存储基础知识RAID和磁盘技术教育课件.ppt

Click To Edit Master Title Style,存储基础知识RAID和磁盘技术PPT讲座,RAID,技术,RAID,基本概念,定义,RAID,（,Redundant Array of Independent Disks,）即,独立磁盘冗余阵列,，,RAID,技术将多个单独的物理硬盘以不同的方式组合成一个逻辑硬盘，从而达到提升存储容量、读写性能和数据安全性的目的。根据不同的组合方式可以分为不同的,RAID,级别,RAID 0,数据条带化，无校验,RAID 1,数据镜像，无校验,RAID 2,海明码错误校验及校正（不常用）,RAID 3,数据条带化读写，校验信息存放于专用盘（不常用）,RAID 4,单次写数据采用单个硬盘，专用盘存放校验数据（不常用）,RAID 5,数据条带化，校验信息分布式存放,RAID 6,数据条带化，分布式校验并提供两级冗余,可靠性,未使用,RAID,一旦硬盘损坏，资料将丢失,!,作业将停顿,!,资料仍然存在,!,使用,RAID,RAID,出现原因 一,提高容量,未使用,RAID,使用,RAID,硬盘容量,单块硬盘,容量,硬盘容量,=,单块硬盘容量,x N,RAID,出现原因 二,一旦硬盘损坏，资料将丢失,!,作业将停顿,!,提升速度,未使用,RAID,使用,RAID,I/O 1,I/O 2,I/O 1,I/O 2,(Disk 1),(Disk 2),节省时间,速度,N x,单块硬盘的速度,Total request execution time,Software setup,Access Time,Data Transfer,Software Completion,RAID,出现原因 三,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,RAID,基本概念,条带,分条,条带,硬盘,0,硬盘,2,硬盘,1,硬盘,3,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。,RAID,基本概念,重建（,Rebuild,）,数据盘,A1,A0,P,A0,A1,P,XOR,故障,数据盘,校验盘,A2,A2,XOR,数据盘,更换,某块硬盘出现故障后，一旦将其更换为正常硬盘，,RAID,便会通过其他硬盘数据计算出坏盘上原有的数据，再将数据重建回新添硬盘上。,RAID,基本概念,物理卷和逻辑卷,RAID10,RAID5,RAID,由几块硬盘（物理卷）组成,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）,物理卷,物理卷,逻辑卷,逻辑卷,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,LUN1,LUN2,LUN3,RAID 0,条带存储,(Striping),原理,：又称数据分条，即把数据分成若干,相等大小的小块，并把它们写到阵列上不,同的硬盘上，这种技术又称“,Stripping”,（即将数据条带化），,RAID0,在读写时是以并行的方式对各硬盘同时进行操作。,优点,磁盘空间利用率最高,在所有的级别中，,RAID 0,的速度是最快的,缺点,无冗余功能，如果一个磁盘损坏，则所有的数据都无法使用,不适合关键业务,应用,媒体编辑,图像编辑,需要高带宽的应用,RAID 1,镜像,/,双工,优点,数据安全性相对其它,RAID,级，是最好的,缺点,磁盘利用率只有,50%,，是所有,RAID,上磁盘利用率最低的一个级别,原理,：即每个工作盘都有一个镜像盘，每次写数据时必须同时写入镜像盘，读数据时只从工作盘读出，一旦工作盘发生故障立即转入镜像盘，从镜像盘中读出数据。当更换故障盘后，数据可以重构，恢复工作盘正确数据,应用,财务,金融,需要高数据可用性的应用,RAID 3(,条带分布,+,专用盘校验,),原理,：使用至少三块硬盘配置，在其中的一块硬盘上存贮专用的校验数据，当某块硬盘出现故障时，其它硬盘可以通过校验数据将有故障的硬盘的数据重新恢复出来。,特点,：数据以位或字节的方式存于各盘（分散记录在组内相同扇区的各个硬盘上）,优点,高可用性,磁盘利用率较高,(N-1),并行,I/O,传输，顺序读性能较高,缺点,校验盘成为性能瓶颈,每次读写牵动整个组，每次只能完成一次,I/O,应用,流媒体服务器,图像编辑,视频编辑,RAID 5(,条带技术,+,分布式校验,),原理：,RAID5,将所有校验的数据分别存贮在所有的硬盘上,每一个硬盘的不同地方既存贮数据，也存贮校验数据。当某块硬盘出现故障时，其它硬盘可以通过校验数据将故障的硬盘的数据重新恢复出来。