计算机硬件概论外存储系统

第4章外存储系统

大容量、高性能、安全可靠性和可扩展性成为当前外存储系统新的特征。为了满足应用的需求，除了标准的硬盘、光盘、磁带等外存储设备外，近十年来还出现了磁盘阵列（RAID）、附网存储(NAS)、存储区域网(SAN)等适应于网络环境的新的存储系统。4.1磁存储设备 磁存储设备是外存储系统的主力设备，主要包括硬盘、软盘、磁带等磁表面存储器。它们是利用一层亚微米量级的表面磁介质作为记录信息的媒体，以磁介质的两种不同剩磁状态或不同剩磁方向变化的规律来表示二进制数字信息，磁表面存储器的信息记录和输出过程都是电、磁信息转换的过程，是通过磁头和运动着的磁介质来实现的。图4.1数据写入和读出的交换原理 在磁表面存储器中，二进制数字信息的写入操作是按照特定的磁记录方式进行的。记录方式又称编码方式，主要记录的方式有：未经编码的记录方式、按位编码的记录方式、成组编码的记录方式、游程长度受限方式。未经编码的记录方式可分为：归零方式（RE）、不归零方式（NRE）、改进型的不归零方式（NREI）； 按位编码的记录方式可分为：调频制记录方式（FM）、改进型的调频制记录方式（MFM）、调相制记录方式（PE）；成组编码记录方式可分为：GCR（4/5）编码方式、三单元调制码（3PM）方式；游程长度受限方式限制数据系列中0和1的个数，如硬盘中常用的（1，7）码，连续0的个数最少为1，最多为7。4.1.1硬盘的工作原理1．硬盘存储器的读／写过程 读/写过程从查找操作开始，驱动机构根据柱面地址把磁头向目标磁道移动，并定位在目标磁道上，等待有关信息区段旋转到磁头下，然后进行读/写操作。2．基本结构 磁盘驱动器主要有盘片组、主轴驱动机构、磁头、磁头驱动定位机构、读/写电路、接口及控制电路等组成。 接口电路和控制器相连，传送地址和数据到驱动器。音圈电机的音圈和磁头小车（目前多采用摇臂结构）固定在一起，由磁头定位伺服系统驱动磁头作径向运动。磁头地址经磁头选择电路译码，选择相应的磁头。主轴电机驱动主轴带动盘片旋转。进入盘腔的空气均经过过滤器过滤，保证盘腔内极高的空气洁净度要求。图4.2磁盘驱动器的组成 目前用户所使用的硬盘主要是温彻斯特磁盘，简称温盘。温盘的主要特点是： （1）把磁头、小车、导轨、主轴和盘片等封装在一个腔体内，制成一个整体组件，称之为头盘组件（HeadDiskAssembly，HDA）。这种结构的最大优点是盘片和磁头之间没有互换要求，每个磁头只读出它自己写入的信息，磁头不再需要作径向和偏斜等调整，有利于提高磁道密度。另外，整体封装有利于防尘，磁头的浮动高度大大降低，提高了位密度和可靠性。 （2）采用了质量轻、浮力小的磁头。采取了接触起停方式，又称CSS方式（ContactStartStop）。这种方式下，启动和停机时，磁头是降落在盘面上的。盘面上有一个起停区，停机时，磁头降落在起停区内。盘片起动旋转时，轻质磁头在盘面上滑行，当盘片由低速过渡到正常速度时，磁头浮起，从而精简了过去磁头退出盘面和进入盘面的一套机构。 （3）由于采用了接触起停的方式，磁头与盘面有磨擦，为了延长使用寿命，除了在主轴电机上装有制动机构，缩短停机摩擦过程外，盘面上还涂有一层润滑剂以减少摩擦。3．盘片 磁盘驱动器的主要组件之一是盘片，其盘片构成材料是铝合金或者是玻璃，表面覆盖着磁记录层。 硬磁盘盘片直径小型化的同时，面密度也在不断提高。目前硬盘的面密度已经超过每平方英寸100GB，比世界第一台硬盘的密度提高了约1000万倍。4．磁头 硬磁盘驱动器的磁头是浮动磁头，工作过程中磁头与盘面不接触，两者之间有一个很小的间隙。当磁盘高速旋转时，由于空气的粘滞性，附着在盘面上的空气在磁头和盘面之间形成了一层空气垫，托住磁头。5．主轴和主轴电机 硬盘驱动器由主轴带动盘片旋转，其转速很高，目前一般为5400r/min和7200r/min。高速硬盘一般都超过10000r/min，用于服务器和高速磁盘阵列。主轴电机一般为无刷直流电机，采用流体动压轴承以达到极小的径向偏摆，从而保证极小的磁道偏摆，利于磁头对磁道的跟踪。6．