网络存储基础

存储体系结构为CPU寄存器、高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。

存储介质分为：

在线存储：CPU、内存、Flash/SSD/SAS/硬盘

近线数据：SATA硬盘/光盘儿盘/软盘

离线数据：磁带，光盘

机械硬盘和固态硬盘

机械硬盘（HDD)︰连续读写性很好，但随机读写性能很差。

固态硬盘（SSD)︰成本高，性能高，容量小。

随机读写频繁的应用（用固态盘最佳）∶小文件存储(图片)、数据库、邮件服务器(关注IOPS )。
顺序读写频繁的应用（可以用机械盘）︰视频监控、视频编辑（关注吞吐量）等。

关键指标

硬盘容量(Volume）:单位为兆字节(MB)或千兆字节(GB)。影响硬盘容量的因素有单碟容量和碟片数量。

转速（Rotational speed ):硬盘的转速指硬盘盘片每分钟转过的圈数，单位为RPM (Rotation Per Minute )。衡量读写性能。一般SATA硬盘转速5.4K/7.2KRPM，SAS硬盘转速10K/15K，SSD硬盘无转速。

平均访问时间(Average Access Time)=平均寻道时间＋平均等待时间。

数据传输率/吞吐量(Date Transfer Rate):硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒(MB/s )。对于大量顺序读写的应用，如电视台的视频编辑，视频点播等则更关注吞吐量指标。

IOPS(Input/Output Per Second):每秒的输入输出量(或读写次数)，是衡量磁盘性能的主要指标之一。随机读写频繁的应用，如OLTP(Online Transaction Processing)，IOPS是关键衡量指标。

硬盘接口

传统硬盘接口

可以分为IDE盘、SATA盘、SCSI盘、SAS盘和FC盘。

IDE硬盘已经被淘汰，实际项目应用最多的是SATA和SAS盘，前者容量大，后者性能强。

FC硬盘一般用于高性能服务器，成本较高。

小型化硬盘接口

mSATA接口占用空间小，但相对于M.2接口性能差。

M.2接口也叫NGFF，英文全称Next Generation Form Factor，是Intel推出的一种替代mSATA新的接口规范。由于速度更快，体积更小，现在大部分笔记本电脑里都是采用这种硬盘。
有两种类型的M.2 SSD，基于SATA和NVMe(高速)。

企业级SSD接口:(1)PCIE接口(2)SAS接口(3)U.2接口

U.2接口具备兼容性、高速率、低延迟、低功耗优势，适用于企业级SSD。U.2接口又被称为SFF-8639 ( SSD Form Factor 8639 )，U.2 SSD是一种高性能数据存储设备，旨在使用SFF ( smallform factor，小尺寸)连接器支持PCIE 接口，同时兼容标准化的SAS和SATA旋转磁盘和SSD。

硬盘尺寸：3.5英寸、2.5英寸

磁带和磁带库

闪存：存热数据

磁盘：存温数据

磁带：存冷数据（占企业存储70%）

磁带库：一盘盘磁带插到一个设备里这设备就叫"磁带库”

磁带库优势：成本最低、寿命更长、更省电、占地更小、更皮实、更安全

RAID技术

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，从而提高了硬盘的读写性能和数据安全性。

数据组织

分块∶将一个分区分成多个大小相等的、地址相邻的块，这些块称为分块，它是组成条带的元素。

条带深度︰由一个或者多个分块构成。

条带︰同一磁盘阵列中的多个磁盘驱动器上的相同“位置”（或者说是相同编号）的分块。

逻辑卷：在RAID基础上可以按照不同容量创建逻辑卷，通过LUN ( Logic Unit Number )来标识。

工作方式

热备(HotSpare ):当冗余的RAID组中某个硬盘失效时，在不影响当前RAID系统的正常使用的情况下，用RAID系统中的备用硬盘自动顶替失效硬盘，及时保证RAID系统的冗余性。

热备一般分为两种∶

全局式︰备用硬盘为系统中所有的冗余RAID组共享

专用式︰备用硬盘为系统中某一组冗余RAID组专用

重构：恢复故障磁盘中的数据

常用技术

RAID 0

没有容错设计的条带硬盘阵列，以条带形式将RAID组的数据均匀分布在各个硬盘中。

裸容量:12块*2T=24T   有效容量:RAIDO (12块*2T) =24T

最少2块，不允许坏硬盘

RAID  1

又称镜像(Mirror )，数据同时一致写到主硬盘和镜像硬盘。

裸容量:12块*2T=24T  有效容量:RAID 1 (12块*2T) =12T

最少2块，最多允许坏一半硬盘

RAID  3

带有校验的并行数据传输阵列，数据条带化分布在数据盘中，同时使用专用校验硬盘存放校验数据。

裸容量:12块*2T=24T  有效容量:RAID 5(N-1) =22T

最少3块，允许坏1块硬盘

RAID  5

RAID 3机制类似，但校验数据均匀分布在各数据硬盘上，RAID成员硬盘上同时保存数据和校验信息，数据块和对应的校验信息保存在不同硬盘上。RAID 5是最常用的RAID方式之一。

