《辅存及磁盘阵列》课件

辅存及磁盘阵列辅存存储设备在计算机系统中扮演着重要的角色,提供了海量的存储容量来满足数据保存和业务运行的需求。磁盘阵列作为一种先进的数据存储技术,通过使用多块硬盘并行工作来提高存储性能和可靠性,在各行各业得到广泛应用。课程目标掌握辅存技术通过学习辅存的分类和特点,了解不同类型辅存设备的工作原理和应用场景。理解磁盘阵列系统学习磁盘的结构和访问特性,掌握RAID技术的分类及其原理,了解磁盘阵列系统的关键特性。学习逻辑卷管理掌握逻辑卷管理的概念和工作原理,了解LVM的基本操作和容灾特性。辅存的分类和特点辅存分类根据存储介质的不同,可分为磁性存储器、光学存储器和固态存储器等类型。存储特点辅存具有存储容量大、访问速度较慢、易受磁场干扰的特点。不适合直接运行程序,主要用于数据存储。非直接访问辅存需要通过操作系统和储存控制器才能访问,无法像主存一样直接访问。磁盘的结构和工作原理现代硬盘由一系列精密构造的圆形磁盘组成,这些磁盘采用特殊的磁性材料制成,表面覆盖有磁性涂层。硬盘会使用电磁读写头在磁盘表面读写数据,从而实现信息的存储和读取。硬盘的结构和工作原理决定了其在容量、速度和可靠性等方面的特点。磁盘的访问特性磁盘访问分为随机访问和顺序访问两种模式。随机访问指根据需要访问磁盘的任意位置，而顺序访问则是按照磁盘的物理位置顺序进行访问。相比之下，顺序访问的延迟时间更短,吞吐量也更高,但随机访问可以更灵活地满足不同应用场景的需求。磁盘的容量和性能参数容量磁盘驱动器的存储容量可从数十GB到数TB不等，随着技术进步呈持续增加趋势。转速普通桌面级磁盘转速一般在5400-7200rpm，而服务器级磁盘可达10000-15000rpm。访问时间访问时间包括寻道时间和旋转延迟。典型值从数毫秒到数十毫秒不等。带宽磁盘的吞吐量从几十MB/s到200MB/s不等，取决于转速、接口速度以及缓存大小。磁盘的主要故障类型磁头损坏磁头由于长时间使用或意外撞击而磨损变形，影响磁盘读写。磁盘表面损坏磁盘表面受到刮痕、污染或静电等因素的破坏，造成数据丢失。电路故障磁盘驱动器的电路板因老化或受潮而发生故障，导致读写失败。机械故障磁盘马达、轴承等机械部件磨损或卡住，影响磁盘的正常旋转。磁盘阵列系统的概念磁盘阵列系统是一种通过将多个独立的物理硬盘组合成一个逻辑单元的存储技术。通过采用不同的RAID技术,可以提高数据的可靠性、容量和性能,为应用程序提供稳定高效的存储支持。RAID的分类1基于磁盘冗余的RAID通过将数据分布在多个磁盘上来提高数据可靠性和读写性能,包括RAID0、RAID1、RAID3、RAID5和RAID6。2基于数据备份的RAID通过将数据备份到备用磁盘来提高数据可靠性,包括RAID1和RAID10。3混合RAID模式结合多种RAID模式的优点,如RAID50和RAID60,提供更高的性能和可靠性。RAID0-条带化1数据条带化RAID0将数据分成小块并平均分布在多个磁盘上,以提高读写速度。2无冗余性由于RAID0不提供任何数据冗余,当一个磁盘发生故障时,整个阵列的数据都会丢失。3最高性能RAID0的读写性能是所有RAID级别中最高的,非常适合对I/O要求很高的应用。RAID1-镜像1两个磁盘将数据同步复制到两个独立的磁盘驱动器上2数据冗余任何一个驱动器发生故障时,仍可使用另一个驱动器3可靠性高单点故障时也可以保持数据的完整性RAID1是最简单也是最可靠的RAID级别。它通过在两个独立的物理磁盘上完全复制数据来实现数据冗余,保证了系统的高可用性。当一个磁盘出现故障时,系统仍然可以正常运行,不会造成数据丢失。RAID3-奇偶校验1数据条带将数据分成小块条带式存储2奇偶校验块生成校验数据块以实现容错3并行读写提高数据传输速度和吞吐量RAID3是一种基于奇偶校验的条带化磁盘阵列。它通过将数据分成小块并行存储到多个磁盘上来提高读写性能,同时生成校验数据块以确保数据的完整性和容错能力。该模式适用于需要高吞吐量的应用场景,如流式媒体和科学计算等。RAID5-分布式奇偶校验数据块条带化将数据分割成多个块,并按照一定的规则进行条带化存储。奇偶校验计算将每个数据块的奇偶校验信息分布存储在不同的磁盘上。容错机制当有一个磁盘发生故障时,可以利用其他磁盘上的奇偶校验信息进行数据恢复。RAID6-双重奇偶校验1数据块数据存储在磁盘上2奇偶校验1基于数据计算的校验码3奇偶校验2对奇偶校验1再次计算的校验码RAID6采用双重奇偶校验的方式来实现数据冗余,允许同时出现两块磁盘故障而不会丢失数据。通过计算两组独立的校验数据块,即使有两块磁盘同时出现故障,系统仍然能通过这两组校验数据恢复原始数据。这种机制可以有效提高数据的可靠性和容错能力。