磁头寻道与磁道跟踪系统 磁盘驱动器在存取工作过程中，首先要把磁头移动到目标磁道，这个过程称为寻道。到达目标磁道后，还要通过伺服跟踪系统使磁头动态保持在目标磁道的中心，这个过程叫磁道跟踪。 在寻道过程中，首先执行寻道命令，把磁头当前所处磁道距目标磁道的距离计算出来，装入差值计数器中，然后根据差值的正、负和大小来驱动磁头运动。为了提高寻道速度，一般把控制分成两个阶段来进行。第一阶段是“粗控”阶段，作用是速度控制。当目标磁道和当前磁道之差大于零时，采用速度控制，目的在于尽快找到目标磁道。当找到了目标磁道后，才进入“精控”阶段。“精控”阶段的作用是位置控制，保证磁头牢牢盯住目标磁道，所以又称跟踪控制方式。7．寻址和磁道格式 记录在盘面上的信息是串行排列在磁道上的，以扇区为单位，每个扇区包括1024个字节或512个字节。盘面上的信息是遵循一定的规律安排的，并加上了寻址信息。不同类型的磁盘驱动器，由于基本结构上的区别，其寻址方式、磁道格式等都可能不同。 就一般移动式磁头的磁盘驱动器而言，当要访问某一个扇区时，磁头须从当前所处的磁道运动到指定的目标磁道，再等待被访问的扇区旋转到磁头下。所有盘面上的磁头装在同一个小车上作同步运动，即每一瞬间各盘面上的磁头均处于各自同一序号的磁道上，这些序号相同的磁道组成了一个柱面，与磁道编号一样，零磁道所在的柱面为零柱面，1号磁道所在的柱面为1号柱面，依次类推。 访问时，先要选择柱面，其次要选择磁头（也就是选择盘面）和扇区。所以，寻址用的地址信息应该有柱面号、磁头号和扇区号。 每条磁道上的信息是按照一定的规律编排的，这个规定就是磁道格式。常见的有两种磁道格式。（1）简单磁道格式（2）寻址信息可编程的磁道格式4.1.2软磁盘存储器 软磁盘存储器又称软盘驱动器（FDD），其盘片是可换的，一般用于数据备份和交换。软盘盘片是在柔软的聚酯薄膜盘基上均匀地涂敷一层磁性材料做成的，外面有保护套对盘片起保护作用。软盘对环境要求较低，在一般办公室内均可使用，保存方便，价格便宜，是目前广泛应用的设备。1．软磁盘的工作原理 软盘驱动器FDD的工作原理与硬盘驱动器HDD基本相同，所不同的是软盘工作时，磁头与盘面接触。磁头的定位动作一般用步进电机驱动。盘片转速不高，一般为300~400转/分。与硬磁盘相比，虽然软盘驱动器的技术指标不高，但因其结构简单，从总的性能/价格来看，软盘存储器具有本身的优势，尤其随着微型计算机市场的开拓和普及，促使软盘存储技术获得了发展。2．技术参数 软盘驱动器的主要技术参数如下： （1）存储容量，指整个盘片的总容量，单位是KB或MB。 （2）记录密度，指每一条磁道在单位长度上记录的二进制位数，单位是bit/mm。 （3）道密度，盘片半径方向上单位长度所排列的磁道数，单位是道/毫米。 （4）磁道总数，单面或整盘的磁道总数。 （5）转速，指盘片的转速，转/分。 （6）寻找时间，磁头步进一道的时间，单位是ms。 （7）稳定时间，磁头找到目标磁道后，等到稳定下来所需要的时间，单位是ms。 （8）平均等待时间，磁头定位在目标磁道后，等待盘片转到所需扇区的平均时间。一般取主轴旋转周期的一半，单位是ms。 （9）数据传输率，每秒钟内所传输的字节数，以B/s为单位。 （10）电机启动时间，从电机开始加电至达到额定转速的过渡时间，单位是s。 （11）磁头加载时间，指电磁铁控制磁头加载所需的时间，单位是ms。 （12）记录方式，通常采用FM制或MFM制。3．盘片 目前流行的3.5英寸盘的外套是硬塑料压制而成的，呈正方形。外套中心是软盘安装到主轴上的安装孔。外套上还开有一个读/写窗口，磁头就在此处加载，并读/写数据。在外套的边缘开有写保护小窗孔，小窗的打开表示“禁止写入”。4．软磁盘存储器的基本结构 软盘存储器是由软盘盘片、软盘驱动器和控制器或适配器等组成的。 驱动器有盘片定位、驱动机构、磁头加载机构、磁头驱动、定位机构、索引信号检测机构、写保护和读/写电路等。图4.3读出电路框图5．软盘的格式软盘通常有80条磁道，以同心圆分布。靠近中心孔和外缘处不能记录数据，实际有用的是一个环形区域。最外面是0道，依次向里编号，即从0到79。 