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1、Macrosan存储培训教材-存储基础知识,产品经理:王一帆,提纲,硬盘技术,硬盘的结构及主要技术,硬盘结构,主轴马达(Spindle Motor),磁头,基座(Base Plate),磁头停放区(Parking Zone),盘片(Media),传动部件,接口,容量：指硬盘能存储的数据量大小，以字节为基本单位单碟容量：硬盘都是由一个或几个盘片组成的，单碟容量就是指包括正反两面在内的单个盘片的总容量 转速：即主轴马达转动速度，单位为RPM（Round Per Minute)，即每分钟盘片转动圈数缓存：是硬盘控制器上的一块内存芯片，具有极快的存取速度，它是硬盘内部盘片和外部接口之间的缓冲器,常用指
2、标,硬盘的主要指标（一）,常用指标,平均访问时间：硬盘磁头找到目标数据所需的平均时间平均寻道时间：磁头寻找目标数据所在磁道所需的平均时间平均潜伏时间：当磁头移动到数据所在的磁道后，等待指定的数据扇区转动到磁头下方的时间数据传输率：内部数据传输率：数据从盘片表面传输到硬盘的缓存的速率外部数据传输率：数据从硬盘的缓存读出到外部总线的速率MTBF：MeanTimeBetweenFailure，平均无故障时间,硬盘的主要指标（二）,常用指标,：Self-Monitoring,Analysis and Reporting Technology，自监测、分析及报告技术，监测磁头、磁盘、马达、电路等部件，然
3、后根据得到的关于各部件运行情况与历史记录的数据进行分析、比较，根据需要会自动向用户发出警告TCQ：Tagged Command Queuing，标记命令队列NCQ：Native Command Queuing，本机命令队列，是SATA 规范支持的一种新的功能，支持NCQ的硬盘可以对指令进行排队（多达32条指令），重新编排指令执行次序，也可以立即执行指令，可提高硬盘的性能，减少CPU占用率Duty Cycle：指硬盘的工作负荷，定义为特定时间段内硬盘用于寻道、读/写操作的时间占总时间的百分比。100%即表示硬盘每天24小时不停在进行读写操作SCT：即S.M.A.R.T Command Trans
4、port，该技术在硬盘内部划出一部分扇区做为日志记录，分析SMART命令包含的状态信息，判断硬盘的工作状况从而调节负载（比如数据流量）来保证硬盘可靠性,硬盘的主要技术,硬盘的读写速度同硬盘的转速成正比更高的转速可缩短硬盘的实际读写时间硬盘缓存的大小直接影响硬盘的整体性能,转速和缓存对硬盘性能的影响,垂直磁记录,在硬盘目前所使用的水平记录技术下，存储容量离极限越来越近垂直磁记录技术有助于在保证记录质量的同时进一步提高存储密度,硬盘的种类及发展趋势,硬盘类型及接口,SAS,SATA,FC,SCSI,ATA/IDE,LC,SC,硬盘类型,接口视图,容量,FC硬盘,100GB,300GB,750GB,
5、1000GB,146GB,300GB,SAS硬盘,250GB,400GB,500GB,750GB,1TB,SATA硬盘,73GB,146GB,500GB,73GB,300GB,146GB,2007,SCSI硬盘,73GB,450GB,300GB,450GB,硬盘发展历史及趋势,2003,2004,2001,2008,2002,2008,2009,600GB,2009,600GB（6Gb/s）,2005,2TB,2009,硬盘接口发展趋势,SCSI-2 SCSI-3,FC-AL100MB/S perPort,FC-AL200MB/S perPort,Synchronous SCSI 5MB/s,
6、FastWide SCSI 10/20MB/s,Ultra SCSI20/40MB/s,Ultra2 SCSI40/80MB/s,Ultra160SCSI160MB/s,Ultra320 SCSI320/MB/s,SAS300MB/s per port,SATA SATA II,Serial ATA150MB/s,Serial ATA II300MB/s,FC-AL400MB/S perPort,串行,并行,SAS600MB/s per port,FC接口硬盘介绍,FC硬盘采用FC-AL(Fiber Channel Arbitrated Loop，光纤通道仲裁环)接口模式FC-AL是一种双端口
