【华为网络技术大赛】储存基础原理

广义的存储

• 硬件存储系统
• 存储软件
• 存储网络
• 存储解决方案

存储方案

1. DAS（直接连接存储）
   早期
2. SAN（存储区域网络）
   采用专用的高速网将一个或多个网络存储设备和服务器连接在一起。分IP SAN和FC SAN。

FC里面有个Zone的概念，可进行互通的端口或设备的名称构成的集合

• 直接组网
• 单交换组网
• 双交换组网

数据库场景，结构化数据，业务高性能，不占用业务网络资源
面向稳定性比较高，性能要求比较高。如大企业、政府核心类的系统。
关键数据库、集中存储、海量存储、备份、容灾等中高端存储应用环境。

3. NAS（网络连接存储）

关键办公文档共享，非结构化数据

• NAS网关：文件共享
• 大数据海量存储：视频监控，高性能计算。
  对存储容量要求不高、服务器数量很少的中小型局域网

SAN和NAS相比不具有资源共享特征，SAN是只能独享的数据存储池，NAS是共享与独享兼顾的数据存储池。
NAS是网络外挂式，SAN是通道外挂式。
SAN高效可扩，NAS简单灵活。

4. 统一存储 SAN+NAS
   同一套硬件软件直接提供两种服务

计算机内部的存储

内存

SDR-->DDR
DDR性能：容量 主频 带宽

CPU

CPU性能： 频率 缓存

总线

1. 计算机总线
   计算机内部各个组件 CPU和内存之间
2. 主机总线
   传输到网卡，显卡
3. IO总线
   传输到计算机外部

网络化的存储

1. 主机、服务器-->CPU
2. 网络-->总线 （IP或者FC）
3. 存储设备-->内存

存储介质和接口

机械硬盘

硬盘容量 转速 缓存 平均访问时间 数据传输率

1. 磁道
   一个硬盘的一条条轨道（0~300 或 0~1024）
2. 扇区
   一个磁道被划分成一堆扇区，一般是8K
3. 柱面
   不同磁盘同一磁道所组成的存储块（条带化存储）
4. 磁头数
   两倍于盘片
5. 硬盘容量
   硬盘容量 = 柱面数(表示每面盘面上有几条磁道，一般总数是1024) × 磁头数(表示盘面数) × 扇区数（表示每条磁道有几个扇区，一般总数是64）× 扇区(存储基本单元，大小一般为512B/4KB)

固态硬盘

FLASH 支持热拔插，用在可移动U盘，固态硬盘
DDR 系统化的存储，不能掉电

接口

1. ATA接口(老)
   并行口 IDE磁盘 133MBps
2. SCSI接口
   并行 打印机 录影机 适应性广 传输距离高 价格昂贵
   320MB/s
3. SATA接口(新)
   串行 150MBps~300MBps 移动硬盘 支持热拔插
4. SAS接口(新)
   串行 全双工 双端口 1GBps
5. NL-SAS
   采用SAS接口、SATA盘体，很明显性能在两者之间
6. FC接口
   长距离传输

RAID技术（独立冗余磁盘阵列）

关键技术

• 更有效的数据组织-->分条、并行
• 数据安全保护功能-->校验、镜像

条带

磁盘中单个或者多个连续扇区构成一个条带。

分条

同一个磁盘阵列的多个磁盘驱动器上的相同位置（编号）的条带。
分条中硬盘容量、接口、速率都要保持一致

校验

异或校验冗余备份

常见RAID级别

1. RAID 0
   

   数据条带化，无校验。存储性能最高，至少使用两个磁盘。
   

2. RAID 1 （数据库）
   

   数据镜像，无校验。使用两组磁盘互补镜像。写的速度不高，读的速度和RAID 0相似，可以同时读。允许单个磁盘故障，可靠性高。
   

3. RAID 3
   

   数据条带化读写，奇偶校验信息存放在专用硬盘。写的瓶颈被卡在校验盘，速度较慢。读的性能和RAID 0相似。
   

4. RAID 5
   

   数据条带化，奇偶校验信息分布式存放。每块磁盘上既有数据信息也有校验信息。写的速度比RAID 3快，读的性能和RAID 0相似。
   
5. RAID 6
   带有两种校验的独立磁盘结构，需要至少N+2(N>2)个磁盘。一般用在数据可靠性要求极高的应用场合。

• RAID 6 P+Q
  两次RAID 5 的过程，分布式存放校验信息。可以允许两块盘同时出故障。
• RAID 6 DP
  单独的两个校验盘，先做一次RAID 3，再进行一次斜向校验。出故障概率比较高。

6. RAID 10

1. RAID 50

RAID写惩罚

RAID	写惩罚
0	1
1	2
5	4
6	6
10	2

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IOPS (Input/Output Operations Per Second)，即每秒进行读写（I/O）操作的次数，多用于数据库等场合，衡量随机访问的性能。由寻道时间、旋转延迟和数据传输时间三部分构成。一般以每秒处理的I/O请求数量为单位。

寻道时间Tseek是指将读写磁头移动至正确的磁道上所需要的时间。寻道时间越短，I/O操作越快，目前磁盘的平均寻道时间一般在3－15ms。

旋转延迟Trotation是指盘片旋转将请求数据所在扇区移至读写磁头下方所需要的时间。旋转延迟取决于磁盘转速，通常使用磁盘旋转一周所需时间的1/2表示。比如，7200 rpm的磁盘平均旋转延迟大约为60*1000/7200/2 = 4.17ms，而转速为15000 rpm的磁盘其平均旋转延迟约为2ms。

数据传输时间Transfer是指完成传输所请求的数据所需要的时间，它取决于数据传输率，其值等于数据大小除以数据传输率。目前IDE/ATA能达到133MB/s，SATA II可达到300MB/s的接口数据传输率，数据传输时间通常远小于前两部分时间。

因此，理论上可以计算出磁盘的最大IOPS，即IOPS = 1000 ms/ (Tseek + Troatation)，忽略数据传输时间。假设磁盘平均物理寻道时间为3ms, 磁盘转速为7200,10K,15K rpm，则磁盘IOPS理论最大值分别为，
IOPS = 1000 / (3 + 60000/7200/2) = 140
IOPS = 1000 / (3 + 60000/10000/2) = 167
IOPS = 1000 / (3 + 60000/15000/2) = 200

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存储配置流程

LUN是英文Logical Unit Number的缩写，指逻辑单元号。RAID由几个硬盘组成，从整体上来看相当于由多个硬盘组成的一个大的物理卷，在物理卷的基础上可以按照指定容量创建一个或多个逻辑单元，这些逻辑单元称作LUN,可以作为映射给主机的基本块设备。

备份

备份结构——LAN BASED
基于LAN的备份，数据流和控制流都基于LAN传输，占用网络资源的备份模式。

备份结构——LAN FREE
不占用LAN资源，控制流基于LAN传输，数据流不经过LAN，由专用的高速存储网络承担。

常见的备份方式

方式	描述
D2D	Disk to Disk,磁盘阵列到磁盘阵列（昂贵）
D2T	磁盘阵列到物理磁带（风险高）
D2V	磁盘阵列到虚拟磁带（中和）
D2D2T	每个月备份，每一年归档

常见的备份类型——[主要采用差异性备份]

容灾

低·数据级容灾
中·应用级容灾
高·业务级容灾
容灾备份的指标

1. RPO(Recovery Point Objective)
   能恢复到的时间点，值越小说明备份时间距离现在越近
2. RTO(Recovery Time Objective)
   恢复需要时间，值越小说明中断时间越小