什么是存储基础

一、存储作为计算机的一份子

1. 计算机是如何设计的？

现代计算机采用的是冯诺依曼体系结构，包含控制器、运算器、存储器和输入输出设备。其中，存储器分为内存储器和外存储器，而外存储器包括硬盘、光盘和U盘等。CPU与外存储器的通信是通过IO总线进行。

计算机各部件的性能参数大致是：CPU每秒处理的指令数为百万条，RAM为数十万条，而硬盘为200~300条。可以看出，硬盘是计算机系统的处理瓶颈。

2. 硬盘长什么样？

每个硬盘包含多个盘片，每个盘片又划分多个磁道，每个磁道又分为多个扇区。

扇区即是硬盘中最小的物理存储单位，也是读写基本单位，大小是为512字节或4096字节。

3. 我们人类是如何存数据的？

现在我们习惯于使用电脑进行办公，我们打开WPS进行写作或者制作表格，然后将其保存成某个盘某个目录下的某个文件。下次在查看资料时，便在某盘某目录下去找某文件就可以。也就是说，我们的数据都是以文件形式存在某个目录下的，“文件”是人类视角下的存储数据的最小单位，存数据则新建文件，查看数据则打开某个文件。

4. 数据从文件到扇区发生了什么？

我们新建、编辑和删除都是围绕文件进行，硬盘存储数据的最小单位是扇区。

在我们与硬盘之间，还有个操作系统（具体地说是文件系统），负责将文件分配到硬盘上，也就是对存储在硬盘上的数据进行组织。如FAT文件系统、NTFS文件系统。

文件系统对硬盘块进行管理，将文件拆分成若干个块，存放到硬盘的不同扇区里面。块与扇区的对应关系是2的n次方。这里的块和扇区的映射由硬盘驱动器来做，当然硬盘驱动器还进行读取数据、控制磁头等操作。

这样，我们就不需要关注文件如何存储在硬盘。转换流程为：

二、存储脱离计算机独立发展

当计算机的硬盘存储空间不够时，可以通过增加外挂硬盘的方式来增加容器。外挂硬盘比较多时，可以把它们打包放到一个柜子里，称为硬盘扩展柜，常称为 JBOD （Just a Bunch of Disks）。JBOD的使用方法是多块硬盘顺次写入，当第一块硬盘存满了，会继续存到下一块JBOD的缺点是当有一块硬盘损坏时，所有数据将丢失。

为解决数据丢失带来的安全问题，在硬盘扩展柜中引入 RAID 。

RAID，全称redundant array of independent disks，独立硬盘冗余阵列，也就是多个独立的硬盘组成一个大硬盘，这个硬盘具有冗余特性，允许某个硬盘损坏后，数据仍可用。RAID通过在多个硬盘上并发读写数据来提高存储的 I/O 性能，通过数据冗余来提高数据的高可用。

那么，如何来做RAID？

将硬盘阵列进行横切、竖切形成带、条。带、条交叉点形成逻辑硬盘。

RAID控制器是一种硬件设备或软件程序，用于管理计算机或存储阵列中的硬盘驱动器（HDD）/固态硬盘（SSD），以便它们能如逻辑部件一样工作，各司其职。

RAID标准从RAID0到RAID6。其中，RAID0没有容错设计，RAID1使用镜像。

由于在SCSI总线上可挂接的设备数量是有限的，一般为8个或者16个。需要在RAID基础上进一步抽象，这个抽象形成的逻辑结构称为LUN（Logical Unit Number，逻辑单元号），LUN被看作是由硬件生成的虚拟硬盘的统称，而由软件生成的虚拟硬盘称为“卷”。

从服务器主机的角度来看，这些LUN被看作“物理硬盘”，主机操作系统可以在LUN上进行分区和格式化。这个工作通常由内核中的LVM（Logical Volume Manager，逻辑卷管理）来做。

涉及到几个概念：

• LUN“物理硬盘”，称为PV（Physical Volume，物理卷）；
• 多个PV在逻辑上组成VG（Volume Group，卷组）；
• 对VG进行分区生成多个LV（Logical Volume，逻辑卷）。

服务器主机操作系统使用这些逻辑卷。

三、块存储

1. DAS

存储直接外挂在一台服务器上，这种架构称为DAS（Direct Attached Storage，直接连接存储）。DAS的特点是其自身没有操作系统和文件系统，仅供一台服务器使用。

常见的存储设备有硬盘、U盘、移动硬盘、JBOD等。在服务器上显示为本地硬盘，为块级别存储设备。

2. SAN

为了硬盘阵列能够供多个服务器使用，就出现了SAN（Storage Area Networks，存储区域网络）。

在SAN中，SAN硬盘阵列和服务器的关系是N：M，也就是多对多的关系。

SAN有FC-SAN和IP-SAN两种。

其中，FC-SAN需要FC交换机和光纤，价格较贵，要组一套完整的SAN网络构架，需要几十W的投资成本。IP-SAN需要以太交换机，价格会降低一半。

SAN可以看作是网络上的硬盘，面向的是海量的面向数据块的数据传输。

3. DAS和SAN图示

四、文件存储

1. NAS

文件存储可以看成是文件服务器，提供文件共享服务给用户，并能控制用户的访问权限（增删改），称为NAS（Network Attached Storage，网络附加存储）。

NAS的实现方式是在存储设备上安装文件系统，并以文件目录的方式共享存储空间。服务器无须对文件存储进行格式化。

NAS的特点是包含文件系统和操作系统，可完全独立自主运行，属于文件级共享存储设备，成本低，软硬件一体。

NAS可以看成是网络上的文件系统。

2. NAS与SAN

SAN提供的是块级存储服务，NAS提供的是文件级的数据访问和共享服务。

现在很多厂商提供统一的存储，也就是一种网络存储架构同时支持NAS和SAN。

五、对象存储

有别于文件存储的树形结构，对象存储将数据看成“对象”，并且数据的存储采用两级结构，分别称为Bucket（桶）、Object（对象）。