每一条磁道分成若干个区段，每一个区段称为一个扇区，不论数据长短，计算机读/写是以整个或多个扇区进行的，一个扇区又称一个记录。 格式化后的容量可由下式计算出来： 格式化后的容量=扇区字节数×每道扇区数×每面磁道数×面数 磁道的起点从索引标志开始，接着是扇区识别段，然后是扇区数据段，每段之间都有相应的间隔隔开。（1）索引前间隔（PreindexGap）GAP4 从磁道尾端最后一个扇区之后到索引标志之间的间隔。长度因扇区划分不同而不同。（2）索引后间隔（Post-indexGap）GAP1 32个字节。接着是1号扇区的内容，分两部分：扇区识别段和扇区数据段。（3）扇区识别段 扇区识别段由SYNC、AM1、CHRN、CRC等内容组成。（4）扇区识别段后间隔（Post-IDGap）GAP2 位于扇区识别段和扇区数据段之间的间隔。（5）扇区数据段 扇区数据段由SYNC、AM2（或AM3）、DATA或CRC等组成。（6）数据后间隔（PostdataGap）GAP3作为扇区和扇区之间的间隔。 接着是2号扇区，其余类推。图4.4软盘0道1扇区的展开图4.1.3磁带机及磁带库1．磁带机 在所有磁存储介质中，磁带是单位存储信息成本最低、容量最大的存储介质，常用来做数据备份。 整个磁带机的组成包括：磁头、磁带及基本的硬件结构。下面将对磁带机的工作原理、磁带机所采用技术、磁带和磁带机的分类作以介绍。（1）磁带机的工作原理 一般磁带机的主要组成部分有：走带机构、带盘驱动机构、磁带缓冲机构、读/写装置和自动装、卸带机构等。磁带机工作时，其磁头固定不动，磁带在磁头下面作恒速运动，磁头在读/写电路作用下对磁带作写入或读出操作。（2）磁带机采用的技术 根据磁带的读写工作原理，可将磁带机所采用的技术分为：螺旋扫描技术、线性记录（数据流）技术、DLT技术以及LTO技术。（3）磁带和磁带机的分类 磁带的种类很多，根据读写工作原理，可以分为6种规格。其中，有2种规格的磁带采用螺旋扫描读写方式，他们适用于DAT（4mm）磁带机和8mm磁带机。另外四种规格的磁带，都采用数据流存储技术。 QIC（QuarterInchCartridge：1/4英寸带卷）磁带：它包括DC6000和DC2000两种规格。 DAT（DigitalAudioTape）磁带 8mm磁带 1/2英寸磁带：又分为DLT（DigitalLinearTape）磁带和IBM3480/3490/3590系列磁带两类。图4.5磁带机的分类图2．磁带库 磁带库是基于磁带的备份系统，它通过机械手装置自动换带，并将所有的磁带统一管理，形成一个容量十分巨大的海量存储器。磁带库的存储容量可达数百TB，可以实现连续备份、自动磁带搜索，可以在驱动管理软件控制下实现智能恢复、实时监控和统计，整个数据存储备份过程完全摆脱了人工干涉。图4.6基本磁带库结构4.2光存储设备 光存储设备主要是指光盘存储系统，光盘存储的基本原理是利用聚焦成极小的激光束照射介质，使介质产生变异，实现信息的记录；反过来，通过对介质变异而形成两种不同状态的检测，识别出这些光学性质的变化，将所记录的信息读出。 光盘存储系统的主要部件是光盘机，光盘机由光盘和光盘驱动器组成。光盘由基片、记录介质层和保护层等多层材料制成，其中记录介质材料是数据存储的关键材料。 光盘大至可分为“只读式光盘”和“可（擦）写式光盘”两大类。前者包括CD光盘、LD光盘、CD-ROM光盘、CD-I光盘、Video-CD光盘和DVD-ROM等。后者包括CD-R光盘、相变光盘、DVD-R/W、DVD-RAM和磁光光盘等。 光盘的使用类似于软盘，更换方便，并不像硬盘那样固定在驱动器中。和硬、软磁盘相比，光盘不仅存储潜力大，还具有更多的优点。主要表现在下列几点：（1）存储密度高（2）数据传输率高（3）数据保存时间长（4）信息位价格低4.2.1CD-ROM CD-ROM的含义是“至密只读存储器”（CompactDisc-ReadOnlyMemory），目前流行的CD光盘主要是这类光盘。 CD-ROM的存贮容量大，但读取数据的速度较慢。