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1、信息存储与管理第二章第二章数据中心环境主机、连接、存储设备块级别和文件级别访问存储介质和设备磁盘部件逻辑块寻址2数据中心环境的组成 数据中心环境由主机、存储、连接、应用和数据库管理系统五部分组成。物理部件：总线、接口、电缆、光纤等逻辑部件（协议）：PCI、 IDE/ATA、 SCSI 连接存储设备内存外存RAM:Ramdom Access Memory随机存取存储器ROM:Read Only Memory只读存储器硬盘、软盘、磁带（磁性介质）CD-ROMDVD-ROM（光学介质）32.1 应用 应用指的是一个提供计算操作逻辑的计算机程序。 应用向底层操作系统发起请求，对存储系统进行读写操作。数
2、据中心环境应用：l业务应用l基础设备管理应用l数据保护应用l安全应用42.2 数据库管理系统（DBMS） 数据库是一种结构化存储数据的方式。 数据库管理系统控制数据库的创建、维护、使用。 数据库管理系统处理：l应用对数据的操作请求l对操作系统发出指令l对存储设备中的相应数据进行读写52.3 主机运行应用程序的计算机被称作“主机”或“计算系统”。主机由：CPU、内存、I/O设备、软件 组成。CPU包括：l算术逻辑单元l控制单元l寄存器l一级缓存主机上的内存有两种：lRAM:Ramdom Access Memory随机存取存储器lROM:Read Only Memory只读存储器62.3.1 操作
3、系统在传统的计算环境中，操作系统控制着计算的所有方面：l负责应用和计算物理部件之间的协作l提供访问数据的应用l负责监测用户行为和环境l负责管理硬件资源的分配l执行基本的存储管理任务在虚拟计算环境中，虚拟层处于操作系统和硬件资源之间：l操作系统只进行与应用交互相关的活动72.3.1 内存的虚拟化内存决定了一个主机可以运行的应用的大小和数量。内存的虚拟化允许多个应用和进程，在其内存需求之和大于可用内存的情况下，依然可以运行且互不影响。82.3.2 设备驱动设备驱动用于实现操作系统与某种设备的交互。设备驱动让操作系统识别、访问和控制设备。92.3.3 卷管理器l硬盘驱动器：一组连续的物理块l逻辑卷管
4、理器（LVM）：管理 逻辑和物理存储设备的软件l磁盘分区：硬 盘驱动器被划分为几个逻辑卷102.3.4 文件系统文件是有关联关系的记录中数据的集合。文件系统是大量文件的分层组织结构。文件系统的作用：l使得数据文件的访问变得更加容易；l负责控制对文件的存取；l对文件进行创建修改删除和访问操作；112.3.5 计算虚拟化l计算虚拟化是从操作系统中屏蔽或抽象物理硬件的技术l计算虚拟化使得在一台物理机器或者机器集群上可以同时运行多个操作系统。l虚拟机是一个逻辑实体，但在操作系统看来，它却是一个有自己 CPU、内存、网络控制器和磁盘的物理主机。122.4 连接连接指的是各个主机之间或者主机同其他外围设备
5、之间的互连。主机和存储设备之间的连接和通信通过物理部件和接口协议实现。连接主机和存储的硬件：主机接口设备、端口、线缆。132.4.2 接口协议n常用的存储设备接口ppIDE:IntegratedDriveElectronicsIDE:IntegratedDriveElectronics，电子集成驱动器，电子集成驱动器，电子集成驱动器，电子集成驱动器ppSCSI:SmallComputerSystemInterfaceSCSI:SmallComputerSystemInterface，小型计算机系统接口，小型计算机系统接口，小型计算机系统接口，小型计算机系统接口ppFC:FiberChannel