7、的串行存储接口,目前能够提供400MB/s速率FC-AL支持全双工工作方式FC-AL利用类似SATA/SAS所用的4芯连接，提供一种单环拓扑结构，一个控制器能访问126个硬盘,SATA接口硬盘介绍,SATA：Serial ATA(Serial AdvancedTechnologyAttachment)串行ATASATA采用串行方式进行数据传输，接口速率比IDE接口高，最低为150MB/s，并且第二代（SATA）300MB/s接口硬盘已经形成商用，规划内的最高速率可达600MB/sSATA硬盘采用点对点连接方式，支持热插拔，即插即用,SAS接口硬盘介绍,SAS(Serial Attached S
8、CSI)串行连接SCSI SAS是一种点对点、全双工、双端口的接口SAS专为满足高性能企业需求而设计，并且兼容SATA硬盘，为企业用户带来前所未有的灵活性,SAS技术优点,性能：SAS技术单通道可提供6.0Gb/s的传输率，采用SAS 4路宽端口技术，单条链路即可达24Gb/s；SAS技术本身也已规划到12Gb的速率兼容性：SAS连接器可以同时支持SATA和SAS硬盘可扩展性：通过Expander可以扩展到超过16000个设备支持世界范围唯一的设备ID号，提高了设备寻址能力支持更长距离的电缆，在无光纤传输能力的情况下，电缆长度可以到10米灵活性：SAS可以使用现有的SCSI命令集，保护企业现有
9、SCSI软件的投资，继承了SCSI的高可用性，并在SCSI命令排队方面进行了优化SAS完全承袭了SCSI的优势，采用串行技术性能得到进一步提升，同时还考虑了向下兼容SATA的问题，因此用户可以根据不同的需求和承受能力，灵活选择SAS和SATA进行组合来构建存储系统,硬盘各类接口间的对比,*SATA 接口硬盘支持NCQ，SATA 不支持,SSD（Solid State Disk）硬盘泛指由控制单元和固态存储单元（DRAM或Flash芯片）组成的存储设备，目前支持SATA、FC、SAS接口。VS.相比机械硬盘，SSD优点如下：数据存取速度快：在密集的IO读写和低延迟方面与传统硬盘对比性能优异；故障
10、率低：内部不存在任何机械部件，内部全部采用闪存芯片绿色环保：工作时静音，发热量小，散热快重量更轻：有利于移动设备的携带。,SSD硬盘介绍,SLC单层式储存,MLC多层式储存,10万次全写操作，每天350GB数据更新可使用5年 高可靠性，MTBF为2百万小时 高性能，读性能达到250MB/s，写性能130MB/s 重量87克左右，最大功耗2W,SSD分SLC和MLC两种，主要差别在于擦写次数和性能。,1万次全写操作，每天20GB数据更新可以使用5年 可靠性较低，MTBF为1.2百万小时 写性能较低，读性能250MB/s，写性能50MB/s 重量2.5寸87克左右，1.8寸40克左右，最大功耗2W
11、 容量一般比SLC要大近一倍,SSD的分类,存储的SafeCache空间,数据库环境,高性能集群系统的共享数据盘,SSD应用环境,目前SSD盘价格较高，容量较小，SSD目前更适合随机读比例较高，响应时间要求苛刻的应用场合，包括：,SSD应用环境,企业级硬盘与桌面级硬盘的区别,主要硬盘厂商,硬盘类型选择,硬盘常见问题答疑,1.FC硬盘接口速度比SAS硬盘快？,FC硬盘分两类，15000转（接口速度是4Gb/s）和10000转（接口速度是2Gb/s），我司使用的SAS/SATA硬盘接口速度是6Gb/s与15000转FC硬盘比较结构：磁盘转速是硬盘性能的关键指标，15000转SAS盘和FC盘，采用相
12、同的内部结构、相同的读写原理，磁盘本身具备相同的性能。唯一区别在于磁盘与外部系统连接的接口。正确认识速度：硬盘速度分为外部传输速率和内部传输速率，我们平时所说的4Gb/s、3Gb/s都是指外部传输速率。而实际上硬盘的性能瓶颈是内部传输速率，只要是15000转的硬盘（不管FC、SCSI或SAS），其内部传输速率最大都是1.2Gb/s左右，因此外部接口速度是4Gb/s或3Gb/s，对于性能来说区别都不大与10000转FC硬盘比较10000转的FC硬盘，无论是外部接口速率或是内部传输速率，都要逊于15000转SAS硬盘,2.SAS硬盘好在哪里？,SAS硬盘,SAS优势不在于磁盘本身，而在于通道技术和