主要原因是“程序或数据文件是按内螺旋线的规律排列顺序存放在盘上的，不能像磁盘驱动器那样按随机存取方法来读取构成文件的每个扇区， 其次，制作时记录系统是按恒线速度来旋转模子的，当读出头处于盘上不同半径时，盘转动的角速度应该不同，中心1000r/min，边缘上为400r/min，即读出头在单位时间里是转动相同的距离，而一般的磁盘则是以恒角速度转动，即磁头在单位时间里移动相同的角度，这个差别使CD-ROM读出头定位的速度明显降低。 第三，每次读盘时，要从CD-ROM读出的数据量很大，一般为几兆字节，而光驱的缓存较小，通常为64～256KB，两者之间的差异也是CD-ROM读出速度较慢的原因之一。另外激光读出头较重，因而惯性大，从静止到启动较慢，移动后又难以慢下来。1．CD-ROM的标准（1）CD-DA标准——红皮书（2）CD-DA的通道：P-W（3）CD-ROM标准——黄皮书图4.7激光唱盘声音数据的基本结构2．CD-ROM驱动器的分类 ①按外型来分，可分为外置式和内置式。 ②按速度分，可分为单倍速机、双倍速机、四倍速、六倍速、八倍速、十倍速和四十倍速机等。 ③按接口形式分，可分为SCSI接口、AT接口和IDE接口。3．CD-ROM存储和读出数据的原理 CD-ROM驱动器是利用激光束的发射与接收把光盘的凹坑和非凹坑代表的信息还原为原来的数字信息，它采用了3个伺服系统： ①聚焦伺服系统 ②径向道跟踪伺服系统 ③光盘转速控制系统4．CD-ROM文件结构 一个完整的CD-ROM文件系统主要由3部分构成：逻辑格式、源软件和目的软件。作为CD-ROM的文件用户，关心的就是如何从光盘上读出图像文件或音频文件，在使用CD-ROM光盘过程中，必须首先搞清楚CD-ROM的文件格式，并且要对文件的结构和编辑方式有一定了解。（1）CD-ROM文件系统组成 CD-ROM文件系统由以下3个主要部分组成。 ①逻辑格式（LogicalFormat） ②源软件（OriginationSoftware） ③目的软件（DestinationSoftware）（2）CD-ROM逻辑扇区和逻辑块 CD-ROM盘片上的一个物理扇区，除去扇区头部标识信息之外还有2336个字节，其中288个字节用于错误信息检测和校正，剩余的2048个字节作为用户数据区。这个由2048个字节组成的数据域在ISO9660标准中定义为一个逻辑扇区（LogicalSector），每一个逻辑扇区均有一个唯一的逻辑扇区号LSN。CD-ROM的第一个逻辑扇区是从物理地址00∶02∶00开始，定义扇区号为LSN0。 每个逻辑扇区又可分成一个或多个逻辑块。由2048个字节组成的逻辑扇区中，一个逻辑块的大小可定义为512、1024或2048个字节。每个逻辑块有唯一的编号——块号（LBN（LogicalBlockNumber），第一个逻辑块号（LBN0）是第一逻辑扇区（LSN0中的第一块，依次为LBN1、LBN2、LBN3……在CD-ROM上所有文件和其它的重要信息或数据都要按LBN寻址。 另外，还有一个记录（Record）的概念。一个记录由连续的字节构成，可用为信息的基本单元。一个记录的字节数可长可短，少则几个，多则几百个，视要表达的信息而定，记录可分为固定长度记录和可变长度记录，供用户选择使用。（3）文件节（FileSector） 存放到CD-ROM盘上的文件类型没有限制，可以是ASCII文本文件、索引结构文件、可执行文件，也可以是压缩文件或图像数据文件。就每一个文件而言，可分解成一个文件节或多个文件节。一个文件节可存储在由多个逻辑块组成的文件空间内。 文件的标识符（FileIdentifier）可由文件名、文件扩展名和文件版本号组成。但文件标识符必须要包含一个文件名或者包含一个扩展名。（4）目录（Content） CD-ROM采用了分层目录结构作为文件系统的层次，并限定了目录层次深度为8级。（5）路径表（PathTable） 此种结构的特点是利用索引值来访问所有的目录。路径表由许多个路径表记录构成，它们分别对应于根（Root）和每个子目录（Subhead），每个路径表记录具有一定的格式，路径表中包含着多个子目录所在的开始地址码，即逻辑块号LBN。