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1、信息存储与管理,直连存储和SCSI介绍,主讲人：储王伟,第五讲,主要内容,存储设备的发展历史直连存储DAS磁盘驱动器接口协议SCSI体系结构与编址,存储设备的发展史,时代的发展，科技的进步造就了当今的社会，而存储器的百年发展也同样的惊人的，从最初的打孔机到现在的蓝光DVD和固态硬盘，存储器每一步的发展都留下了坚实 的脚印。下面就让我们寻着这条脚印再来回顾下它的发展史。相对最早期的打孔纸卡以及穿孔纸带都以离我们太久远，不妨让我们 从磁带开始回忆吧。,大型磁带记录盘式磁带,在1950年代，IBM最早把盘式磁带用在数据存储上。因为一卷磁带可以代替1万张打孔纸卡，于是它马上获得了成功，成为直到80年代
2、之前最为普及的计算 机存储设备。在80年代末的时候，大家都聚在一起看老电影，当时看待巨大的圆盘来回转，这就是盘式磁带，现在磁带的最大容量已经达到1TB。,最珍贵的回忆盒式录音磁带,盒式录音磁带应该是80年代人，小时候珍贵的记忆之一。它显然也是磁带的一种，可是它实在是太普及了，所以要专门说一下。这是飞利浦公司在1963年发明的，可是直到1970年代才开始流行开来。,一些计算机，ZX Spectrum,Commodore 64和Amstrad CPC使用它来存储数据。一盘90分钟的录音磁带，在每一面（记得录音磁带是可以翻面的吗）可以存储700KB到1M的数据。现在的一张DVD9光盘，可 以保存45
3、00张这样磁带的数据，如果现在要把这些数据全部读出来，那要整整播放281天。,超长的存储设备磁鼓,一支磁鼓有12英寸长，一分钟可以转1万2千5百转。它在IBM 650系列计算机中被当成主存储器，每支可以保存1万个字符（不到10K）。,软盘的鼻祖8英寸软盘,软盘是个人计算机（PC）中作为一种可移贮存硬件，它是用于那些需要被物理移动的小文件的理想选择。软盘有八寸、五又四分一寸、三寸半之分。当中又分为硬 磁区Hard-sectored 及软磁区Soft-Sectored。软式磁盘驱动器则称FDD，软盘片是覆盖磁性涂料的塑料片。,在60年代末70年代初期，IBM推出的全球第一台PC，是计算机业里程碑似
4、的革命性的飞跃。但是IBM的System370计算机面临这样一个问题，就 是这种计算机的操作指令存储在半导体内存中，一旦计算机关机，指令便会被抹去。于是在1967年，IBM的SanJose实验室的存储小组受命开发一种廉 价的设备，为大型机处理器和控制单元保存和传送微代码。这种设备成本必须在5美元以下，以便易于更换，而且必须携带方便，于是软盘的研制之路开始了。4年后又推出一种直径8英寸的表面涂有金属氧化物的塑料质磁盘，发明者是艾伦舒加特（Alan Shugart，后离开IBM创办了希捷seagate公司），这就是我们常说的软盘标准“软盘”的父辈，最大容量1.2MB。,5.25英寸软盘和餐巾,8英
5、寸/5.25英寸/3.5英寸对比,8英寸的软盘虽然从技术原理上已经很接近现代软盘，但缺陷就是体积过大，携带很不方便，于是5.25英寸的软盘诞生了。这里5.25英寸软盘的发明还有一个小故事，美国王安电脑公司当时打算发布用于字处理的计算机，感到8英寸的软盘太大，于是开始与ShugartAssociates公司合作生产小一点的磁盘。一天晚上，在波士顿一家昏暗的酒吧中，他们最后一致同意采用某种尺寸的软盘，这种尺寸就是餐桌上的一块鸡尾酒餐巾的尺寸，它的大小恰好是5.25英寸。从此这种软盘成为电脑的最佳移动存储设备，容量也达到360K。5.25英寸软盘一直持续到90年代，后来终于被另一种体积更小、容量更大
6、的产品替代了，那就是3.5英寸软盘，最大容量1.2MB。,大行其道的3.5英寸软盘,5.25英寸的软盘有很多缺点，比如软盘采用的外包装比较脆弱，容易损坏，体积也比较大。新一代软盘的开发被日本的索尼公司拔得头筹。1980年，索尼公司率先推出体积更 小、容量更大的3.5英寸软驱和软盘，不过刚推出的时候在当时并没有被一些主要PC厂家所接受，市面上流行的依旧是5.25英寸的软盘。,直到1987年4月，IBM推出基于386的IBM Personal System/2（PS/2）个人电脑系列，正式配置了3.5英寸的软驱后，这才引起了很多人的注意。大家都被这种体积更为小巧、容量却是5.25英寸软 盘的几倍的