13、协议设计,SAS硬盘应用领域更广泛,SAS已成为主流硬盘市场,SAS硬盘继承了SCSI技术，技术成熟,SAS接口兼容SATA硬盘,3、企业级硬盘发展趋势,29,FC硬盘(3.5寸)已经不再有新的产品型号,10/15K转硬盘全部都是SAS接口,7200K转的2.5寸硬盘是SAS/SATA接口,7200K转的3.5寸硬盘是SAS/SATA接口,SSD硬盘以2.5寸SAS为主，保留3.5寸FC,X,4.企业级SATA硬盘为何价格高,SATA硬盘分为企业级和桌面级两种，主要区别在于可靠性和性能优化方面，适用场合完全不同我司采用的是专用的企业级SATA硬盘，从硬盘厂家供货和我司存储出厂前进行了两级的严格
14、测试，将失效率降至最低，并提供免费三年保修，质量有保证。另外我司SATA硬盘的价格里还包括了用于热插拔的硬盘托架价格电脑市场甚至一些存储小厂商的SATA硬盘都是桌面级SATA硬盘，价格低，但是可靠性差，数据存储在这些硬盘上，风险大,提纲,RAID技术,RAID基本概念,RAID基本概念定义,RAID（Redundant Array of Independent Disks）即独立磁盘冗余阵列，RAID技术将多个单独的物理硬盘以不同的方式组合成一个逻辑硬盘，从而提高了硬盘的读写性能和数据安全性。根据不同的组合方式可以分为不同的RAID级别作用：提供专用服务器中接入多个磁盘时，以磁盘阵列方式组成一
15、个超大容量、响应速度快、可靠性高的存储子系统。,RAID组合方式级别扩展,同时采用两种不同的RAID方式还能组合成新的RAID级别,RAID出现原因,RAID基本概念 条带,分条,条带,硬盘0,硬盘2,硬盘1,硬盘3,RAID基本概念 校验,异或运算,P=A0 XOR A1,数据A0和A1通过异或运算进行奇偶校验得到校验位P,异或 XOR 的校验原理,A1,P,数据盘,数据盘,校验盘,RAID基本概念 重建（Rebuild）,数据盘,A1,P,A0,A1,P,XOR,故障,数据盘,校验盘,A2,A2,XOR,数据盘,更换,RAID基本概念RAID组状态,RAID组正常工作,RAID组降级,RA
16、ID组重建,RAID组创建,RAID组失效,RAID基本概念物理卷和逻辑卷,RAID10,RAID5,RAID由几个硬盘组成，从整体上看相当于一个物理卷在物理卷的基础上可以按照指定容量创建一个或多个逻辑卷，通过LUN（Logic Unit Number）来标识,物理卷,物理卷,逻辑卷,逻辑卷,单个物理卷上创建1个逻辑卷,单个物理卷上创建2个逻辑卷,LUN2,LUN3,RAID、逻辑卷的形成过程,物理磁盘,物理卷（RAID）,RAID、逻辑卷的形成过程,物理磁盘,逻辑卷,物理卷（RAID）,分割,主要RAID级别和特点,RAID级别 RAID 0,D,H,L,C,G,K,B,F,J,定义：RAI
17、D0即没有容错设计的条带硬盘阵列（Striped Disk Array without Fault Tolerance），以条带形式将RAID组的数据均匀分布在各个硬盘中,A,B,C,D,E,F,G,H,数据,A,E,I,RAID级别 RAID 0,RAID 0小结：,RAID级别 RAID 1,RAID 1 定义：RAID 1又称镜像（Mirror），数据同时一致写到主硬盘和镜像硬盘,E,D,C,B,A,E,D,C,B,A,A,B,C,D,E,=,数据,RAID级别 RAID 1,RAID 1小结：,RAID级别 RAID 3,定义：RAID 3即带有校验的并行数据传输阵列（Parallel