通过路径表可以直接访问任何一个子目录。如果把完整的路径表保存到计算机的RAM上，则一次寻找就可以访问盘上的任意一个子目录，从而节省了文件查找的时间。（6）卷（Volume） CD-ROM盘上可存放信息的区域称为卷空间（VolumeSpace）。卷空间分为两个区： （1）LSN0～LSN16为系统区。 （2）LSN16～最后一个逻辑扇区为数据区。4.2.2可擦写光盘CD-R/W 可擦写光盘可分为一次写多次读光盘CD-R和多次写多次读相变光盘。1．CD-R一次性写多次读光盘 CD-R（CD-Recordable）只允许写一次，写完之后在这段记录媒体上的信息不允许擦除后再写，因此又叫做CD-WriteOnce一次性写入光盘。（1）CD-R的性能与特点 CD-R的最重要特点是按照CD-ROM格式写入的信息，可以在CD-ROM驱动器上去读取，如果按照CD-I或激光唱盘格式写好CD-R光盘，可以在CD-I系统或激光唱机上播放。 CD-R对于各种编码方式均可接受，从而使音频、视频和各种视听材料都可以经过CD-R驱动器存入CD光盘。（2）CD-R与CD-ROM的区别 CD-R与CD-ROM光盘的区别有以下几个方面： ①CD-R增加了一层有机染料作为记录层，当写入激光束聚焦后照射到记录层上，有机染料被加热后，有一部分被熔解掉，形成代表信息的凹坑。这些凹坑与CD-ROM盘上的凹坑类似，但CD-ROM盘上的凹坑是用压模压出的。 ②CD-R盘预先刻有U形槽，宽度为0.6μm，深度为0.1μm，这个槽用于写入信号时的光道定位控制，而CD-ROM盘不用预刻槽。 ③CD-R盘上的反射层是镀金的薄膜层，反射率达70%，而CD-ROM则采用铝膜。 ④CD-R的驱动器上半导体激光器在写入信息时，其激光的强度受写入信号的调制。要形成凹坑的地方激光输出功率大；反之，不形成凹坑的地方激光输出功率要小。在读出信息时CD-R与CD-ROM相同，均需要输出恒定的激光强度（小功率）。 ⑤CD-R驱动器的读/写光头与CD-ROM的光学读出头类似。不过CD-ROM光头可以设计得简单，而CD-R光头由于要写入光盘信息，故此要比CD-ROM光头复杂。一次性写入光盘的类型各种各样，主要有烧蚀型、起泡型、熔绒型、合金型和相变型等几种。2．相变光盘写、读、擦原理 相变光盘是一种可多次写、读、擦的光盘。 相变光盘的读写原理是利用其存储媒介的晶态、非晶态可逆转换，引起对入射激光束不同强度的反射（或折射），形成信息一一对应的关系。 相变光盘有下列优点： ①信噪比高，其信噪电平比磁光介质高几个数量级。 ②由于不需要磁场元件，因而光盘头的结构简单，重量轻，易集成化，有利于提高伺服跟踪精度和数据传输率，并且不受外界磁场的影响。 ③相变介质的稳定性好，成本低。 ④相变光盘驱动器可以兼容一次写入和可擦重写两种相变光盘，能读取CD-ROM以及WORM盘，即具有向下兼容的特点。 相变光盘的缺点是晶相转变速度慢、存取时间长。4.2.3磁光盘（MagnetoOpticalDisc） 磁光盘是20世纪80年代末发展起来的新一代存储记录媒体。230ＭB、650MB和1.3GB磁光盘遵从“橙皮书”（OrangeBook）标准。1．磁光盘结构和作用 磁光盘主要由4部分组成：盘基、薄膜存储介质、薄膜保护介质和盘盒。2．磁光盘存储原理 磁光记录是利用激光与磁场的相互作用来实现信息的写入、读出和擦除功能。3．磁光盘驱动器及其接口 磁光盘驱动器是磁光存储系统中的心脏。磁光盘驱动器主要由光盘机、控制器和电源三大部分组成。其中光盘机又是整个驱动器的核心。它由机械系统，光学系统，伺服系统，信息读、写、擦系统组成。 读信息处理电路将光头读出的信号进行前置放大，并还原成数字信号。 磁光驱动器的控制器是联系SCSI总线与光盘机运动的界面，是数据命令的中转站。控制器主要完成以下工作：光头的定位；信息区段（道号、扇段号）的识别；写入数据的格式化处理及编码； 读出信号的数据分离解码；读出数据的校验及自动纠错；完成传送数据的串—并、并—串转换；对SCSI总线的控制线进行解释，转为对光盘机的寻道、读、写、擦等操作。