7、新软盘所吸引，从那时起，在IBM、康柏为代表的厂商极力推崇下，这种3.5英寸的软盘开始大行其道，3.5寸软盘以其便宜的价格、相对巨大的 存储量（1.44M，百万级字节存储量）很快全面占领市场，而3.5英寸软盘驱动器也开始正式取代5英寸的软驱成为PC的标准配置，走向了它一生中最辉煌 的时期。这一绝对的垄断地位持续了十几年，一直到2002年，最大容量1.44MB。,第一张视频光盘LD光盘,图中大的是LD盘，小的是普通5寸光盘,1958年就发明光盘技术了，可是直到1972年，第一张视频光盘才问世，6年后的1978年它开始在市场上卖。那个时候的光盘是只读的，虽然不能写，但是能够保存达到VHS录像机水准
8、的视频，使得它很有吸引力。,CD全称：COMPACT DISC（激光唱片，光盘）,CD代表小型镭射盘，最大容量700MB。1982年8月31日，SONYCBSSONY荷兰飞利浦与POLYGRAM四家公司共同举办了CD这个数字录音格式的发布会，并决定从秋季起开始在日本发售。直径仅仅12cm，利用数字信号录音，只要一个按钮就可执行选曲，能够半永久的使用，CD实现了许多乐迷的梦想。是年10月1日，SONY推出了第一台 CD机CDP-101。16万8,000日圆的价格，对一般消费者而言是很难接受的。不过只要想到里面的技术与开发时间，能做成商品的确是一个奇迹。进入 1983年后，其它公司的CD机也相继上
9、市，销售形势一片大好。但是，大家看到了，由于网络下载、mp3的出现，现在的CD也已经没落。,磁光盘又叫MO光盘,MO全称Magneto-Optical Disk，即磁光盘的意思。1991年第一张MO盘就已经开始发行，它具有体积小，不用安装驱动程序，容量大等优点。但最终受到价格因素制约，没能在个人 用户中普及开来。可是凭着超高的安全性和稳定性，目前仍有不少科研、政府机构或是苹果机使用比较多的广告公司仍在使用。最大容量可达9.1GB，普遍应用于电子邮件存储，医疗图像传送与保存，声音记录，金融记录存储。,采用红外激光DVD光盘,DVD是使用了不同激光技术的CD，它采用了780纳米的红外激光（标准CD
10、则采用625650纳米的红色激光），这种激光技术使得DVD可以在同样的面积中保存更多的数据。一张双层DVD容量可达8.5GB。,最先进存储蓝光DVD、HD-DVD,现在最引人瞩目的，是蓝光DVD和HD-DVD这两种竞争的光盘技术。蓝色激光使得存储的容量进一步增长，目前看起来，好像蓝光DVD更流行一些。不过如 果我们目光放更长远一些，也许一种被称为“Holographic Versatile Disc”的光盘，可以提供比蓝光DVD大160倍的容量高达3.9TB，相当于保存4600到11900小时的MPEG4格式的电影。,蓝光光盘不算什么300G全息光盘,InPhase Technologies公
11、司日前宣布已经开始量产并销售全息存储驱动器和300GB容量的全息光盘(HVD)，其中驱动器“Tapestry HDS-300R”要价18000美元，300GB容量的全息光盘也高达180美元。目前主要的客户是政府机构和大型企业。,InPhase在2005年4月就实现了200Gbit/平方英寸的存储密度，06年初它们则宣布了，存储密度达到了515Gbit/平方英寸，容量可达 360GB全息光盘。这一存储密度已经远远超过了包含硬盘在内的现所有存储媒体（目前实验室里硬盘单碟最高为345Gbit/平方英寸）。,双光子3D技术12cm光盘存储1TB,美国Call/Recall公司称，它们已经成功开发并测试
12、了TB级光盘。TB级光盘采用双光子吸收3D技术，利用双光子吸收现象进行记录时，由于能够抑制上下记录层之间的干涉（串扰），因此在多层记录 时便于通过缩小层间隔来提高记录密度。,最普遍用到的存储产品U盘与移动硬盘,全称“USB闪存盘”，英文名“USB flash disk”。U盘的称呼最早来源于朗科公司生产的一种新型存储设备，名曰“优盘”，使用USB接口进行连接。而之后生产的类似技术的设备由于朗科已进行专利注册，而不能再称之为“优盘”，而改称谐音的“U 盘”。发展至今，他已经成为人手必备之物，与人们生活工作密不可分，最大容量256GB。,顾名思义是以硬盘为存储介制，计算机之间交换大容量数据，强调便
