盘上产生互为备份的数据。 RAID 1可以提高读的性能, 当原始数据繁忙时, 可直接从镜像拷贝中读取数据. RAID 1是磁盘阵列中费用最高的, 但提供了最高的数据可用性. 当一个磁盘失效, 系统可以自动地交换到镜像磁盘上, 而不需要重组失效的数据。 形成RAID 1至少需要2块硬盘。图中DISK 2-6中存储的内容与DISK1的完全一样；可以看作DISK1的备份。实际应用中DISK3-6不是必须的。,存储设备（12）,RAID 3: RAID 3使用单块磁盘存放奇偶校验信息，称为奇偶盘。 如果一块磁盘失效, 奇偶盘及其他数据盘可以

16、重新产生数据. 如果奇偶盘失效,则不影响数据使用. RAID 3对于大量的连续数据可提供很好的传输率, 但对于随机数据, 奇偶盘会成为写操作的瓶颈 。,存储设备（13）,RAID 5: RAID 5没有单独指定的奇偶盘, 而是交叉地存取数据及奇偶校验信息于所有磁盘上. 在RAID5 上, 读/写指针可同时对阵列设备进行操作, 提供了更高的数据流量. RAID 5更适合于小数据块, 随机读写的数据. 形成RAID 5至少需要3块硬盘。,存储设备（14）,存储设备（15）,总的来说，RAID有如下的特点： 1、功耗小，传输速率高。在RAID中，可以让很多磁盘驱动器同时传输数据，而这些磁盘驱动器在逻辑上又是一个磁盘驱动器，所以使用RAID可以达到单个的磁盘驱动器若干倍的速率。 2、可以提供容错功能，提高了可靠度，当然这是以冗余为代价的。这是RAID获得广泛应用的重要原因之一。 3、RAID是获得大容量存储器的价廉物美、简单易行的好方法。这是RAID获得广泛应用的又一重要原因。 4、通常RAID由硬盘阵列柜实现，其价格往往是较贵的。,