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    • ▉ 存儲的基本載體——硬盤
    • ▉ 什么是邏輯卷?什么是文件系統(tǒng)?
    • ▉ 什么是 DAS/NAS/SAN
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科普 | 數(shù)據(jù)存儲

2020/07/30
333
閱讀需 11 分鐘
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說到“存儲”,大家會想到什么?

是這個?

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還是這個?
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又或者是這個?
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哈哈,沒錯,我們現(xiàn)在處于信息時代,每天都在和電腦、手機打交道。我們的工作和生活,已經(jīng)完全離不開視頻、音樂、圖片、文本、表格這樣的數(shù)據(jù)文件。

而所有這些數(shù)據(jù)文件,都需要通過電子設(shè)備進行保存,這就是數(shù)據(jù)存儲,簡稱存儲。

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▉?存儲的基本載體——硬盤

對于普通用戶來說,最常見的存儲設(shè)備,就是硬盤。

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我們知道,計算機的三大核心硬件,分別是 CPU中央處理器)、內(nèi)存(Memory)和硬盤(Hard Disk)。CPU 負(fù)責(zé)運算,硬盤負(fù)責(zé)存儲。而內(nèi)存,是 CPU 和硬盤之間的橋梁。用于暫時存放 CPU 中的運算數(shù)據(jù)。
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CPU、內(nèi)存、硬盤

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絕大部分的臺式機、服務(wù)器、手機,都是內(nèi)置存儲系統(tǒng)。也就是說,它們的硬盤安裝在設(shè)備內(nèi)部。

以普通臺式機為例,硬盤通過專用接口和數(shù)據(jù)線,連接在主板上,實現(xiàn)和 CPU、內(nèi)存的數(shù)據(jù)連接。
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臺式機上安裝好的硬盤

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常用的硬盤專用接口如下:
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手機等數(shù)碼設(shè)備的“硬盤”,則是做成了很小的存儲芯片,直接焊在主板上。
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常見的手機存儲芯片:eMMC、UFS(更快)

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我們再來簡單看看硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

目前主流的硬盤類型有兩種,分別是傳統(tǒng)機械硬盤和 SSD 固態(tài)硬盤。小棗君以大家比較熟悉的機械硬盤為例進行介紹。
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左邊是機械硬盤,右邊是 SSD 固態(tài)硬盤

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硬盤之所以叫硬盤,是因為它的核心部分是一塊或多塊由堅硬金屬材料制成的盤片。盤片上面涂抹了磁性介質(zhì),兩面都可以記錄信息。在盤面上讀 / 寫數(shù)據(jù)的,是磁頭。
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硬盤,也叫磁盤(有點像唱片機)

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下圖顯示的是一個盤面:
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盤面中一圈圈灰色同心圓為一條條磁道。從圓心向外畫直線,可以將磁道劃分為若干個弧段,每個弧段被稱之為一個扇區(qū)(Sector,圖中綠色部分)。

扇區(qū)是磁盤的最小組成單元。大家應(yīng)該看出來了,越靠圓心,扇區(qū)越短。那么,是不是越往外,扇區(qū)越長,存儲的數(shù)據(jù)越多呢?

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不一定。

老式的硬盤,不管靠內(nèi)還是靠外,每個扇區(qū)的大小是一樣的,都是 512 字節(jié)。這種硬盤用柱面 - 磁頭 - 扇區(qū)號(CHS,Cylinder-Head-Sector)組成的編號進行尋址。

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而現(xiàn)在主流的硬盤,扇區(qū)密度是一致的,也就是說,越靠外側(cè),扇區(qū)數(shù)越多。每個扇區(qū)的大小是 4K 字節(jié),用一個邏輯塊編號尋址(LBA,Logical Block Addressing)。
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以扇區(qū)為基礎(chǔ),一個或多個連續(xù)的扇區(qū)組成一個塊,叫做物理塊。所以,硬盤往往又叫塊設(shè)備(Block Device)。
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▉ 什么是邏輯卷?什么是文件系統(tǒng)?

為了方便管理,我們可以將硬盤這樣的物理塊設(shè)備,分割成多個邏輯塊設(shè)備?;蛘撸覀円部梢詫⒍鄠€物理塊設(shè)備,組合成一個容量更大的邏輯塊設(shè)備。
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底層的相關(guān)技術(shù)和工具,包括 RAID(大家可能比較熟悉)、JBOD、卷管理系統(tǒng)(Volume Manager)。
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Windows 的卷管理系統(tǒng),就是它自帶的磁盤管理工具。而 Linux 的,是大名鼎鼎的 LVM(Logical Volume Manager,邏輯卷管理)。

我們先說說 Windows 的。

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在 Windows 中,磁盤分為基本磁盤和動態(tài)磁盤。默認(rèn)情況下,用戶用的都是基本磁盤。
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一個基本磁盤可以劃分為多個分區(qū),分區(qū)類別包括主分區(qū)、擴展分區(qū)和邏輯分區(qū)。
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硬盤分區(qū)

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主分區(qū)是硬盤的啟動分區(qū),我們常說的“C 盤”就是硬盤上的主分區(qū)。MBR 分區(qū)表可以劃分出 4 個主分區(qū)。如果使用 GPT 分區(qū),可以管理 128 個主分區(qū)。

除去主分區(qū)以外,硬盤剩下的容量就被認(rèn)定為擴展分區(qū)。擴展分區(qū)不能直接使用。擴展分區(qū)可以分成一個或若干個邏輯分區(qū),也就是我們的“D 盤”、“E 盤”等。

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動態(tài)磁盤是基本磁盤的升級模式。在動態(tài)磁盤中,分區(qū)叫做。卷的出現(xiàn),就是為了便于對多硬盤進行管理。