6、FC:FiberChannel光线通道光线通道光线通道光线通道上一讲中，有介绍硬盘的接口 IDE/ATA SATA SAS SCSI FCIDE/ATA、SATA、SAS、SCSI、FC都是主机与存储设备通信的预定义协议，它们都集成在硬盘驱动器的控制器上。142.4 连接 集成电路设备/高级技术(Integrated Device Electronic/Adwanced Technology Attachment,IDE/ATA)磁盘支持IDE协议。IDE协议定义了连接到主板上控制器的规范。ATA协议规定了存储设备到主板的连接接口。IDE/ATA拥有多种标准和命名，如ATA、ATA/ATAPI
7、、EIDE、ATA-2、Fast ATA、ATA-3、UltraATA以及Ulrea DMA等，最新的支持133MB/s的吞吐率。IDE/ATA磁盘性能良好且价格低廉，成为很受欢迎并被广泛使用的硬盘。15SATA(Serial ATA)是IDE/ATA规范的一个串行版本，目的是取代ATA技术。SATA很大的特点就是它支持热插拔。SATA提供点对点，距离可达1米的连接，数据传输率可达150MB/s，增强的甚至可达600MB/s。SATA162.4 连接SCSISCSI接口技术接口技术 SCSISCSI（SmallComputerSystemInterfaceSmallComputerSystem
8、Interface），小型计算机系统接口；），小型计算机系统接口；），小型计算机系统接口；），小型计算机系统接口； 并行并行并行并行SCSISCSI使得使得使得使得I/OI/O总线不再是系统的瓶颈，可以使系统具有更高的输入总线不再是系统的瓶颈，可以使系统具有更高的输入总线不再是系统的瓶颈，可以使系统具有更高的输入总线不再是系统的瓶颈，可以使系统具有更高的输入/ /输出性能；输出性能；输出性能；输出性能； SCSISCSI提供的高质量信号支持可靠、持续的数据传输速率；提供的高质量信号支持可靠、持续的数据传输速率；提供的高质量信号支持可靠、持续的数据传输速率；提供的高质量信号支持可靠、持续的数据传
9、输速率； SCSISCSI比比比比IDEIDE速度快，因为速度快，因为速度快，因为速度快，因为SCSISCSI接口卡中自带接口卡中自带接口卡中自带接口卡中自带CPUCPU； SCSISCSI支持热插拔；支持热插拔；支持热插拔；支持热插拔； SCSISCSI支持多硬盘。支持多硬盘。支持多硬盘。支持多硬盘。172.4 连接n n硬盘接口技术硬盘接口技术光纤通道光纤通道( (FibreChannelFibreChannel):):pp和和和和SCSISCSI接口一样光纤通道最初也不是为硬盘设计开发的接口技术，接口一样光纤通道最初也不是为硬盘设计开发的接口技术，接口一样光纤通道最初也不是为硬盘设计开发
10、的接口技术，接口一样光纤通道最初也不是为硬盘设计开发的接口技术，是专门为网络系统设计的，但随着存储系统对速度的需求，才逐渐是专门为网络系统设计的，但随着存储系统对速度的需求，才逐渐是专门为网络系统设计的，但随着存储系统对速度的需求，才逐渐是专门为网络系统设计的，但随着存储系统对速度的需求，才逐渐应用到硬盘系统中。光纤通道硬盘是为提高多硬盘存储系统的速度应用到硬盘系统中。光纤通道硬盘是为提高多硬盘存储系统的速度应用到硬盘系统中。光纤通道硬盘是为提高多硬盘存储系统的速度应用到硬盘系统中。光纤通道硬盘是为提高多硬盘存储系统的速度和灵活性才开发的，它的出现大大提高了多硬盘系统的通信速度。和灵活性才开发
11、的，它的出现大大提高了多硬盘系统的通信速度。和灵活性才开发的，它的出现大大提高了多硬盘系统的通信速度。和灵活性才开发的，它的出现大大提高了多硬盘系统的通信速度。光纤通道的主要特性有：热插拔性、高速带宽、远程连接、连接设光纤通道的主要特性有：热插拔性、高速带宽、远程连接、连接设光纤通道的主要特性有：热插拔性、高速带宽、远程连接、连接设光纤通道的主要特性有：热插拔性、高速带宽、远程连接、连接设备数量大等。备数量大等。备数量大等。备数量大等。pp 光纤通道是为在像服务器这样的多硬盘系统环境而设计，能满足高光纤通道是为在像服务器这样的多硬盘系统环境而设计，能满足高光纤通道是为在像服务器这样的多硬盘系统