18、ed transfer with parity），数据条带化分布在数据盘中，同时使用专用校验硬盘存放校验数据,异或运算,数据盘,校验盘,A0,A1,A2,B0,B1,B2,C0,RAID级别 RAID 3,RAID 3小结：,RAID级别 RAID 5,定义：RAID 5与RAID 3机制类似，但校验数据均匀分布在各数据硬盘上，RAID成员硬盘上同时保存数据和校验信息，数据块和对应的校验信息保存在不同硬盘上。RAID 5是最常用的RAID方式之一,P4,A3,A2,A1,A0,B4,P3,B2,B1,B0,C4,C3,P2,C1,C0,D4,D3,D2,P1,D0,E4,E3,E2,E1,P0
19、,异或运算,A0,B0,C0,D0,A1,B1,C1,E1,A2,B2,D2,校验信息Px分布式存储,数据,RAID级别 RAID 5,RAID 5小结：,RAID级别 RAID 6,定义：RAID 6 是带有两个独立分布式奇偶校验方案的独立数据硬盘（Independent data disks with two independent distributed parity schemes）。广义上讲，能够允许两个硬盘同时失效的RAID级别统称为RAID 6，狭义上讲，特指Intel的RAID P+Q技术。硬盘空间利用率为(N-2)/N，N为RAID6阵列硬盘总数RAID 6技术：目前RAID
20、 6还没有统一的标准，各家公司的实现方式都有所不同：RAID P+Q：INTEL和HDS公司RAID DP：NetApp公司RAID ADG：HP公司,RAID级别 RAID 6原理示例,A1,A3,A2,A4,A7,A10,A8,A5,A9,A13,A6,A15,A11,A12,A16,异或运算,A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A9,横向校验盘中P1P4为各个数据盘中横向数据的校验信息例：P1=A1 XOR A2 XOR A3 XOR A4斜向校验盘中DP1DP4为各个数据盘及横向校验盘的斜向数据的校验信息例：DP1=A1 XOR A6 XOR A11 XOR A16,P1,P2,
21、P3,P4,横向校验盘,斜向校验盘,数据盘,A8,DP1,DP2,DP3,DP4,A14,DP5,RAID级别 RAID 6,RAID 6小结：,RAID组合级别 RAID 10,定义：RAID 10是将镜像和条带进行两级组合的RAID级别，第一级是RAID1镜像对，第二级为RAID 0。RAID10也是一种应用比较广泛的RAID级别。,A,B,C,D,E,F,G,H,A,A,C,B,B,C,D,D,E,E,F,F,G,G,H,H,RAID级别 RAID 10,RAID 10小结：,RAID组合级别 RAID 0+1,A,B,C,D,E,F,G,H,定义：RAID 0+1是将条带和镜像进行两级
22、组合的RAID级别，第一级是RAID 0，第二级为RAID 1。一般来说，RAID 0+1的失效概率要比RAID 10大，不过无硬盘故障下，RAID 0+1的读取速度要比RAID 10快,A,B,C,D,E,F,G,H,A,B,C,D,E,F,G,H,常用RAID比较,常用RAID选择,RAID硬盘失效处理-热备和热插拔,热备：HotSpare定义：当冗余的RAID组中某个硬盘失效时，在不干扰当前RAID系统的正常使用的情况下，用RAID系统中另外一个正常的备用硬盘自动顶替失效硬盘，及时保证RAID系统的冗余性全局式：备用硬盘为系统中所有的冗余RAID组共享专用式：备用硬盘为系统中某一组冗余R
23、AID组专用热插拔：HotSwap定义：在不影响系统正常运转的情况下，用正常的硬盘物理替换RAID系统中失效硬盘关键在于热插拔时电子器件的保护机制,全局热备示例,该热备盘由系统中两个RAID组共享，可自动顶替任何一个RAID中的一个失效硬盘,磁盘1,磁盘2,磁盘3,热备盘,磁盘4,磁盘5,磁盘6,RAID 5,RAID 5,磁盘阵列,专用热备示例,该热备盘由系统中指定RAID组专用，可自动顶替该指定RAID组中的一个失效硬盘,磁盘1,磁盘2,磁盘3,磁盘4,磁盘5,磁盘6,RAID 5,RAID 5,磁盘阵列,热备盘,提纲,磁盘阵列,磁盘阵列的组成和分类,磁盘阵列产生背景,磁盘的处理速度跟不上