簡單來說,動態(tài)磁盤可以將不同硬盤分到一個卷。假如你手中有 160G 和 250G 硬盤各一塊,如果想劃分 90G 和 320G 的分區(qū),就可以借助動態(tài)磁盤來完成。

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動態(tài)磁盤里面的卷,又分為簡單卷、跨區(qū)卷、帶區(qū)卷、鏡像卷、RAID-5 卷。限于篇幅,就不做具體介紹了?;敬疟P里的分區(qū),現(xiàn)在也被微軟改叫為卷。

再來看看 Linux 的 LVM 工具。

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其實 LVM 和動態(tài)磁盤的思路差不多的,也是把物理空間變成邏輯空間。
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首先,物理存儲介質(zhì)進行初始化,變成物理卷(PV,physical volume)。

然后,一個或多個物理卷組成一個卷組(VG,Volume Group)。

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創(chuàng)建卷組之后,再創(chuàng)建邏輯卷(LV,logical volume)。

整個過程,如下圖所示:

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LVM 主要元素的構(gòu)成

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好了,不管是 Windows 還是 Linux,邏輯卷都有了,是不是可以直接使用它們啦?
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不行,還差一步。那就是文件系統(tǒng)(File System)

文件系統(tǒng)就像倉庫管理員。作為用戶,你不需要知道倉庫里面到底是什么樣子,只需要把貨物交給他,他會以一個樹形結(jié)構(gòu)目錄,登記這些貨物。你來取的時候,只需要告訴他路徑,他就會把貨物交給你。

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文件夾結(jié)構(gòu)

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文件系統(tǒng)有很多種類型,常見的有 Windows 的 FAT/FAT32/NTFS(大家應(yīng)該很熟悉),還有就是 Linux 的 EXT2/EXT3/EXT4/XFS/BtrFS 等。

Windows 系統(tǒng)下,通過對分區(qū)(卷)進行文件系統(tǒng)格式化,再分配一個盤符,我們就可以在“我的電腦”里看到可用的磁盤。Linux 系統(tǒng)下,我們需要對邏輯卷進行文件系統(tǒng)格式化,然后執(zhí)行掛載操作,也就能對存儲空間進行使用了。

▉ 什么是 DAS/NAS/SAN

除了內(nèi)置存儲之外,隨著存儲容量需求的不斷增加,加上維護便利性的需要,計算機系統(tǒng)開始引入了外掛存儲。也就是說,硬盤從計算機的內(nèi)部,跑到了計算機的外部。
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外掛存儲分為兩種,一種是直連式存儲(DAS,Direct Attached Storage),還有一種是網(wǎng)絡(luò)存儲(FAS,F(xiàn)abric Attached Storage)。

DAS 直連式存儲,一般是使用專用線纜(例如 SCSI),與存儲設(shè)備(例如磁盤陣列)進行直連。

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雖然數(shù)據(jù)存儲設(shè)備看似在外部,但直接掛接在服務(wù)器內(nèi)部總線上,是整個服務(wù)器結(jié)構(gòu)的一部分。

DAS 的缺點是存儲設(shè)備只能連接到一臺主機使用,無法共享,成本較高,且安全性可靠性較低。

FAS 網(wǎng)絡(luò)存儲,是一種多點連接式的存儲。它又分為NAS(Network-attached Storage,網(wǎng)絡(luò)接入存儲)SAN(Storage Area Network,存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò))

這些概念的名字非常像,大家千萬別暈。畫個圖看得明白一些:

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NAS 與 DAS 相比,最大的特點是非直連。它可以通過 IP 網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)多臺主機與存儲設(shè)備之間的連接。
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NAS 大大提高了存儲的安全性、共享性和成本。但是 I/O(輸入輸出)漸漸成為性能瓶頸。隨著應(yīng)用服務(wù)器的不斷增加,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效率會急劇下降。為了解決這個問題,出現(xiàn)了 SAN 存儲方案。
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SAN 是在 NAS 基礎(chǔ)上做的演進。它通過專用光纖通道交換機訪問數(shù)據(jù),采用 ISCSI、FC 協(xié)議。

SAN 和 NAS 的關(guān)鍵區(qū)別,就在于文件系統(tǒng)的位置。畫個圖就明白了:

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可以看出,如果說 SAN 是一塊網(wǎng)絡(luò)硬盤的話,NAS 基本上已經(jīng)像一臺獨立的服務(wù)器了。NAS 擁有文件系統(tǒng),用戶可以通過 TCP/IP 協(xié)議直接訪問上面的數(shù)據(jù)。
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現(xiàn)在很多家庭都開始使用小型 NAS 設(shè)備,相當(dāng)于一個小型服務(wù)器。
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在 NAS 的模式下,不同的客戶端可以使用網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(Network File System)訪問 NAS 上的文件。常見的網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)有 Windows 網(wǎng)絡(luò)的 CIFS(也叫 SMB)、類 Unix 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的 NFS 等。

FTP、HTTP 其實也算是文件存儲的某種特殊實現(xiàn),它們通過某個 URL 地址來訪問一個文件。

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電子產(chǎn)業(yè)圖譜

通信行業(yè)知名新媒體鮮棗課堂創(chuàng)始人,通信行業(yè)資深專家、行業(yè)分析師、自媒體作者,《智聯(lián)天下:移動通信改變中國》叢書作者。通信行業(yè)13年工作經(jīng)驗,曾長期任職于中興通訊股份有限公司,從事2/3/4G及5G相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域方面的研究,曾擔(dān)任中興通訊核心網(wǎng)產(chǎn)品線產(chǎn)品經(jīng)理、能力提升總監(jiān)、中興通訊學(xué)院二級講師、中興通訊高級主任工程師,擁有豐富的行業(yè)經(jīng)驗和積累。