RAID10-条带化和镜像1条带化将数据分布在多个磁盘上2镜像每个数据块有两个副本3容错可以容忍单个磁盘故障RAID10是在RAID0和RAID1的基础上结合两种技术而形成的磁盘阵列方式。它将数据条带化并同时镜像到其他磁盘，兼具了高性能和数据冗余的优点。即使单个磁盘发生故障,也能确保数据的完整性和可用性。RAID的性能分析5性能倍增RAID能提高存储系统的读写性能,最高可达原有性能的5倍。50%读取性能RAID0能提升50%以上的随机读取性能。80%写入性能RAID5能提升80%以上的顺序写入性能。40M吞吐量RAID10可达到40MB/s以上的高吞吐量。RAID的可靠性分析RAID系统的可靠性取决于多个因素,包括磁盘的故障率、重构时间等。我们通过比较不同RAID级别的可靠性特点,帮助用户选择合适的RAID方案。RAID级别可靠性特点RAID0没有冗余,单磁盘故障会导致数据丢失。RAID1完全冗余,可承受单磁盘故障,但磁盘利用率低。RAID5分布式奇偶校验,可承受单磁盘故障,恢复时间短。RAID6双重奇偶校验,可承受两个磁盘故障,可靠性更高。磁盘阵列的容灾特性数据冗余磁盘阵列采用RAID技术实现数据冗余备份,即使部分磁盘故障,也能保护数据不丢失。这是磁盘阵列的关键容灾特性。热备用磁盘阵列系统通常配备热备用磁盘,当主磁盘出现故障时,热备用磁盘可以快速接管,确保系统可用性。自动重建当有磁盘故障时,磁盘阵列能自动检测并重建数据,无需人工干预,大大提高了系统的可靠性。高可用性磁盘阵列采用多副本冗余保护,并支持热插拔替换,系统整体具有很高的可用性。磁盘阵列的热备用热备用磁盘阵列系统中设置备用磁盘,当主要磁盘出现故障时,自动切换到备用磁盘,提高系统可靠性。自动切换当主盘出现故障时,系统会自动检测并迅速将负载切换至备用磁盘,减少故障时间和数据丢失。数据冗余热备用确保了数据的冗余备份,防止重要数据的丢失,提高系统的数据安全性。磁盘阵列的负载均衡动态调度通过实时监控各磁盘的I/O负载,动态调整数据在不同磁盘之间的分布,实现负载的动态均衡。智能条带化根据不同磁盘的性能特点,采用智能的数据条带化策略,将数据分布在最合适的磁盘上。虚拟分区将物理磁盘抽象成多个虚拟分区,根据负载情况动态分配数据至不同的虚拟分区。热点迁移检测和识别存储系统中的热点数据,并将其动态迁移到性能更好的磁盘上。磁盘阵列的管理集中监控通过管理仪表盘,可对整个磁盘阵列系统进行全面监控,掌握系统的运行状态、性能指标和健康状况。硬盘管理定期检查硬盘状态,更换故障硬盘,优化硬盘布局,确保系统的可靠性和性能。容量扩展根据业务需求,动态增加磁盘阵列的存储容量,满足不断增长的数据存储需求。系统升级及时升级固件和控制器软件,提高系统的性能和可靠性,应对新的业务需求。逻辑卷管理逻辑卷管理是一种灵活的存储管理技术,可以将多个物理磁盘组合成一个逻辑卷,提供更大的存储空间和更强的数据可靠性。这种技术广泛应用于企业级存储系统,是构建高性能、高可用存储环境的关键。LVM的概念和组成LVM概念LVM即逻辑卷管理器（LogicalVolumeManager），是一个灵活的磁盘管理系统，提供了动态扩展、收缩和重新配置存储的功能。LVM组成LVM由物理卷（PhysicalVolumes）、卷组（VolumeGroups）和逻辑卷（LogicalVolumes）三个主要组件构成，提供了更高级的磁盘管理能力。物理卷物理卷是基于物理硬盘或RAID阵列创建的基本存储单元，可以被添加到卷组中。卷组卷组是由多个物理卷组成的逻辑存储池，可以从中分配逻辑卷。LVM的工作原理1逻辑卷构建LVM允许将多个物理磁盘组合成一个逻辑卷,提供更大的存储空间。2动态扩展逻辑卷可以在线动态扩展,无需中断应用程序运行。3灵活管理LVM提供快照、镜像等高级管理功能,简化存储管理。LVM的基本操作创建逻辑卷使用pvcreate命令创建物理卷,然后使用vgcreate命令创建卷组。最后使用lvcreate命令创建逻辑卷。扩展逻辑卷使用lvextend命令可以扩展已有的逻辑卷。同时还需要使用resize2fs命令扩展文件系统。快照功能LVM支持逻辑卷快照功能,可以创建备份恢复点。使用lvcreate-s命令可创建快照。迁移数据使用pvmove命令可以将物理卷上的数据迁移到其他物理卷上,实现了物理卷间的数据平衡。LVM的容灾特性冗余数据存储LVM支持在多个磁盘上创建镜像卷和条带卷,提供数据的冗余备份,确保数据的可靠性。即使发生单个磁盘故障,系统也能持续运行。动态扩容LVM允许在系统运行过程中动态扩展逻辑卷的容量,无需中断服务。可根据业务需求随时调整存储空间。快照备份LVM支持创建逻辑卷的快照副本,可用于数据备份