存储基础知识

前置：存储基本概念

【1】存储的基本载体：硬盘

我们可以用一张图片来说明：

在这里插入图片描述
绝大部分的台式机、服务器、手机，都是内置存储系统。也就是说，它们的硬盘安装在设备内部，相当于正常人的大脑，是生长在我们体内的。

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
我们来看看存储的内部基本结构：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
硬盘，也叫磁盘（有点像唱片机）

【2】什么是逻辑卷？什么是文件系统？

底层的相关技术和工具，包括RAID（大家可能比较熟悉,也就是磁盘阵列Redundant Arrays Of Independent Disks）、JBOD、卷管理系统（Volume Manager）。Windows的卷管理系统，就是它自带的磁盘管理工具。而Linux的，是大名鼎鼎的LVM（Logical Volume Manager，逻辑卷管理）。我们先说说Windows的。在Windows中，磁盘分为基本磁盘和动态磁盘。默认情况下，用户用的都是基本磁盘。一个基本磁盘可以划分为多个分区，分区类别包括主分区(如：我们常说的C盘)、扩展分区和逻辑分区。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

整个过程，如下图所示：
在这里插入图片描述

好了，不管是Windows还是Linux，逻辑卷都有了，是不是可以直接使用它们啦？不行，还差一步。那就是文件系统（File System）。文件系统就像仓库管理员。作为用户，你不需要知道仓库里面到底是什么样子，只需要把货物交给他，他会以一个树形结构目录，登记这些货物。你来取的时候，只需要告诉他路径，他就会把货物交给你。

文件系统有很多种类型，常见的有Windows的FAT/FAT32/NTFS（大家应该很熟悉），还有就是Linux的EXT2/EXT3/EXT4/XFS/BtrFS等。Windows系统下，通过对分区（卷）进行文件系统格式化，再分配一个盘符，我们就可以在“我的电脑”里看到可用的磁盘。Linux系统下，我们需要对逻辑卷进行文件系统格式化，然后执行挂载操作，也就能对存储空间进行使用了。

【3】什么是DAS/NAS/SAN

DAS直连式存储，一般是使用专用线缆（例如SCSI），与存储设备（例如磁盘阵列）进行直连。

在这里插入图片描述
虽然数据存储设备看似在外部，但直接挂接在服务器内部总线上，是整个服务器结构的一部分。DAS的缺点是存储设备只能连接到一台主机使用，无法共享，成本较高，且安全性可靠性较低。FAS网络存储，是一种多点连接式的存储。它又分为NAS（Network-attached Storage，网络接入存储）和SAN（Storage Area Network，存储区域网络）。这些概念的名字非常像，大家千万别晕。画个图看得明白一些：
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
NAS大大提高了存储的安全性、共享性和成本。但是I/O（输入输出）渐渐成为性能瓶颈。随着应用服务器的不断增加，网络系统效率会急剧下降。为了解决这个问题，出现了SAN存储方案。SAN是在NAS基础上做的演进。它通过专用光纤通道交换机访问数据，采用ISCSI、FC协议。SAN和NAS的关键区别，就在于文件系统的位置。画个图就明白了：
在这里插入图片描述

现在很多家庭都开始使用小型NAS设备，相当于一个小型服务器。在NAS的模式下，不同的客户端可以使用网络文件系统（Network File System）访问NAS上的文件。常见的网络文件系统有Windows网络的CIFS（也叫SMB）、类Unix系统网络的NFS等。FTP、HTTP其实也算是文件存储的某种特殊实现，它们通过某个URL地址来访问一个文件。

1 常见存储设备接口

1.1 IDE接口

IDE是曾经普遍使用的外部接口，主要接硬盘和光驱。采用数据并行传送方式，一个IDE接口只能接两个外部设备。

在这里插入图片描述

1.2 SATA接口

1.3 SCSI接口

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
SCSI的数据传输是以块的方式进行的。

可以将initiator认为是scsi的客户端，它是数据操作的需求方，target是scsi的服务端，它是数据的来源，也就是一堆堆的存储设备。当initiator与target关联后，target上的每一个lu在initiator上会单独显示为一块硬盘格式，即/dev/sd{b,c,d,e…}，显示的先后顺序根据lun号码来决定。
在这里插入图片描述

1.4 SAS接口(新一代SCSI技术)

SAS是Serial Attached SCSI的缩写，即串行连接SCSI。也就是说SAS是新一代的SCSI技术，它和SATA一样都采用串行技术。
SAS技术引入SAS扩展器，使SAS系统可以连接更多的设备，其中每个扩展器允许连接多个端口，每个端口可以连接SAS设备、主机或其他SAS扩展器。

在这里插入图片描述

2 存储方案（存储技术）

根据服务器类型分为封闭系统的存储和开放系统的存储

封闭系统主要指大型机，AS400等服务器。
开放系统指基于包括Windows、UNIX、Linux等操作系统的服务器。而开放系统的存储又分为内置存储和外挂存储：

开放系统的外挂存储根据连接的方式又分为：直连式附加存储DAS(Direct Attached Storage)和网络化存储FAS(Fabric-Attached Storage)；
开放系统的网络化存储根据传输协议又分为：网络附加存储NAS(Network Attached Storage)和存储区域网络SAN(Storage Area Network)。
目前绝大部分用户采用的是开放系统，其中外挂存储占有目前磁盘存储市场的70%以上。