控制器使用大规模集成的专用芯片。对于磁光盘驱动器来说，与计算机接口方式大多数选择SCSI方式4.2.4DVD 数字电视光盘（系统）原名是DigitalVideoDisc，简称DVD，主要是为了与VideoCD相区别。实际上DVD的应用不仅仅是用来存放电视节目，它同样可以用来存储其他类型的数据，因此又把DigitalVideoDisc更改为DigitalVersatileDisc，缩写仍然是DVD，Versatile是多才多艺的意思。现在，当我们谈到DVD时，通常是指DigitalVideoDisc。 DVD的特点是存储容量比现在的CD盘大得多，最高可达17GB。一片DVD盘的容量相当于现在的25片CD-ROM（650MB），而DVD盘的尺寸与CD相同。DVD所包含的软硬件要遵照正在由计算机、消费电子和如乐公司联合制定的规格，目的是为了能够根据这个新一代的CD规格开发出存储容量大和质量高的兼容产品，用于存储数字电视和多媒体软件。1．DVD的规格 当我们提到DVD时，首先想到的是播放影视节目的DVD-Video。其实DVD和CD一样，除了DVD-Video之外还将会有4个成员，它们的标准文件用BookA、BookB、…、BookE来标识。2．盘面结构 如何提高存储器的存储容量和传输速率是存储工业中永恒的研究课题，许多科学家和工程技术人员一直献身于这个领域。 一片DVD盘要能够存储多达17GB的信息，需要采用许多新的技术。图4.8CD盘与DVD盘的外观比较3．DVD播放机的基本结构 DVD播放系统结构如图4.9所示，它与VCD播放系统的结构相差不大。就播放机来说，DVD播放机主要有下列几个部件组成：（1）DVD盘读出机构。（2）DVD-DSP。（3）数字声音/电视图形解码器。（4）微控制器。

图4.9DVD播放系统的基本结构4.3磁盘阵列技术

在线交互型数据处理系统高速发展，离线备份方法已经无法满足要求，迫切需要发展在线数据备份和恢复的方法，以保障数据安全。 另一方面，过去10年内半导体技术迅速发展，计算机CPU的处理能力以每年40%至100%的速度在增长，然而磁盘驱动器寻址能力的年增长率却只有7%，I/O系统日益成为发展高性能计算机的瓶颈。 为了解决上述两个问题，提高计算机的容错率，缩短CPU和I/O子系统之间的速度差异，1988年美国加州大学伯克利分校的Patterson、Gibson和Katz提出了廉价磁盘冗余阵列（RedundantArrayofInexpensiveDisks，RAID）的概念。RAID采用并行原理，将多台磁盘驱动器组合成磁盘阵列，进行并发读／写操作，并以多台驱动器的数据传输速率来匹配系统带宽。此外，它还通过低代价的编码容错方案，确保数据的可靠性。4.3.1RAID的可靠性和可用性 磁盘阵列是用多台廉价小型磁盘驱动器连接起来组成一个大的逻辑存储空间，阵列控制软件采用数据分块和交叉存储算法，使CPU对磁盘阵列中的数据以并行的方式进行读写操作。对于一个磁盘阵列，其磁盘驱动器越多，故障的概率也越高，丢失数据的可能性就越大，所以没有磁盘冗余结构的阵列是不可靠的。 为了提高磁盘阵列工作的可靠性，不得不牺牲阵列的部分容量和I/O带宽。通常的作法是采用ECC错误检测和校正、额外增加奇偶校验盘、增加镜像盘、三者结合解决可靠性问题。1．ECC错误检测和校正 这也是磁盘驱动器通常使用的纠错方法，对应每台驱动器有一套ECC电路，对付驱动器偶发性的可纠数据错误，以保证数据的完整性。2．用镜像磁盘提高数据的可靠性 在磁盘镜像技术中，每个文件有两份备份，被写入两个分离的驱动器中。在这种方法中，每个主驱动器都有一个镜像驱动器。这些驱动器被连接到一个单一磁盘控制器上。所有写在主驱动器上的数据同时也被写在它的镜像驱动器上，所以镜像驱动总是包含复制的数据。3．通过校验冗余来提高 数据的可靠性 （1）校验冗余（2）校验恢复图4.10使用XOR功能建立校验数据和恢复丢失的数据4.3.2磁盘阵列的工作原理 RAID一个最重要的概念即磁盘分块，磁盘分块的基本思想是：通过将操作分散致各个不同的磁盘驱动器中，使主机I/O控制器能够处理更多的操作，这是在单个磁盘驱动器下所不能达到的。 