数据存储设备

数据存储备份与灾难恢复蔡熙数据存储设备存储设备发展历史光盘设备存储原理磁带设备技术原理及应用硬盘设备存储原理及RAID技术存储设备的分类按存储介质分类存储介质能寄存“0”或“1”两种代码并能区别两种状态的物质或元器件半导体存储器磁表面存储器磁芯存储器光盘存储器按存储方式分随机存储器（RAM）静态RAM动态RAM只读存储器（ROM）掩模型只读存储器（MROM）可编程只读存储器（PROM）可擦除可编程只读存储器（EPROM）电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）串行访问存储器顺序存取存储器直接存取存储器按在计算机中的作用分类主存储器可以和CPU直接交换信息辅助存储器用来存放当前暂时不用的程序和数据，不能与CPU直接交换信息缓冲存储器用在两个速度不同的部件之间，起到缓冲作用存储设备历史回顾最早期的存储媒介——打孔纸卡容量比打孔纸卡大——穿孔纸带电子应用——计数电子管大型磁带记录——盘式磁带最珍贵的回忆——盒式录音磁带超长的存储设备——磁鼓早期盛行的移动存储——软磁盘存储设备历史回顾“重”大突破——世界上第一台硬盘机目前最重要的存储设备——硬盘第一张视频光盘——LD光盘体积更小、容量更大——小光盘采用红外激光——DVD光盘最先进的存储——蓝光DVD、HD-DVD光盘存储设备概述光盘存储原理借助激光把计算机转换后的二进制数据用数据模式刻在扁平、具有反射能力的盘片上。利用激光束在记录表面上存储的信息，根据激光束和反射光的强弱不同，可以实现信息的读/写。由于光学读/写头和介质保持较大的距离，因此，它是非接触型读/写的存储器。光存储设备主要部分激光发生器和光监测器激光二极管，可以产生对应波长的激光光束，然后经过一系列的处理后射到光盘上，然后经由光监测器捕捉反射回来的信号从而识别实际的数据。光盘的分类及区别CD-DACD-ROMCD-IPhotoCDVideo-CDEnhanced-CDCD-RCD-RWMDDVD光盘存储技术的特点存储密度高与计算机联机能力强，易于实现随机检索和远距离传输便于大量复制影像还原效果好适用范围广光盘在数据存储备份系统中的应用光盘塔光盘库光盘塔由几台或十几台CD-ROM驱动器串联构成，通过软件来控件某台光驱的读写操作可同时支持几十个到几百个用户访问信息访问速度方面数据源方面安全方面光盘库特点安装简单、使用方便，并支持几乎所有的常见网络操作系统及各种常用通信协议维护更换与管理非常容易，成本价格低访问速度较低，自动换盘机构的换盘时间通常在秒量级信息处理能力强光盘库发展阶段第一代光盘库须通过SCSI总线连接服务器对服务器要求较高光驱速度慢，且易损坏第二代光盘库体积庞大，无需服务器支持不支持并发用户访问传输速度慢，光驱易损坏第三代光盘库速度快，单位成本低，对原光盘无磨损安全性较差，数据易丢失磁带存储技术特点互换性好、易于保存具有高纠错能力的编码技术即写即读的通道技术可靠性强读写速度快主要设备磁带机单驱动产品，通常有磁带驱动器和磁带构成。自动加载磁带机将磁带和磁带机有机结合磁带库广义的磁带库包换自动加载磁带机和磁带库磁带库是指基于磁带的备份，一种将多台磁带机整合到一个封闭机构中的箱式磁带备份设备由多个驱动器、多个槽、机械手臂组成，并可由机械手臂自动实现磁带的拆卸和装填磁带数据库读写工作原理螺旋扫描读写方式高可靠性、高速度、高容量线性记录读写方式读写速度低、磨损小、磁带的可靠性较高、容量易扩容、价格较低磁带的分类采用螺旋扫描读写方式面向工作组级的DAT（4mm）磁带机面向部门级的8mm磁带机数据流存储技术面向低端应用的Travan和DC系列面向高端应用的DLT和IBM的3480/3490/3590系列磁带存储技术及其应用DAT技术8mm技术DLT技术LTO技术AIT技术VXA技术硬盘存储原理采用磁介质的存储设备密封在洁净的硬盘驱动器内腔的若干个磁盘片上磁道、扇区、柱面硬盘的