12、环境而设计，能满足高光纤通道是为在像服务器这样的多硬盘系统环境而设计，能满足高端工作站、服务器、海量存储子网络、外设间通过集线器、交换机端工作站、服务器、海量存储子网络、外设间通过集线器、交换机端工作站、服务器、海量存储子网络、外设间通过集线器、交换机端工作站、服务器、海量存储子网络、外设间通过集线器、交换机和点对点连接进行双向、串行数据通讯等系统对高数据传输率的要和点对点连接进行双向、串行数据通讯等系统对高数据传输率的要和点对点连接进行双向、串行数据通讯等系统对高数据传输率的要和点对点连接进行双向、串行数据通讯等系统对高数据传输率的要求。求。求。求。18物理磁盘的结构磁盘以N级、S级表示0、
13、1不同于数据流以高低电平表示0、1磁头悬浮19物理磁盘的结构磁道：一组同心圆环， 一个盘面可容 纳几千个磁道。扇区：存储系统中可单 独被寻址的最小 单位， 容量为512k。20磁盘定位CHS编号：早期的磁盘利用物理地址，包含了柱面（Cylinder）、磁头（Head）、扇区（Secor）的编号，在磁盘上进行定位。以扇区为寻址单位LBA（逻辑块寻址）：使用线性地址访问逻辑块的数据，简化寻址过程。逻辑块：将几个扇区组合成整体并编号作用操作系统掌握LBA，磁盘控制器负责将LBA转化为CHS21磁盘驱动器的性能磁盘服务时间寻道时间 +旋转延迟 +数据传输速率22寻道时间 读写头在盘面上移动（沿着盘面半
14、径方向）进行定位的时间，也就是移动驱动臂将读写头移动到正确的磁道上所需要的时间。平均寻道时间为315ms23旋转延迟盘片旋转，定位读写头下方的数据（扇区）所消耗的时间转速5400r/min的磁盘，平均旋转延迟约5.5ms转速15000r/min的磁盘。平均旋转延迟约2.0ms24数据传输速率Data Transfer Rate，指每个单位时间内磁盘能够传输到主机总线适配器（HBA）的平均数据量数据传输要计算数据传输速率，首先要明白读写操作的过程：25Page 262.8 主机对数据的访问IDE/ATA和SCSI广泛应用于小型和个人计算环境下对内部存储的访问。光纤通道和iSCSI协议则用于访问外
15、部存储设备上的数据。直连存储（DAS）：外部存储设备直连到主机上的形式。26通过网络访问数据的方式：块级别访问（Block-level Access）是磁盘访问的基本机制。数据通过指定逻辑块地址进行磁盘存储和数据查询。文件级别的访问（ Access）是块级别访问的一个抽象。通过指定文件名和路径来访问数据。它通过底层进行块级别访问，对上则为应用程序屏蔽了逻辑块编址（LBA）的复杂性。对象级别访问（Object-level Access）是数据访问向智能化发展迈出的第一步。这里的对象是访问和存储数据的基本单位。数据通过分类的方式来组织和管理，并通过唯一的对象标识符加以区别272.9 直连存储定义：
16、直连存储(Direct-Attached Storage,DAS)是一种存储器直接连接到服务器的架构。主机内部的磁盘，磁带库和直接连接的外部磁盘组，都是DAS的实例。DAS架构仍是少量服务器访问和共享本地数据的理想方案，DAS适合小型企业、部门、个人，也可以作为中型企业的文件服务器和邮件服务器，以及大型企业SAN和NAS的辅助。分类：1，内部DAS：存储设备通过串行或并行总线连接到主机。 2，外部DAS：服务器直接连接到外部存储设备，之间采用SCSI或FC协议进行通信。 28直连存储DAS的优缺点DAS的优点：相对其他存储架构，只需较低的前期投资简单快捷的部署，基于主机操作系统便可安装管理设置操作的软硬件少，管理任务少DAS的缺点：不易扩展。有限的端口和带宽限制了存储设备数量和I/O处理能力。无法优化资源使用。未被使用的资源不能方便的重新分配，导致过载或欠载的孤立存储池。对服务器的依赖性比较强，对其性能要求也比较高。29Page 302.12 闪存盘简介企业级闪存盘EFD：NAND闪存技术基于单级单元的闪存写入平衡技术30