24、CPU的增长速度磁盘的容量增长缓慢，跟不上存储的需求硬盘数量增加，单块硬盘发生故障的可能性越大,磁盘阵列的组成,磁盘阵列包括两大主要部件：控制器和磁盘柜控制器是磁盘阵列的“大脑”，主要部件为处理器和缓存，最先主要实现简单IO操作、RAID管理功能，随着技术发展，能够提供各种各样的数据管理功能，如快照、镜像、复制等磁盘柜包含了多块的磁盘，本身既没有处理器，也没有缓存，RAID及数据管理功能通过控制器实现,控制器,磁盘柜,磁盘电缆,常见磁盘阵列分类,按控制器数量单控制器阵列：如MS1000系列双控制器阵列：如MS5000系列JBOD：无控制器，通常用于扩展柜或者与主机端RAID结合使用按对外接口S
25、CSI阵列SAS阵列FC阵列iSCSI阵列,MS5000系列,阵列控制器缓存,控制器缓存工作模式,主机写入数据流,反馈写OK,Write-back回写,主机写入数据流,反馈写OK,Write-through直写,磁盘,控制器的缓存保护技术,Cache电池,阵列内置电池,三种常见控制器Cache保护设计,电池保护Cache+flash模块保护,内置电池+缓存降落技术保护控制器,外置UPS保护整机,阵列外置UPS,FLASH,控制器缓存镜像技术,1、主机数据写入缓存；,2、缓存数据进行异或运算，产生校验数据；,控制器缓存镜像技术,1、主机数据写入缓存；,2、缓存数据进行异或运算，产生校验数据；,3
26、、将校验数据添加到缓存；,控制器缓存镜像技术,1、主机数据写入缓存；,2、缓存数据进行异或运算，产生校验数据；,3、将校验数据添加到缓存；,4、将缓存数据复制到目标控制器；,5、目标控制器处理完数据和校验数据返回消息；,6、源控制器返回主机消息，操作完毕。,OK,阵列控制器带宽,76,DDRIII内存,DDRIII内存,.,Jasper多核处理器,SAS控制器,SAS Expander,PCIe x840Gb,SAS x424Gb,南桥,管理GE口,串口,指示灯,按键,SAS接口,SAS接口,SAS x424Gb,MS5000存储控制器,RAID引擎,DMI,9根,SATA Disk,SAS
27、Disk,SSD Disk,磁盘类型,256Gb,1Gb iSCSI,10Gb iSCSI,10Gb FCoE,8Gb FC,IO模块(IOH),QPI,IO Slot,IO Slot,PCIe x8 40Gb,100Gb,主机通道,PCI-E 2.0总线单通道带宽5.0Gb，前/后端接口及缓存镜像采用PCIe x8，带宽达到40GbSAS2.0技术单通道带宽6.0Gb，每控制器两个四通道SAS宽端口，带宽达到48Gb支持15,000/10,000/7,200rpmSAS磁盘，兼容高性能SSD盘 端到端性能匹配！,提纲,存储架构,DAS-直连式存储,是直接连接于主机服务器的一种储存方式；每一台
28、主机服务器有独立的储存设备,每台主机服务器的储存设备无法互通,需要跨主机存取资料时,必须经过相对复杂的设定；若主机服务器分属不同的操作系统,要存取彼此的资料,更是复杂,有些系统甚至不能存取；,LAN,CLIENTS,SERVER,NAS-网络连接存储,NAS（Network Attached Storage网络连接存储）即将存储设备通过标准的网络拓扑结构(例如以太网)，连接到一群计算机上。,优点系统无关-可用于混合Unix/Windows 局域网内简便的安装与管理 物理位置灵活优化的系统,应用：邮件服务器、跨平台与数据共享、数据存储、电子商务应用、图书资料管理部门、档案文献馆,缺点：不能应用于
29、结构化数据存储（数据库）,SAN=Storage Area Network(存储区域网络)是一种基于光网的特殊的后台数据存取网络提供了一个性能稳定的数据高速存取平台提供了一个高扩展性的数据安全基础平台,SAN(存储区域网络),客户机,LAN(局域网),广域网,存储区域网（第二网）,存储区域网=第二网“存储区域网”是一个由智能交换机构（网络交换机OR光纤交换机）组成并具有良好系统设计的高智能网络,这一数据网络可以提供企业级的性能,扩展能力,可管理能力,可靠性和可用能力,服务器,存储子系统,第一网,SAN（存储区域网）,主流存储架构的比较,主机访问存储的层次,分区,LUN 0,信 息,存 储,Q&A,