物理组成盘片、磁头，盘片转轴及控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存硬盘的外部结构接口：包括电源接口和数据接口（IDE接口和SCSI接口）控制电路板：包括主轴高速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制和接口电路等固定盖板：硬盘的面板，设有安装孔及透气孔硬盘的内部结构磁头组件由读写头、传动手臂、传动轴组成磁头在读数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器进行数据转换磁头驱动机构移动磁头盘片硬盘存储数据的载体主轴组件主轴组件轴承和马达等前置控制电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动等硬盘接口类型硬盘与主机系统间的连接部件作用在硬盘缓存和主机内存之间传输数据硬盘接口分为IDE、SATA、SCSI和光纤通道每种接口协议具备不同的传输速度，存取效能的差异较大IDE电子集成驱动器传输可靠性高、制造容易、兼容性好、易于安装价廉、稳定性好、标准化程度高SATA串口硬盘，以串行的方式发送数据一次只传输一位，减少接口针脚四个针脚分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据减少系统能耗、减少系统复杂性起点高、发展潜力大SCSI小型计算机接口专门为小型计算机系统设计的存储单元接口，通常用于服务器承担关键业务的较大的存储负载更适于中、高端存储应用接口支持数更多SCSI的带宽很宽CPU占用率低、并行处理能力强光纤通道专门为网络系统设计的热插拔性、高速带宽、远程连接、连接设备数量大硬盘接口技术比较接口类型优点不足应用领域IDE价格低廉性能较低PCSATA价格低、容量高性能、可靠性低中低端存储SCSI性能较高并行技术的弊端企业级存储SAS高性能、高可靠性未完全成熟中高端存储FC高性能、高可靠性价格较高高端存储什么是RAID独立磁盘冗余阵列，或简称磁盘阵列主要有两个目的：增加数据储存的可靠性改善数据读取的速度与性能RAID的实现软件RAID硬件RAID例子：WindowsServer2003RAID卡（基于主机）外部RAID控制器（基于磁盘阵列）优点：成本低（随操作系统）优点：对主机CPU性能影响小，灵活性高缺点：•RAID相关运算影响CPU性能•不支持所有RAID级别•与操作系统捆绑，缺乏灵活性。缺点：贵RAID分级RAID分级取决于三个因素：分条Striping数据镜像Mirroring奇偶校验Parity（ErrorCorrection）RAID分级－分条分条Striping：将数据分散到不同物理硬盘上，使读写数据时可以同时访问多块硬盘。RAID分级RAID分级－数据镜像数据镜像Mirroring：将同一数据写在两块不同硬盘上，从而产生该数据两个副本。RAID分级－奇偶校验奇偶校验Parity(ErrorCorrection)：通过数学方法而不是单纯重复写同样数据来实现数据保护。e.g.独立磁盘奇偶校验:校验信息单独存在磁盘上，一旦出现磁盘损坏，用校验值减去其它磁盘上对应位置的值，就能找回数据。RAID分级RAID0单纯依靠分条提高I/O性能，无数据保护。适用：I/O量大但不需要数据保护的应用e.g.图像处理RAID分级RAID1通过数据镜像提升容错性。同一数据写在不同硬盘上。可以承受一块甚至几块硬盘同时坏掉，但不优化读取性能。适用：数据安全可靠性要求非常高的应用e.g.人事会计系统RAID分级RAID0＋1镜像的分条。数据先被分条，再镜像，一旦一块硬盘坏掉，级数下降成RAID0，恢复起来较RAID1+0麻烦。RAID1＋0分条的镜像。数据先被镜像，再分条，数据恢复简单，迅速。RAID分级RAID2带海明码的RAID（超算中应用较多，不做详细讨论。）