在这里插入图片描述

2.1 DAS存储(直接式存储，如：电脑硬盘)

直接式存储(DAS:Direct Attached Storage)，是指将存储设备通过SCSI接口或FC接口直接连接到一台计算机上。DAS不算是网络存储，在存储设备和主机之间没有任何网络设备的参与，只有挂载它的主机才可访问它。

最典型的DAS存储类型就是个人电脑中的硬盘，它和电脑直连，没有经过任何网络设备，也只有这台电脑可以访问它上面的数据。
也就是说，服务器发生故障时，连接在服务器上的DAS存储设备中的数据暂时不能被存取。
DAS是最原始最基本的存储方式，缺点在于容量有限、难于共享，从而造成信息孤岛。

在这里插入图片描述
DAS缺陷有二：

(1)DAS存储只能通过与之相连的主机进行访问，不能实现数据与其他主机的共享。
(2)直连式存储与服务器主机之间的连接通道通常采用SCSI或者SAS连接，随着服务器CPU的处理能力越来越强，存储硬盘空间越来越大，阵列的硬盘数量越来越多，SCSI或SAS通道将会成为IO瓶颈；且SCSI ID或SAS ID资源有限，能够建立的SCSI或SAS通道连接有限。也就是容量有限。

2.2 NAS存储（网络存储）

2.3 SAN存储(存储区域网络)

一般都采用光纤通道(Fibre Channel)技术，通过光纤通道交换机连接存储阵列和服务器主机，建立专用于数据存储的区域网络。FC SAN已经相当成熟，成为业界的实施标准。如果是IP SAN，则下图中的FC部分换为以太网，对交换机而言也没有光纤交换机那么严格的要求。

在这里插入图片描述
SAN是基于块级别的数据传输。在应用程序服务器本地有本地文件系统，这是和NAS根本上的区别。

相比于FC SAN，IP SAN的弱点除了在硬件设备上，还在于它要对数据进行TCP/IP的封装，这需要消耗资源(硬件iSCSI使用HBA卡控制芯片来封装不会消耗操作系统资源，但挺贵的)。同时它还要使用以太网，所以网络的情况对其也有很大影响。

在这里插入图片描述

2.4 SAN与NAS区别

在这里插入图片描述
从上面的构中可以看到，SAN文件系统分别在每一个应用服务器上；而NAS则是每个应用服务器通过网络共享协议(如：NFS、CIFS)使用同一个文件系统。换句话说，NAS和SAN存储系统的区别是NAS自己管理自己的文件系统。

在这里插入图片描述

在上图的双虚线框表示一台NAS。它通过Fibre Channel从后端SAN获得存储空间，创建文件系统后，再通过以太网共享给服务器。SAN提供的存储单位是LUN，属于block级别的。经过NAS创建成文件系统后，就变成文件级别的了。
如果上图描述的不够清楚，下图就容易理解多了。NAS通过FC Switch连到SAN上，应用服务器再通过Ethernet Switch连到NAS上。同时SAN也直接提供block级别的存储给应用服务器。

在这里插入图片描述

相关术语

1. 备份

名称	概念
冷备份（Cold Backup）	在系统关闭的情况下备份数据，通常需要停机维护
热备份（Hot Backup）	在系统运行时备份数据，不需要停机维护
增量备份（Incremental Backup）	备份增量数据，即与上次备份后新增或修改的数据
全量备份（Full Backup）	备份全部数据，包括新增、修改和删除的数据

2. 存储类型（文件存储、对象存储…）

名称	概念	应用场景
文件存储	文件存储是指将数据存储在文件中，通常是在硬盘或闪存等物理媒介上。文件存储是最常见的存储方式之一，它可以用于存储各种类型的数据，如文本、图像、音频和视频等。文件存储通常使用文件系统来管理数据，文件系统将数据组织成目录和文件的形式，以便用户可以方便地访问和管理数据。文件存储适用于需要频繁访问的数据，如操作系统文件、应用程序文件、日志文件等。	操作系统文件、应用程序文件、日志文件等
块存储	块存储是指将数据分成固定大小的块，并将这些块存储在不同的物理介质上。块存储通常使用独立的存储设备，如硬盘、闪存、光盘等，来存储数据块。块存储可以提供高效的数据访问和管理，因为块存储设备通常具有较高的数据传输速度和较低的访问延迟。块存储适用于需要高性能和高可靠性的应用场景，如数据库、虚拟化、云存储等。	数据库、虚拟化、云存储等
对象存储	对象存储是指将数据存储为对象的形式，每个对象包含数据、元数据和唯一的标识符。对象存储通常使用分布式存储系统来管理数据，这些系统将数据分散在不同的物理设备上，以提高数据可靠性和可扩展性。对象存储适用于需要存储大量非结构化数据的应用场景，如多媒体、大数据分析、备份和归档等。	多媒体、大数据分析、备份和归档等
行存储	行存储是指将数据按照行的方式存储在数据库中，每行数据都有自己的唯一标识符。行存储适用于需要频繁查询和更新的应用场景，如在线交易系统、社交媒体等。	在线交易系统、社交媒体等。
列存储	列存储是指将数据按照列的方式存储在数据库中，每列数据都有自己的唯一标识符。列存储适用于需要进行大数据分析和处理的应用场景，如数据仓库、业务智能等。	数据仓库、业务智能等