《輔存及磁盤陣列》課件

輔存及磁盤陣列輔存存儲(chǔ)設(shè)備在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中扮演著重要的角色,提供了海量的存儲(chǔ)容量來滿足數(shù)據(jù)保存和業(yè)務(wù)運(yùn)行的需求。磁盤陣列作為一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù),通過使用多塊硬盤并行工作來提高存儲(chǔ)性能和可靠性,在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。課程目標(biāo)掌握輔存技術(shù)通過學(xué)習(xí)輔存的分類和特點(diǎn),了解不同類型輔存設(shè)備的工作原理和應(yīng)用場景。理解磁盤陣列系統(tǒng)學(xué)習(xí)磁盤的結(jié)構(gòu)和訪問特性,掌握RAID技術(shù)的分類及其原理,了解磁盤陣列系統(tǒng)的關(guān)鍵特性。學(xué)習(xí)邏輯卷管理掌握邏輯卷管理的概念和工作原理,了解LVM的基本操作和容災(zāi)特性。輔存的分類和特點(diǎn)輔存分類根據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的不同,可分為磁性存儲(chǔ)器、光學(xué)存儲(chǔ)器和固態(tài)存儲(chǔ)器等類型。存儲(chǔ)特點(diǎn)輔存具有存儲(chǔ)容量大、訪問速度較慢、易受磁場干擾的特點(diǎn)。不適合直接運(yùn)行程序,主要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。非直接訪問輔存需要通過操作系統(tǒng)和儲(chǔ)存控制器才能訪問,無法像主存一樣直接訪問。磁盤的結(jié)構(gòu)和工作原理現(xiàn)代硬盤由一系列精密構(gòu)造的圓形磁盤組成,這些磁盤采用特殊的磁性材料制成,表面覆蓋有磁性涂層。硬盤會(huì)使用電磁讀寫頭在磁盤表面讀寫數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)和讀取。硬盤的結(jié)構(gòu)和工作原理決定了其在容量、速度和可靠性等方面的特點(diǎn)。磁盤的訪問特性磁盤訪問分為隨機(jī)訪問和順序訪問兩種模式。隨機(jī)訪問指根據(jù)需要訪問磁盤的任意位置，而順序訪問則是按照磁盤的物理位置順序進(jìn)行訪問。相比之下，順序訪問的延遲時(shí)間更短,吞吐量也更高,但隨機(jī)訪問可以更靈活地滿足不同應(yīng)用場景的需求。磁盤的容量和性能參數(shù)容量磁盤驅(qū)動(dòng)器的存儲(chǔ)容量可從數(shù)十GB到數(shù)TB不等，隨著技術(shù)進(jìn)步呈持續(xù)增加趨勢(shì)。轉(zhuǎn)速普通桌面級(jí)磁盤轉(zhuǎn)速一般在5400-7200rpm，而服務(wù)器級(jí)磁盤可達(dá)10000-15000rpm。訪問時(shí)間訪問時(shí)間包括尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)延遲。典型值從數(shù)毫秒到數(shù)十毫秒不等。帶寬磁盤的吞吐量從幾十MB/s到200MB/s不等，取決于轉(zhuǎn)速、接口速度以及緩存大小。磁盤的主要故障類型磁頭損壞磁頭由于長時(shí)間使用或意外撞擊而磨損變形，影響磁盤讀寫。磁盤表面損壞磁盤表面受到刮痕、污染或靜電等因素的破壞，造成數(shù)據(jù)丟失。電路故障磁盤驅(qū)動(dòng)器的電路板因老化或受潮而發(fā)生故障，導(dǎo)致讀寫失敗。機(jī)械故障磁盤馬達(dá)、軸承等機(jī)械部件磨損或卡住，影響磁盤的正常旋轉(zhuǎn)。磁盤陣列系統(tǒng)的概念磁盤陣列系統(tǒng)是一種通過將多個(gè)獨(dú)立的物理硬盤組合成一個(gè)邏輯單元的存儲(chǔ)技術(shù)。通過采用不同的RAID技術(shù),可以提高數(shù)據(jù)的可靠性、容量和性能,為應(yīng)用程序提供穩(wěn)定高效的存儲(chǔ)支持。RAID的分類1基于磁盤冗余的RAID通過將數(shù)據(jù)分布在多個(gè)磁盤上來提高數(shù)據(jù)可靠性和讀寫性能,包括RAID0、RAID1、RAID3、RAID5和RAID6。2基于數(shù)據(jù)備份的RAID通過將數(shù)據(jù)備份到備用磁盤來提高數(shù)據(jù)可靠性,包括RAID1和RAID10。3混合RAID模式結(jié)合多種RAID模式的優(yōu)點(diǎn),如RAID50和RAID60,提供更高的性能和可靠性。RAID0-條帶化1數(shù)據(jù)條帶化RAID0將數(shù)據(jù)分成小塊并平均分布在多個(gè)磁盤上,以提高讀寫速度。2無冗余性由于RAID0不提供任何數(shù)據(jù)冗余,當(dāng)一個(gè)磁盤發(fā)生故障時(shí),整個(gè)陣列的數(shù)據(jù)都會(huì)丟失。3最高性能RAID0的讀寫性能是所有RAID級(jí)別中最高的,非常適合對(duì)I/O要求很高的應(yīng)用。