RAID分级RAID3通过分条提高性能，利用奇偶校验提升容错性。在存储普通的信息的硬盘以外，用一块专门的硬盘存储校验信息。RAID分级RAID4通过分条提高性能，利用奇偶校验提升容错性。在存储普通的信息的硬盘以外，用一块专门的硬盘存储校验信息。但允许某一数据单元（block）可以从单块磁盘中读写，而无需访问整个条带，所以数据读取的速度高。RAID分级RAID5通过分条提高性能，利用奇偶校验提升容错性。允许某一数据单元（block）可以从单块磁盘中读写，而无需访问整个条带。校验信息分布在所有磁盘上。比RAID4写性能好，容易恢复。RAID分级RAID6基本与RAID5一样，但引入第二校验元素应对两块磁盘同时失效的情况。写代价也因此比RAID5高，恢复也比RAID5耗时长。RAID比较RAID最少磁盘数磁盘利用率开销读性能（较单磁盘）写性能（较单磁盘）数据恢复时间RAID02100％低很好很好N/ARAID1250％高较好较好快RAID33n-1/n中随机读较好顺序读很好较好较好RAID43n-1/n中随机读很好顺序读较好较好较好RAID53n-1/n中随机读很好顺序读较好较好优于RAID3，RAID4，RAID6RAID64n-2/n中随机读很好顺序读较好较好较快RAID1＋0RAID0＋1450%高很好较好快*n为磁盘数目数据恢复－热备用（HotSpare）热备用指的是RAID阵列中用于临时替代RAID集中故障硬盘的备用硬盘（一个阵列中可以有多个热备用盘），热备可以设置为自动或用户发起。不同RAID使用不同方法从热备中恢复数据：如果采用校验RAID，则按照RAID集中的校验值和幸存盘上的数据重建如果采用镜像RAID，则从存活镜像上复制数据数据恢复－热拔插（HotPlug）热拔插指在使用数据保护性RAID阵列时，在开机状况下用新硬盘替换原来的故障硬盘。即在开机状况拔出故障硬盘，安装新硬盘。RAID实例－RAID卡需要考虑：•主板兼容性•RAID控制器性能•磁盘接口•支持RAID级别HighPointRocketSATARAID3120带Input/OutputProcessor，128MBDDRII内存。2个SATA接口，可支持2个硬盘的RAID0，1，JBOD。品牌:•Adaptec•Highpoint•LSILogicRAID实例－RAID卡RAID通常支持RAID级别价格性能SCSIRAIDSASRAIDRAID0到RAID6高•100％硬件RAID•接口速度快：160MBps-320Mbps•有独立控制芯片，低主机CPU占用率，•支持热拔插，在线扩展，后台初始化SATARAIDRAID0到RAID6中•磁盘读写不如SCSIRAID,•支持热拔插IDERAIDRAID0，RAID1低SCSI30%•50％硬件50％软件RAID•有独立控制芯片，但只包括简单操作，高主机CPU占用率•不支持热拔插，在线扩展，后台初始化RAID实例－配置阵列通常是通过磁盘阵列卡的BIOS工具进行配置。例子：在HP服务器上，用五块磁盘建立RAID5和一个热备盘。开机启动RAID实例－配置出现如下菜单时按F8，进入阵列配置菜单RAID实例－配置进入CreateLogicalDrive菜单RAID实例－配置四块硬盘raid5的建立：同时选中4块硬盘，建成raid5。RAID实例－配置当确认配置完毕后，按enter键确认，再按F8键保存配置RAID实例－配置按回车，再次进入CreateLogicalDrive菜单RAID实例－配置热备盘建立：选择最后一块硬盘，建成热备。RAID实例－配置当确认配置完毕后，按enter键确认，再按F8键保存配置RAID－思考问题有了RAID我们还需要备份系统吗？在什么情况下RAID1＋0比RAID5更适用？我们还可以如何提高RAID的性能？固态硬盘优缺点比较数据存取速度快数据安全、性能可靠经久耐用、寿命延长散热快、噪音小价格昂贵、噪音小容量有限