13、携性的存储产品。目前市场上绝大多数的移动硬盘都是以标准硬盘为基础的，而只有很少部分的 是以微型硬盘(1.8英寸硬盘等)，但价格因素决定着主流移动硬盘还是以标准笔记本硬盘为基础。因为采用硬盘为存储介制，因此移动硬盘在数据的读写模式与 标准IDE硬盘是相同的。移动硬盘多采用USB、IEEE1394等传输速度较快的接口，可以较高的速度与系统进行数据传输。目前主流2.5英寸品牌移动 硬盘的读取速度约为15-25MB/s,写入速度约为8-15MB/s，最大容量2TB。,新一代存储新秀卡片存储设备,SD卡 即Secure Digital Card卡，是一种基于半导体快闪记忆器的记忆设备，在数码相机、多媒体
14、播放器等便携式数码产品上被广泛使用。SD卡看上去只有邮票大小，重量只有2克，但却拥有高 忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。SDHC卡 SDHC是“High Capacity SD Memory Card”的缩写，也就是“高容量SD存储卡”。作为SD卡的继任者，SDHC主要特征在于文件各式从以前的FAT12、FAT16提升到了FAT32，而且最高支持32GB。,CF卡 CF卡：（Compact Flash）具有PCMCIA-ATA功能，并与之兼容；CF卡重量只有14g，仅纸板火柴般大小（43mm 36m m3.3mm），是一种固态产品，也就是工作时没有运动部件。大多数数码
15、相机选择CF卡作为其首选存储介质。,双光子3D技术12cm光盘存储1TB,MMC卡 MMC卡：（MultiMedia Card）MMC的发展目标主要是针对数码影像、音乐、手机、PDA、电子书、玩具等产品，其尺寸只有32mm 24mm 1.4mm。TF卡 TF卡：（microSD）是一种超小型卡（11mm15mm1mm），约为SD卡的1/4，可以算目前最小的储存卡了。TF卡可经SD卡转换器后，当SD卡使用。利用适配器可以在使用SD作为存储介质的设备上使用。,今日存储霸主 首款硬盘诞生,在20世纪50年代中期，虽然之前人们已经在使用打孔卡和磁带进行数据的存储，但是要想在上述存储介质上查找某个数据却
16、非常困难，往往需要数小时的时间，就是因为这些存储产品采用的是顺序存取技术。而那些被昵称为“牛仔”的IBM实验室的技术人员一个十分单纯的想法就是，找到一种随机存取的方 法，加快数据的存取速度。4年之后，他们终于宣布开发出了一种将对全 球计算领域产生重大影响的产品，那就是统计控制随机存取法（Random Access Method for Accounting Control，RAMAC）”。这款商用磁盘存储系统就是RAMAC 305，有两个冰箱那么宽，内部安装了50个直径两英尺的磁盘，重量约1吨，当时可以存储“惊人”的500万个字符(5MB)。,60至70年代的主宰比微波炉还大的硬盘,时间转移到
17、1962年，这时已经是14英寸的硬盘占据市场的统治地位，直到70年代中期，14英寸硬盘几乎占据了全部硬盘市场，几乎所有这些设备都出售给大型计算机制造商。那个时候那种大型硬盘也并不是普通用户能消费的起的，而且容量不过百兆左右。左面的照片就是最近到本网站的14吋硬盘，我们将它和一个可乐罐做对比，可以明显看出他的体积有多庞大，其实真正的它要比一个微波炉都大。可想那个时代的计算机体型会是一个什么样子，不过到了70年代末期，8英寸硬盘就已经诞生，体积也相应减小了不少。,苦苦挣扎终成正果!8英寸硬盘发展不易,1978-1980年，更小的8英寸驱动器被开发出来，其中包括Shugart Assaciates、