,优点,高,可用性,磁盘利用率较高,(N-1),没有固定的校验盘，奇偶校验信息均匀分布在阵列所属的所有磁盘中,随机读写性能高允许在同一组内并发,进行多个写操作,缺点,异或较验影响存储性能,应用,文件及应用服务器,数据库服务器,Web,E-mail,局域网服务器,RAID6,（,Double parity drive,）高级数据保护,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,磁盘,2,磁盘,3,磁盘,4,磁盘,5,条带,1,数据,1a,数据,1b,数据,1c,P1,Q1,条带,2,数据,2d,数据,2e,P2,Q2,数据,2f,条带,3,数据,3g,P3,Q3,数据,3h,数据,3i,条带,4,P4,Q4,数据,4j,数据,4k,数据,4l,条带,5,Q5,数据,5m,数据,5n,数据,5o,P5,RAID,级别比较,项目,RAID0,RAID1,RAID10,RAID5,、,RAID3,最小配置,1,2,4,3,性能,Highest,Lowest,RAID5RAID10RAID0,RAID1RAID5 RAID10,特点,无容错,最佳的容错,最佳的容错,提供容错,磁盘利用率,100%,50%,50%,(N-1)/N,描述,不带奇偶效验的条带集,磁盘镜像,RAID0,与,RAID1,的结合,带奇偶效验的条带集,其中,RAID3,与,RAID5,的区别为：,RAID3,更适合于顺序存取，,RAID5,更适合于随机存取。需要根据具体的应用情况决定使用那种,RAID,级别。,RAID,性能比较,RAID,级*,RAID-0,RAID-1,RAID-5,RAID-10,RAID-50,RAID-6,别名,条带,镜象,分布奇偶位条带,镜象阵列条带,分布奇偶阵列条带,分布奇偶条带,容错性,没有,有,有,有,有,有,冗余类型,没有,复制,奇偶位,复制,奇偶位,两种奇偶位,热备盘选项,没有,有,有,有,有,有,需要的磁盘数,一个或多个,只需,2,个,三个或更多,只需,4,个,不小于,6,的偶数（,6,，,8,，,10,，,12,，,14,，,16,）（,因为,RAID5,最少,3,个，再做镜像，就是,6,个,）,四个或更多,可用容量,N,N/2,N-1,N/2,N-2,N,2,DAS NAS SAN,存储体系架构介绍,Direct Attached Storage(DAS),直接外挂存储,服务器直接后挂存储设备，最经济的一种结构。,Network Attached Storage(NAS),网络连接存储,网络上直接挂接的存储设备，相当于一个网络文件共享服务器。,Storage Area Network(SAN),存储区域网络,应用光纤技术的,SAN,网络，传输介质为光纤，性能最高，目前使用较广,ISCSI(IP-SAN),iSCSI,-,利用,TCP/IP,协议连接存储设备,可以理解为,SCSI over IP,是将,SCSI,命令封装到,TCP/IP,数据包中,通过,IP,网络传输,SCSI,数据。,DAS-,直连存储,Client 2,Server AApplication A,Server BApplication B,Server CApplication C,Disks for Server A,Disks for Server B,Disks for Server C,Client 3,Client 1,Local Area,Network,SAN-,存储局域网络,Client 2,Client 3,Client 1,Server AApplication A,Server BApplication B,Server CApplication C,Disks for Server A,Disks for Server B,Disks for Server C,SAN,Local Area,Network,Disk Array,NAS-,网络附加存储,Disks for File System A,Disks for File System B,NAS Device AFile System A,NAS Device BFile System B,Internal/External connectivityto disks or arrays,Server AFile System A,Server BFile System B,Client 1,Client 2,Client 3,Local Area,Network,SAN,、,iSCSI,、,NAS,的特点,NAS,为解决,数据共享,问题和,优化文件（,File,）存储,而产生的存储技术,文件管理系统在存储设备端，是,文件服务,+IP,的一种技术,多应用于非结构化数据（文件）,SAN,为解决,DAS,的问题,而产生的存储技术,是,DAS+,网络,的一种技术,多应用于,OLTP,系统（如：,ERP,）,iSCSI,iSCSI,也叫,IP SAN,多应用于,PC,服务器平台、,Windows,（,SQL Server,、,Exchange,）、,Linux,、小型数据库,应用系统,NAS,SAN/iSCSI,操作系统,文件管理系统,RAID,控制,磁盘读写,应用系统,IO,调用模式,存储架构适用分类,SAN:,提供可用性、可管理性和扩展性,目标应用:,数据库/,ERP/OLTP,灾难恢复,数据仓储,NAS:,易于安装和管理，低价位,目标应用:,文件服务器集中/更换,PDM/CAD,文件共享,DAS:,只适用于小型商务,IP-SAN,与,FC-SAN,比较,IP-SAN,适用环境：异地间的数据交换及容灾，备份，非关键应用的集中存储。