RAID  6

横向校验盘:P1—P4为各个数据盘中横向数据的校验信息

斜向校验盘:DP1—DP4为各个数据盘及横向校验盘的斜向数据的校验信息

裸容量:12块*2T=24T   有效容量:RAID 6 (N-2 )=20T

最少4块，允许坏2块硬盘

RAID 10 和 RAID 50

RAID 10将镜像和条带进行两级组合的RAID级别，第一级是RAID 1镜像对，第二级为RAID O。RAID10也是一种应用比较广泛的RAID级别

RAID 50将RAID 5和RAID O进行两级组合的RAID级别，最低一级是RAID 5，第二级为RAID 0。

RAID对比

RAID2.0优势

快速重构:热备空间分散分布
硬盘负载均衡:LUN空间分散分布
硬盘利用率高:性能大大提升
存储管理效率:存储池易扩容、LUN易扩容

网络存储系统

DAS外挂硬盘阵列

背景∶用户最早因为数据量的增多而产生存储的需求，从而产生最早最简单的存储架构直连附加存储DAS。
连接方式:FC、SCSI、SAS
访问方式∶直连式存储与服务器主机之间的连接通道通常采用SCSI连接
链路速率∶20MB/s、40MB/s、80MB/s、320M/s提供快照、备份等功能

SAN存储区域网络

FC SAN ( Fiber Channel Storage Area Network )时间:90年代中后期

背景︰为解决DAS扩展性差的问题，将存储设备网络化，可以同时连接上百台服务器
连接方式:FC光纤，使用专用的FC交换机【2G/4G/8G/16G)
访问方式∶后端一台存储设备的存储空间可以划分为多个LUN每一个LUN只能属于一台前端服务器
链路速率:2Gbps、4Gbps、8Gbps
提供快照、容灾等高级数据保护功能

组网架构：点对点、环形、交换式

六种接口：

N_Port:终端节点端口，比如FC存储或者服务器。
F_Port :用于光纤交换环境下N_Port之间的互联，所有节点都可以相互通信。
E_Port :光纤扩展端口，用于在多路交换光纤环境下。
FL_Port :支持仲裁环路的交换端口。
NL_Port:开放环，支持仲裁环路的节点端口。环内节点不但可以和环内的节点( L_Port和NL_Port )通信，而且也可以和环外的节点通信(N_Port )。
L_Port:私有环，就是说这个FC仲裁环是封闭的，只能在这个环中所包含的节点之间相互通信( L_Port和NL_Port ) ，而不能和环外的任何节点通信。

IP SAN ( IP Storage Area Network )时间︰2001年

背景∶为解决FC-SAN在价格及管理上的诸多门坎而产生
连接方式∶采用以太网作为连接链路，以太网交换机
访问方式︰后端一台存储设备的存储空间可以划分为多个LUN,每一个LUN只能属于一台前端服务器
链路速率:1Gbps、10、40、100Gbps提供快照、容灾等高级数据保护功能

NAS网络附加存储

NAS(Network Attached Storage)·时间:90年代初
背景∶网络飞速发展，大量数据需要共享和交换，出现专用的NAS存储设备，成为数据共享与交换的核心
访问方式:多台前端服务器共享后端存储设备，后端NAS设备上的存储空间通过CIFS ( window系统)、NFS ( Linux系统）协议共享给前端主机，可同时对同一目录或文件进行并发读写文件系统位于后端存储设备
链路速率:1Gbps、10Gbps

存储方式对比

SAN与NAS并不是两种互相竞争的技术，二者通常相互补充以提供对不同类型数据的访问。SAN针对海量的面向数据块的数据传输，而NAS则提供文件级的数据访问和共享服务。越来越多的数据中心采用SAN+NAS的方式实现数据整合、高性能访问以及文件共享服务。

FCoE

FCoE ( Fibre Channel over Ethernet，以太网光纤通道）是一种计算机网络技术，通过以太网网络封装光纤通道帧。它允许光纤通道在保留光纤通道协议的同时使用万兆以太网（或更高速度)。

优势︰

减少数据中心适配器、线缆和交换机数量，降低供电和制冷负载成本（省电)。
需要支持的点减少，降低管理负担和软件配置工作量，降低维护成本。
能与现有的SAN环境可以互操作，利用现有的FC-SAN。

劣势︰

网络和存储边界不清晰，管理容易混乱。
引入新技术，对运维人员能力要求高。
需要更换FCoE交换机和服务器CAN网卡，增加成本。

分布式存储/超融合

NAS和SAN都是传统集中式存储，由专业存储设备提供存储服务。分布式存储系统一般是由多台服务器部署分布式存储软件，将服务器硬盘虚拟成存储资源池，对外提供服务。
分布式存储分为∶分布式文件存储、分布式对象存储(Object-based Storage,OSD )和分布式块存储。
分布式文件存储和分布式对象存储适合用于对带宽和吞吐较高的业务，比如视频频监拉、云存储。
分布式块存储适合用于对I/O和时延要求敏感的业务，比如数据库、云桌面等。

分布式存储系统一般由3个部分组成︰客户端、元数据节点和数据存储节点，元数据节点相当于目录，数据存储节点采用多副本或纠删码技术实现数据冗余。分布式存储有如下特点∶

(1)高性能。相比传统集中式存储，可以提供更高的IOPS和吞吐量，并且随着存储节点的增加而线性增长，可以满足高并发业务需求，比如12306购票业务。
(2)高可靠。分布式存储系统中单台服务器可以部署RAID技术来提升可靠性，同时多台服务器组成的分布式存储系统可以采用多副本等技术保证数据冗余，单个节点出现故障能快速重建。
(3)容量大。可以根据需要扩展服务器硬盘数量或服务器数量，提供海量存储资源池。
(4)成本低。分布式存储系统的核心硬件是插有大量硬盘传统服务器，相对于传统集中式存储，成本更低。