18、Micropolis、priam和昆腾这些老牌硬盘厂商，不过容量仅为10M、20M、30M以及40M，相比14英寸硬盘而言 要小了很多，所以这种型号受到了当时只需要大容量硬盘的大型计算机制造商的冷落，因此这些8英寸型号的市场新入者将他们的创新性硬盘投入新的应用：小型计算机。,80年首款5.25英寸硬盘诞生,时间转到了1980年，硬盘的体积终于又出现了变化，下面这款就是世界第一台5.25英寸硬盘驱动器ST-506，作为首款真正面向台式机的硬 盘，5.25吋的出现势必具有其特殊的意义，对于许多80后的电脑玩家来说，所接触到的第一块电脑硬盘大部分是5.25英寸开始的，虽然它的容量仅有 5MB，但它的
19、出现却带动了一个时代。,谁曾想现在的霸主3.5英寸曾被厂商放弃,时隔四年，到了1984年，一家苏格兰企业Rodime首先开发出了3.5吋硬盘，相信当时谁也没有料到，这个尺寸现在会成就如此伟大的时代，因为就如同 8英寸硬盘出世之初一样，3.5英寸结构硬盘在一开始推出时根本不被重视，其原因也是因为成本高而容量太小，难以满足人们的需求，到了88年为止，也仅有到一半的硬盘厂商开始生产3.5英寸硬盘。,直连存储DAS,定义：直连存储(Direct-Attached Storage,DAS)是一种存储器直接连接到服务器的架构。主机内部的磁盘，磁带库和直接连接的外部磁盘组，都是DAS的实例。DAS架构仍是少
20、量服务器访问和共享本地数据的理想方案，DAS适合小型企业、部门、个人，也可以作为中型企业的文件服务器和邮件服务器，以及大型企业SAN和NAS的辅助。分类：1，内置DAS：存储设备通过串行或并行总线 连接到主机。2，外置DAS：服务器直接连接到外部存储设备，之间采用SCSI或FC协议进行通信。,DAS的优缺点,DAS的优点：相对其他存储架构，只需较低的前期投资简单快捷的部署，基于主机操作系统便可安装管理设置操作的软硬件少，管理任务少DAS的缺点：不易扩展。有限的端口和带宽限制了存储设备数量和I/O处理能力。无法优化资源使用。未被使用的资源不能方便的重新分配，导致过载或欠载的孤立存储池。对服务器的
21、依赖性比较强，对其性能要求也比较高。,磁盘驱动器接口,上一讲中，有介绍硬盘的接口 IDE/ATA SATA SAS SCSI FCIDE/ATA、SATA、SAS、SCSI、FC都是主机与存储设备通信的预定义协议，它们都集成在硬盘驱动器的控制器上。,IDE/ATA,集成电路设备/高级技术(Integrated Device Electronic/Adwanced Technology Attachment,IDE/ATA)磁盘支持IDE协议。IDE协议定义了连接到主板上控制器的规范。ATA协议规定了存储设备到主板的连接接口。IDE/ATA拥有多种标准和命名，如ATA、ATA/ATAPI、EID
22、E、ATA-2、Fast ATA、ATA-3、UltraATA以及Ulrea DMA等，最新的支持133MB/s的吞吐率。IDE/ATA磁盘性能良好且价格低廉，成为很受欢迎并被广泛使用的硬盘。,SATA,SATA(Serial ATA)是IDE/ATA规范的一个串行版本，目的是取代ATA技术。SATA很大的特点就是它支持热插拔。SATA提供点对点，距离可达1米的连接，数据传输率可达150MB/s，增强的甚至可达600MB/s。SATA总线使用小型的7针连接器和细缆进行连接，一个SATA端口使用4个信号针脚，与并行的ATA相比，大大提高了针脚的利用率。,SAS,一：串行SCSI(Serial A
23、ttached SCSI,SAS)是在SCSI Ultra320发展后的版本，使用SCSI指令进行通信，并与SATA的针脚相兼容。支持3Gb/s的数据传输率，支持双端口，全双工，设备寻址。通过扩展甚至可以连接多个设备。这对于需要高速度磁盘存储的高端服务器来说是个很好的选择。,SCSI及其演化,并行SCSI(简称SCSI)，是一种最早期和最流行的主机存储器接口模式，是一套外围设备与计算机进行连接和数据传输的标准。通信使用的是SCSI指令集。今天，SCSI已经作为一种广泛使用的硬盘接口。然而，SCSI还可以用于增加其他设备，例如磁带驱动器和光媒介驱动器，而且不需修改系统的硬件或软件。SCSI-1S