,FC-SAN,适用环境：关键应用的集中存储、备份及容灾。,优点,缺点,IP-SAN,部署成本低,共享网络（,IP,网络复用，提高网络利用率）,维护简便,适合远距离传输,传输效率低（正常,IP,网络利用率不足,50%,）,传输安全性低,传输延时无保障,一般占用大量主机资源,FC-SAN,传输效率高,传输安全性高,传输延时极小,占用主机资源少,技术成熟,应用范围最广的专业存储架构,部署成本较高,需要专属网络,DAS,优点,:,成本低，对于小型用户来说，易于维护,缺点,:,性能不高，系统停机多，资源无法共享，多系统环境下的管理成本增加,NAS,优点,:,方便，文件级的数据共享，集中化管理,缺点,:,需要贡献文件系统，安全性无法保障，性能一般，磁盘级数据无法共享集中，复杂系统的成本大，维护难，扩容受限,SAN,优点,:,集中化的管理，高性能，减少停机时间，安全保障高,缺点,:,成本昂贵、系统复杂。磁盘阵列的兼容性限制了设备选择空间及资源共享。,机械硬盘,机械式硬盘结构,主轴马达,(,Spindle Motor),磁头,基座(,Base Plate),磁头停放区,(,Parking Zone),盘片,(,Media),传动部件,接口,容量：,指硬盘能存储的数据量大小，以字节为基本单位,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 Minute),，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,机械式硬盘主要指标（一）,平均访问时间：,硬盘磁头找到目标数据所需的平均时间,平均寻道时间：磁头寻找目标数据所在磁道所需的平均时间,平均潜伏时间：当磁头移动到数据所在的磁道后，等待指定的数据扇区转动到磁头下方的时间,数据传输率：,内部数据传输率：数据从盘片表面传输到硬盘,的,缓存,的速率,外部数据传输率：数据从硬盘的缓存读出到外部总线的速率,机械式硬盘主要指标（二）,硬盘的读写速度同硬盘的转速成正比,更高的转速可缩短硬盘的实际读写时间,硬盘缓存的大小直接影响硬盘的整体性能,转速和缓存对硬盘性能的影响,硬盘接口类型,硬盘容量发展,容量,FC,硬盘,100GB,300GB,750GB,1000GB,146GB,300GB,SAS,硬盘,250GB,400GB,500GB,750GB,1000GB,SATA,硬盘,73GB,300GB,146GB,500GB,73GB,300GB,146GB,1998,2010,SCSI,硬盘,73GB,2000GB,2000GB,600GB,450GB,450GB,600GB,硬盘对比,FC,磁盘、,SAS,磁盘、企业级,SATA,磁盘的性能对比,硬盘类型,转速,MTBF,平均寻道时间,持续读写速率,应用特点,企业级,SATA,磁盘,7200 RPM,120,万小时,8.5ms,2530MB/,秒,大容量、小吞吐量，高性价比,SAS,磁盘,15000 RPM,160,万小时,3.5ms,80 MB/,秒,大容量、高可靠,FC,磁盘,15000 RPM,160,万小时,3.5ms,4055MB/,秒,高可靠、负荷能力高、企业级应用,ATA/IDE,接口硬盘简介,Power,连接器,主,/,从盘,跳线,40-,pin,连接器,ATA,（,Advanced Technology Attachment,）,硬盘是传统的桌面级硬盘，主要应用于个人,PC,机，也经常称为,IDE,硬盘,ATA,接口为并行,ATA,技术，下一代的产品是串行,ATA,（,SATA,）,最高速度,133M/S,，已达性能极性。