目前，分块磁盘阵列主要有两种：并行访问分块阵列和独立访问分块阵列。下面将以并行访问分块阵列的写过程来介绍RAID的工作原理。 并行访问分块阵列的工作原理是：同步成员磁盘驱动器中的转动介质，取得单个的I/O请求，在每一个成员磁盘驱动器上执行相等的、短时的I/O操作。使用这个方式，每个I/O请求都被立即发往多个成员磁盘的盘片。4.3.3磁盘阵列的级别 1．RAID0 2．RAID1 3．RAID2 4．RAID3 5．RAID4 6．RAID57．RAID68．RAID79．RAID10级10．EVENODD结构 EVENODD结构是用两个冗余盘存放检错、纠错信息，是一种容双磁盘错的阵列结构，所以为最优冗余方案。（a）RAID0的数据存放格式（b）RAID1的数据存放格式（c）RAID2的数据存放格式（d）RAID3的数据存放格式（e）RAID5的数据存放格式（f）RAID6的数据存放格式图4.12有6个数据盘的EVENODD阵列11．Crosshatch结构 Crosshatch结构是一种综合考虑驱动器容错、控制器容错和电缆容错的RAID结构。 Crosshatch结构有很大灵活性。除了规则拓扑结构外，还可形成不规则的阵列形式。校验组除对角线形式外，还可自动组合，不同的校验组之间可共享相同备份盘（Spare盘）。校验组内采用何种校验码也可根据需要而定。图中C为串控制器，一组校验盘呈对角线排列。图4.13Crosshatch阵列结构4.4网络存储 随着，Internet/Intranet的快速发展和信息存储量的持续增长，传统的存储和管理方案面临着日益增长的数据、信息访问需求以及管理人才缺乏的挑战，这种挑战促进了存储区域网络和附网存储技术的发展。这两种存储方案提供了最广泛的服务器平台、操作系统和应用的支持，并且，在容量、连接性、性能和可用性等方面，也有着广阔的空间。4.4.1网络环境下存储系统的要求与特点 Internet/Intranet以及其它网络相关的各种应用飞速发展，网络上的信息资源呈爆炸型增长趋势，网络存储的信息量及通过网络进行传输的信息量不断膨胀，大量信息需要进行处理，并通过网络传输，这对网络环境下的存储系统提出了极高的要求。 ①网络存储系统必须支持广泛的服务器平台，包括传统办公用的服务器，把存储管理员从兼容性的担忧中解放出来。 ②网络环境下的存储系统必须在容量、性能和可用性方面具有可扩展性。 ③网络环境下的存储系统必须提供自管理能力，尤其在错误恢复、数据可用性以及性能管理方面，纠错和失败恢复也是关键问题，RAID使存储管理员从由于硬盘失败而起引的数据丢失的担心中解脱出来，自动的负载平衡减轻了对存储管理员要求。 ④数据复制和数据移动正变得越来越重要。 目前，网络存储沿着两条主要技术发展方向前进：存储区域网（SAN）和附网存储（NAS）。通过对SAN和NAS的研究，得出网络环境下的存储系统具有如下特点。 ①可展性，用户可根据需要方便地实现动态存储扩展。 ②可访性，能保证使用不同操作系统的用户对网络存储设备的数据访问。 ③高性能，通过对系统的软硬进行优化（NAS）和使用专用的通信协议SCSI-3（SAN），能为用户的数据访问提供快速的响应。 ④高可靠性，存储系统内部通过提供自管理功能、数据备份功能和恢复功能，为用户数据提供很高的保证。4.4.2附网存储设备（NAS） 按照存储设备与服务器的连接方式，存储模式可以分为以下两种，一种是直接与服务器连接的存储（DirectAttachedStorage，DAS），这是最普通的一种方式。存储设备与服务器通过I/O总线相连，服务器连接网络上。另外一种称为附属于网络的存储（NetworkAttachedStorage），简称附网存储（NAS）。这种方式存储设备直接与网络相连，可以建立用户到存储设备的直接数据连接。1．直联存储（DAS） 这是一种常用的连接方法，存储设备直接挂在服务器上，带宽较大，结构简单。2．附网存储设备（NAS） 基于附属服务器存储的缺点，网络存储应向直接与网络相连、单一功能服务器的方向发展。