24、CSI-1只是为了与其他SCSI版本区别而重新命名，实际上就是最原始的经ANSI批准通过的标准。SCSI-1定义了第一个SCSI总线的基础规范，包括线缆长度、信号特性、指令和传输模式。SCSI-1设备只支持单端的传输和被动终端。SCSI-1使用一个窄口的8位总线，提供的数据传输率最大为5MB/s。SCSI-2为了解决SCSI-1的非标准实现引起的问题，SCSI-2被定义为SCSI设备的一套标准指令。这套标准称为“通用指令集（Common Command Set，CCS）”。SCSI-2专注于提高性能和增强可靠性以及在SCSI-1接口上增加额外的特性，除此之外，它还标准化和规范化了SCSI的指令
25、。SCSI-3在1993年，发展下一代SCSI标准版本的工作开始进行，称为SCSI-3。不同于SCSI-2，SCSI-3标准文档包含了不同的但又有所关联的许多标准，而不只是一份大型的标准文档。,IDE/ATA与SCSI的对比,SCSI各阶段对比,SCSI-3协议的架构,SCSI-3指令协议：这包含了对于所有设备来说最主要的指令，同时也包括特定设备的指令，即对给定类别的设备来说是唯一的。传输层协议：这是一套设备间通信和共享信息的标准集规则。物理层互连：这是关于接口的一些细节，例如电子信号方法和数据传输模式等。,SCSI通信的客户服务器模型,一个SCSI发起方，或者说一个客户，发送一个请求给SCS
26、I目标方或者说一个服务器。然后这个目标方执行任务请求，并且使用协议服务接口发送输出信息给发起方。一个SCSI目标方设备包含一个或多个逻辑单元。逻辑单元处理SCSI 发起方发送过来的指令。一个逻辑单元包含两个部件：一个设备服务器和一个任务管理器。设备服务器确定客户请求，任务管理器执行管理功能。,SCSI端口,SCSI端口是SCSI的连接SCSI线缆的物理连接器，用于SCSI设备的数据通信。一个SCSI设备可以包含目标端口、发起端口和目标/发起端口或带多端口的目标端口,SCSI通信模型,与OSI七层模型很相似。SCSI应用层(SCSI application layer,SAL)包含客户端和服务端
27、的应用程序，通过SCSI应用程序协议发起和处理SCSI的I/O操作。SCSI传输层协议(sCSI transport layer,STPL)包含发起方和目标方通信的服务和协议。互连层，这一层实现了目标方和发起方之间的数据传输。,并行SCSI编址,在并行SCSI发起方-目标方的通信中，发起方ID唯一标识了发起方，并且被用作初始地址。这个ID在0到15的范围内，通常0到7是最常用的。一个目标方ID唯一确定了一个目标方，并且被用于与发起方交换指令和状态信息。目标方ID在0到15的范围内。,SCSI指令模型1：CDB结构,CDB(Command Description Block)：发起方使用CDB结
28、构发送指令到目标方。CDB定义了与发起方请求相关的，会被设备服务器执行的操作。CDB包含了1个字节的操作码，后接5个或更多字节的特定指令参数，结尾是1个字节的控制字段。指令规定小于等于16个字节。而CDB的长度会根据不同的指令及其参数而改变。,SCSI指令模型2：操作码,操作码包含分组码字段和指令码字段，分组码字段是一个3比特的字段。指令码字段是一个5比特的字段，允许每个分组有32个指令码，一共有256个可用的操作码。但是，只有60个不同的SCSI指令用于发起方和目标方之间的通信。,SCSI指令模型3：控制字段和状态码,控制字段是一个1字节的字段，是CDB的最后一个字节。控制字段实现了标准自动
29、应急处理（normal auto contingent allegiance，NACA）和链接比特。控制字段结构如下图所示。,状态码：在指令执行之后，逻辑单元发送状态和标记给客户应用程序。这个状态（除INTERMEDIATE和INTERMEDIATE-CONDITION MET）都表示一个任务的终结。,本讲小结,回顾了存储设备的发展历史介绍了DAS的特点和应用对存储设备各类接口协议进行了介绍介绍了SCSI的演变以及架构和编址 DAS拥有几个优势，如简便、容易配置和管理等，但它在可扩展性和可用性方面的局限限制了其在企业存储解决方案中的应用。由于DAS的局限性，企业更偏好于使用SAN和NAS，我们将在后面学习SAN和NAS。,存储区域网络,储王伟,下一讲,第六讲,