,SATA,接口硬盘介绍,SATA,：串行,ATA(Serial AdvancedTechnologyAttachment),SATA,硬盘采用点对点连接方式，支持热插拔，即插即用,SATA,采用串行方式进行数据传输，第二代（,SATA,）,300MB/s,接口硬盘目前仍是主流，,SATAD,目前已经商用，速率为,600MB/s,SCSI,接口硬盘介绍,SCSI(Small Computer System Interface),小型计算机系统接口,SCSI,硬盘并发处理性能优异，常应用于企业级存储领域,SCSI,硬盘采用并行接口，接口速率目前发展到,320MB/s,，基本已经达到极限，已被其串行版本,SAS,硬盘完全替代,80-pin,公接头,SAS,接口硬盘介绍,SAS(Serial Attached SCSI),串行,SCSI,接口,SAS,是一种点对点、全双工、双端口的接口,SAS,专为满足高性能企业需求而设计，并且兼容,SATA,硬盘，为企业用户带来前所未有的灵活性,接口速率为,300MB/S,，,600MB/S,（,SAS,）,FC,接口硬盘介绍,FC-AL(,fibre,channel arbitrated loop),是一种双端口的串行存储接口,FC-AL,利用类似,SATA/SAS,所用的,4,芯连接，提供一种单环拓扑结构，一个控制器能访问,126,个硬盘,4Gb/S,的硬盘接口速率,Services,固态硬盘,Solid State Disk,固态硬盘的定义,固态硬盘，是由,控制单元,和,固态存储单元,（,DRAM,或,FLASH,芯片）组成的硬盘,简单的说就是用固态电子存储芯片通过阵列的形式而够成的硬盘。其,内部存储单元利用固态电子存储芯片阵列取代了传统,HDD,硬盘的磁碟组,。固态硬盘的接口规范定义、功能及使用方法均与普通硬盘完全相同,在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致,包括,3.5,英寸、,2.5,英寸、,1.8,英寸多种类型。,SSD,基于,DRAM,基于,FLASH,MLC,Multi-Level Cell,多层单,元,NAND,NOR,SLC,Single Layer Cell,单层单,元,固态硬盘的存储介质分为两种：,采用,闪存,（,FLASH,芯片）作为存储介质,采用,DRAM,作为存储介质,固态硬盘的类型,SLC,更昂贵，但也更可靠，速度快，且写次数更高（只是容量小）。,SLC,和,MLC,SLC,和,MLC,两者的差异在于每单元存储的数据量（密度），,MLC,的存储容量比,SLC,大，但是,SLC,更简单可靠，,SLC,读取和写入的速度都比,MLC,更快，而且,SLC,比,MLC,更耐用，,MLC,每单元可擦除,1,万次至,5,万次，而,SLC,可擦除,10w,次以上，所以，企业级的闪存产品一般都选用,SLC,，这也是为什么企业级产品比家用产品贵很多的原因。,SSD,单层单元与多层单元,数据存取速度快,。固态硬盘没有传统硬盘复杂的机械结构，既没有磁碟，也不存在磁头，它无需花费较长的时间寻道，读取速度更不会受到转速的限制。,防震抗摔,。,SSD,固态硬盘内部不存在任何机械部件，这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常使用。,没有噪音，发热低,。由于与传统硬盘物理结构不同，,SSD,固态硬盘不存在磁头臂寻道的声音和盘片高速旋转的噪音，也没有机械马达和风扇，工作噪音值为,0,分贝。,固态硬盘优点,四工作温度范围大,。机械硬盘只能在,555,摄氏度范围内工作，固态硬盘的温度范围可达,-1070,摄氏度，一些工业级固态硬盘的工作温度范围设置达到了,-4-85,摄氏度,(,军用）。,五，,SSD,固态硬盘比常规,1.8,英寸硬盘,重量轻,20,到,30,克。可千万别小看这些重量，在笔记本电脑、卫星定位仪等随身移动产品上，更小的重最有利于便携。此外，重量的减轻也使得笔记本搭载多块,SSD,固态硬盘成为可能。,成本高,。,每单位容量价格是传统硬盘的,510,倍（基于闪存），甚至,200300,倍（基于,DRAM,）。,容量低,。,目前固态硬盘最大容量远低于传统硬盘。一般固态硬盘的容量是,32,、,64,、,128G,，,256GB,在目前的主流固态硬盘中处于高端。,写入寿命有限（基于闪存）,。,SSD,的寿命主要是闪存写入次数的限制。一般闪存写入寿命为,1,万到,10,万次，特制的可达,100,万到,500,万次，,固态硬盘缺点,固态硬盘与传统硬盘优劣势对比,固态盘的基本构成与原理,Controller Logic,Non-Volatile,SLCNAND Flash,Firmware,Interface Protocol,Media Management,Error Detection&Correction,Dual-Ported,FC Interface,End-to-End Multi-bit Error Correction,DDR SDRAM w/SPS,MultipleParallelI/O Channels,固态盘的技术优势 -低延时,15K rpm drives,(8 drives),Enterprise Flash Drives,(8 drives),SATA drives,(8 drives),