存储设备与网络设备直接相连，有利于客户机与存储器之间直接传送数据，减轻服务器的工作负载，提高服务器的工作性能。 把所有单独能与高速网络直接相连的存储设备或子系统，包括盘带、阵列，以及层次存储子系统称为附网存储（NetworkAttachedStorage）设备，即NAS设备。根据NAS设备与服务器关系的不同，可分为以下两种。（1）依赖于服务器的NAS设备（2）独立于服务器的NAS设备图4.14NetworkSCSI图4.15NetworkAttachedSecureDisk3．NAS设备的特性 大多数NAS设备都具有3个基本的特性，第一个特性，它们有专门用于提供特殊存储服务的专用操作系统或应用系统；第二个特性，它们是一种优化的硬件设施，能比现有标准系统提供更高的性价比；第三个特性，NAS是一种预配置好的数据网络组件，易于在现有的网络中进行安装和管理。（1）特殊的存储系统（2）即插即用的网络集成（3）NAS装置的可伸缩性（4）客户端的灵活性4．NAS产品所用的网络协议 NAS产品主要用两种网络协议NFS和CIFS，NFS是由Sun公司开发的，用于在UNIX系统之间通过网络共享文件。CIFS是由微软开发的，用于在Windows工作站之间共享文件。 NFS与CIFS之间存在着一些主要的差异，特别是锁定机制方面，两者之间的一些基本差异：系统登录的安全机制、有状态连接与无状态连接、文件和目录安全、文件和目录的锁定。（1）系统登录的安全机制 在系统登录时，NFS是在客户端验证用户，而CIFS是创建能被授权用户访问的共享，CIFS的安全性要高于NFS的安全性。（2）有状态连接与无状态连接 NFS是一种无状态的协议，这意味着NFS不记录和保存客户和服务器之间的历史关系。与NFS不同的是，CIFS是一种面向会话的有状态的协议。（3）目录和文件的安全 UNIX文件级安全机制定义了3个级别的ID：用户、组和其他。 CIFS安全机制采用访问控制表（ACL），ACL的内容涉及到共享、目录、文件等。（4）锁定机制 包括DOS在内的PC操作系统，已经建立了相当健壮的锁定体制，PC应用可以通过系统界面打开一个文件，并可指定对该文件进行的I/O操作。不仅如此，在这些文件打开请求内部，还可以包含另一种用于决定是否允许别的应用打开同一个文件的请求。（5）NFS服务器的CIFS仿真 NFS设备厂商最初是为了向UNIX客户提供服务的，后来随着Windows客户的出现并逐渐占据了桌面系统的主流，NFS设备厂商不得不设法向Windows客户提供服务。为了实现这个目的在NFS设备上仿真CIFS服务器。4.4.3存储区域网（SAN）1．什么是存储区域网（SAN） 存储区域网（SAN）是目前非常流行的一种新的连接管理存储设备的方法，它使用网络的方法连接系统和存储设备，使得存储系统具有更好的灵活性、更高的性能和较好的可用性，并能大大减少存储管理的开销。图4.16存储区域网2．存储区域网的结构 目前，存储区域网大都采用光纤通道协议，基于以太网协议的存储区域网也已经出现，但目前还不是主流。 光纤通道为存储局域网的设计提供3种拓扑结构：点对点结构、仲裁环结构、交换开关结构。这3种结构的有效数传率都可以达到100Mbit/s，全双工时可达到200Mbit/s。图4.17点对点结构图4.18仲裁环结构图4.19Switch结构图4.20Switch、仲裁环混合结构3．SAN的优势（1）SAN技术容量扩展的优点（2）SAN的性能可扩展的优势（3）SAN的距离扩展性优势（4）SAN进行备份扩展性优势（5）SAN存储在升级时的优势（6）连接方法多样

4．SAN应用 SAN的应用主要可以归纳为6个方面。 ①构造群集环境，利用存储局域网可以很方便地通过光纤通道把各种服务器、存储设备连接在一起构成一个具有高性能、较好的数据可用性，可扩展的群集环境。 ②数据保护，存储局域网可以做到无服务器的数据备份，数据也可以后台的方式在存储域网上传递，大大减少了主要网络和服务器上的负载，所以存储局域网可以很方便地实现诸如磁盘冗余、关键数据备份、远程群集、远程镜像等许多防止数据丢