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1、数据存储及解决方案,华中科技大学信息存储系统武汉 430074,三种基本的信息操作,处理 传输 存储,基本定义,处理：对信息进行变化和加工传输：信息跨越空间的传播存储：信息跨越时间的传播 存储是信息技术的三大基石之一（被我国忽略的领域）,对人类文明的重要性,处理：产生知识通讯：传播知识存储：积累知识,数字信息学的,科学基础（力学：牛顿定律)(电学：麦克斯韦方程）(数字信息学：？）,最基本的理论：图灵机,希尔伯特问：存不存在一个解决所有数学问题的一般算法？图灵答道：有！图灵理论的俗解：如果不考虑时间，只要按某种规律对bit进行处理、传输、存储三种简单操作，就能在理论上解决任何数学计算问题！图灵机
2、模型主要是针对计算的，但存储和通讯隐含在其中这个理论指明了bit的强大功能，也包含了计算机的设计思想,第二层的理论：信息论关于信息时空传播的理论,在通讯和存储两个领域工作过的人都会发现，他们涉及的问题竟然如此类似通讯的编码理论完全可以用于存储通讯：信源编码，信道编码存储：纠错编码，调制编码，磁盘阵列的容错原理加密理论、信息的压缩原理对通讯和存储是一样的本质的道理：通讯和存储都是信息的传播，差别在于：一个跨越空间，一个跨越时间原来信息论适用于信息的传播！在空间和时间上，他们遵从一样的原理！,三位一体的数字信息学理论,图灵机主要是针对计算的，但隐含了通讯和存储信息论主要是针对通讯和存储的，但隐含了
3、计算处理、传输、存储在理论上是三位一体的，缺一不可上述理论解决了数字信息学的全部？NO!,硬件发展的6个规律,1 Moore定律：微处理器内晶体管数每十八个月翻一番；2 Bell定律：如果保持计算能力不变，微处理器的价格每十八个月减少一半；3 Gilder定律：未来25年（1996年与预言）里，主干网的带宽将每6个月增加一倍；4 Metcalfe定律：网络价值同网络用户数的平方成正比。5.半导体存储器发展规律：DRAM的密度每年增加60%，每三年翻四倍。6。硬盘存储技术发展规律：硬盘的密度每年增加约一倍,后PC时代的计算-普适计算Pervasive Computing,后PC时代计算机发展的特
4、点：1.无所不在的含有智能的小装置；2.支持服务的后台服务器和巨型计算机,对应于后PC时代两极分化的存储,移动存储：Flash,微硬盘，微光盘企业级海量存储,数据存储的基本问题,当一切信息都转换为数字，问题就产生了,典型的存储容量需求挑战,从现在起的18个月内,新的存储量等于有史以来老的存储量之和!1998年图灵奖获得者Jim Gray,容量问题和新摩尔定理,从现在起，每18个月,新增的存储量等于有史以来存储量之和!1998年图灵奖获得者Jim Gray,70s80s90s00s10s,数据信息爆炸式增长,存储的前沿,半导体存储：RAM,ROM,FLASH 的高速发展目前硬盘存储：100GB2
5、万转/分实验室水平：一道一G,第一爆发点：单机多媒体第二爆发点：Internet 第三爆发点:宽带(目前）第四爆发点：空间影像和虚拟现实普遍应用,空间影像,另一种模式：不断的增长,即使处理、传输能力固定不变，随着数据不断产生，存储能力也需要动态单调地增加。（水泵、水管、水桶的比喻）处理和传输速度越高，容量的增加的梯度就越高，这就是存储系统的不断扩展特性。结论：无限的容量需求和动态扩展需求,容量问题的解决途径,1.减小bit位元尺度，提高密度 采用各种物理原理和现象减小位元 磁（翻转尺寸）、光(光点大小）、电（线宽）、生物、量子 密度：道密度、面密度、体密度2.建立存储系统，用“砖头”构造“大厦
6、”,单个硬盘的技术进展的进展,硬盘是最重要的大容量存储设备，50年代由IBM发明以来密度增加了1，000，000倍，到目前为止，还没有找到能与之竞争的对手最近的密度超过100Gb/in2，主要技术：超低飞行磁头10nm，加钌超稳定介质，PRML读通道，光磁混合纪录，垂直磁记录,硬盘的进展-密、快、小、廉,硬盘的分类,1.用于服务器的硬盘：高容量、高速度2.用于桌上机的硬盘：主流容量、速度、低价格3.用于笔记本电脑的硬盘：小体积、低功耗4.用于手持式设备的硬盘：微硬盘Microdrive,四类硬盘的规格指标,不同尺寸的硬盘,密度的进展,密度与技术,IBM微硬盘 Microdrive,应用领域移动
