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說到“存儲”，大家會想到什么?

是這個?

 

還是這個?

 

又或者是這個?

 

哈哈，沒錯，我們現(xiàn)在處于信息時代，每天都在和電腦、手機(jī)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(jìn)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。

我們知道，計算機(jī)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(yùn)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(yùn)算數(shù)據(jù)。

CPU、內(nèi)存、硬盤

 

絕大部分的臺式機(jī)、服務(wù)器、手機(jī)，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(jī)為例，硬盤通過專用接口和數(shù)據(jù)線，連接在主板上，實(shí)現(xiàn)和CPU、內(nèi)存的數(shù)據(jù)連接。

臺式機(jī)上安裝好的硬盤

 

常用的硬盤專用接口如下：

 

手機(jī)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。

常見的手機(jī)存儲芯片：eMMC、UFS(更快)

 

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(jī)械硬盤和SSD固態(tài)硬盤。小棗君以大家比較熟悉的機(jī)械硬盤為例進(jìn)行介紹。

左邊是機(jī)械硬盤，右邊是SSD固態(tài)硬盤

 

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。

硬盤，也叫磁盤(有點(diǎn)像唱片機(jī))

 

下圖顯示的是一個盤面：

 

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?

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(jìn)行尋址。

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)。

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)。

 

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?，我們也可以將多個物理塊設(shè)備，組合成一個容量更大的邏輯塊設(shè)備。

 

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)。

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。

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。

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(kuò)展分區(qū)和邏輯分區(qū)。

硬盤分區(qū)

 

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(kuò)展分區(qū)。擴(kuò)展分區(qū)不能直接使用。擴(kuò)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。

 

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。卷的出現(xiàn)，就是為了便于對多硬盤進(jìn)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。

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。基本磁盤里的分區(qū)，現(xiàn)在也被微軟改叫為卷。

再來看看Linux的LVM工具。

其實(shí)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。

首先，物理存儲介質(zhì)進(jìn)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)。

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：

LVM主要元素的構(gòu)成

 

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?

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。

文件夾結(jié)構(gòu)

 

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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(hù)便利性的需要，計算機(jī)系統(tǒng)開始引入了外掛存儲。也就是說，硬盤從計算機(jī)的內(nèi)部，跑到了計算機(jī)的外部。

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(jìn)行直連。

 

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(diǎn)是存儲設(shè)備只能連接到一臺主機(jī)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(diǎn)連接式的存儲。它又分為NAS(Network-attached Storage，網(wǎng)絡(luò)接入存儲)和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：

 

NAS與DAS相比，最大的特點(diǎn)是非直連。它可以通過IP網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多臺主機(jī)與存儲設(shè)備之間的連接。

 

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。

SAN是在NAS基礎(chǔ)上做的演進(jìn)。它通過專用光纖通道交換機(jī)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：

 

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(dú)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)。

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。

 

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(shí)也算是文件存儲的某種特殊實(shí)現(xiàn)，它們通過某個URL地址來訪問一個文件。