7、计算数码相机、数码摄像机,磁头的进展,可换式存储,软盘：1.44MB 顽强的生命力高密度软盘：Zip 100/200MB(IOMAG)LS-120(兼容1.44)HiFD-200(兼容1.44)磁光盘（MO）：1.3GB/650MB/230MBCD-R/W,DVD-RW,DVD-RAM只读光盘：CD-ROM，DVD-ROM,闪存（Flash memory)移动存储的新星,各种规格SmartMediaCompactFlashMemory Stick(SONY)PCMCIA接口USB接口-Easedisk、Netech,光存储的进展,目前：CD-ROM,DVD-ROM,DVD机 DVD-RW(DV
8、R)最近要产品化的技术：向高密度进军 蓝光DVD,HD-DVD 多层多阶光存储 近场光存储 全息光存储,存储的前沿,半导体存储：RAM,ROM,FLASH 的高速发展目前硬盘存储：100GB2万转/分实验室水平：一道一G,存储系统用“砖头”构建的大厦,正如无论多快的单处理器无法满足超级计算的要求一样，无论多大的单个硬盘也无法满足网络存储和企业存储的需要,存储系统的技术发展思路（处理与存储的对比）,单处理器-多处理器-多计算机-网格硬盘-阵列-存储网-数据网格由软件和硬件共同实现,磁盘阵列（多个硬盘）,容量、速度、可用性,Storage Area Networks（SAN）存域网结构图,系统结构
9、必须和软件相配合,存储虚拟化软件（单一逻辑映像）存储资源管理软件（容量、级别，性能）存储备份、数据迁移软件,可靠性和可用性问题当关键信息转换为数据时，数据成为最宝贵的财富,对很多领域，数据是比硬件设备宝贵得多的资源:银行、电信、保险、电子商务、网站、企业信息,数据物理安全：存储最重要,处理部件、传输部件损坏：损失有限，更换可恢复存储部件损坏：数据丢失！巨大的损失！两个亲身经历的例子：同济医院信息系统，广东石龙医院火灾建筑行业一定有安全系数，80%的信息系统没有安全系数！,三种级别的可用性,1.数据不丢失（最起码的要求）2.系统不停机（724服务的保障）3.性能不下降（优质服务的保障）解决可用性
10、问题的典型途径：冗余（双机，网络RAID)备份（磁带、光盘、硬盘）,解决可用性的新思路,具有耗散结构的存储系统借鉴生物系统原理：心脏之所以保证数十年的可用性，不是因为材料特别好，而是因为新陈代谢UCB的ISTORE华中科技大学的进化存储系统,性能问题：瓶颈的转移 应用的转移,共享处理机,共享存储器里的数据Make the common case fast!,网站的存储：几十万用户同时点击到一个站点去获得海量存储系统中的信息。WWW:world wide web 变为world wide wait,解决性能问题的8条途径,1.Cache 技术，RAM-DISK,RAM-RAID RAID-TAP
11、E(HSM)2.高速I/O通道:SCSI(160-320),FC(1-2-4G)SATA(150-300),IP(1-10G)3.聚合带宽（并行技术）：多主机-单存储，单主机-多存储4.改变工作方式：基于磁盘的系统，随机小写与连续大写性能差100倍，变小写为大写5.提高协议效率：FC vs iSCSI6.采用就近原则7.PTP对等存储原理8.第三方直接传输,解决性能问题的新思路,对现状的观察（1）硬盘每年的容量和性能都在提高（2）现有的RAID系统，换了一个硬盘之后整体性能没有提高（3）越用性能越差,管理复杂性问题,异构的存储系统规模越来越大系统越来越难以管理，人为错误越来越多管理成本越来越高
12、，管理成本超过设备成本,管理复杂性的解决途径,原因：目前的存储设备都是被动的，对设备的管理都在上层进行，面对异构的多种存储设备和异构的互联网络，管理软件都要适应，造成复杂性日益增加解决途径：基于对象的存储系统，主动存储 CMU提出OBD,SNIA提出标准 存储对象：包括数据和对数据的操作 管理下移，使存储设备包含更多的智能 标准的对外接口和描述 管理大为简化,数据生命周期问题,一切都存下来，不是一个好的办法无限扩大容量，成本无谓增加管理和保存无用的数据，是巨大的浪费无用信息干扰当前信息存取的性能 解决途径：向大脑学习遗忘机制 重要的信息深层记忆，不重要的浅层记忆，无用的信息忘掉,结论,处理、传输、存储是信息技术的三大基石存储是信息跨越时间的传播只要对数字进行操作，就能解决一切信息问题信息论是信息时空传播的共同理论基础硬件是数字操作机（只有三种简单操作：处理、存储、传输）软件是思想和内容的数字化 存储系统的基本问题有容量、可用性、性能、管理复杂性、数据生命周期等，它们都有各自的解决途径,结束语,PC热-网络热-存储热，国际IT业的第三次热潮和淘金机会IT设施的投资花在存储系统上我国的海量存储系统几乎全部进口十年前的通讯市场和目前的存储市场十分相似谁是存储领域的联想、华为？我国的标志性成果：10万亿次超级计算机，万兆路由和交换，存储没有等量级的标志性成果,