RAID1-鏡像1兩個(gè)磁盤將數(shù)據(jù)同步復(fù)制到兩個(gè)獨(dú)立的磁盤驅(qū)動(dòng)器上2數(shù)據(jù)冗余任何一個(gè)驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障時(shí),仍可使用另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器3可靠性高單點(diǎn)故障時(shí)也可以保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性RAID1是最簡單也是最可靠的RAID級(jí)別。它通過在兩個(gè)獨(dú)立的物理磁盤上完全復(fù)制數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余,保證了系統(tǒng)的高可用性。當(dāng)一個(gè)磁盤出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)仍然可以正常運(yùn)行,不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。RAID3-奇偶校驗(yàn)1數(shù)據(jù)條帶將數(shù)據(jù)分成小塊條帶式存儲(chǔ)2奇偶校驗(yàn)塊生成校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)3并行讀寫提高數(shù)據(jù)傳輸速度和吞吐量RAID3是一種基于奇偶校驗(yàn)的條帶化磁盤陣列。它通過將數(shù)據(jù)分成小塊并行存儲(chǔ)到多個(gè)磁盤上來提高讀寫性能,同時(shí)生成校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊以確保數(shù)據(jù)的完整性和容錯(cuò)能力。該模式適用于需要高吞吐量的應(yīng)用場景,如流式媒體和科學(xué)計(jì)算等。RAID5-分布式奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊條帶化將數(shù)據(jù)分割成多個(gè)塊,并按照一定的規(guī)則進(jìn)行條帶化存儲(chǔ)。奇偶校驗(yàn)計(jì)算將每個(gè)數(shù)據(jù)塊的奇偶校驗(yàn)信息分布存儲(chǔ)在不同的磁盤上。容錯(cuò)機(jī)制當(dāng)有一個(gè)磁盤發(fā)生故障時(shí),可以利用其他磁盤上的奇偶校驗(yàn)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。RAID6-雙重奇偶校驗(yàn)1數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤上2奇偶校驗(yàn)1基于數(shù)據(jù)計(jì)算的校驗(yàn)碼3奇偶校驗(yàn)2對(duì)奇偶校驗(yàn)1再次計(jì)算的校驗(yàn)碼RAID6采用雙重奇偶校驗(yàn)的方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余,允許同時(shí)出現(xiàn)兩塊磁盤故障而不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。通過計(jì)算兩組獨(dú)立的校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊,即使有兩塊磁盤同時(shí)出現(xiàn)故障,系統(tǒng)仍然能通過這兩組校驗(yàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。這種機(jī)制可以有效提高數(shù)據(jù)的可靠性和容錯(cuò)能力。RAID10-條帶化和鏡像1條帶化將數(shù)據(jù)分布在多個(gè)磁盤上2鏡像每個(gè)數(shù)據(jù)塊有兩個(gè)副本3容錯(cuò)可以容忍單個(gè)磁盤故障RAID10是在RAID0和RAID1的基礎(chǔ)上結(jié)合兩種技術(shù)而形成的磁盤陣列方式。它將數(shù)據(jù)條帶化并同時(shí)鏡像到其他磁盤，兼具了高性能和數(shù)據(jù)冗余的優(yōu)點(diǎn)。即使單個(gè)磁盤發(fā)生故障,也能確保數(shù)據(jù)的完整性和可用性。RAID的性能分析5性能倍增RAID能提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的讀寫性能,最高可達(dá)原有性能的5倍。50%讀取性能RAID0能提升50%以上的隨機(jī)讀取性能。80%寫入性能RAID5能提升80%以上的順序?qū)懭胄阅堋?0M吞吐量RAID10可達(dá)到40MB/s以上的高吞吐量。RAID的可靠性分析RAID系統(tǒng)的可靠性取決于多個(gè)因素,包括磁盤的故障率、重構(gòu)時(shí)間等。我們通過比較不同RAID級(jí)別的可靠性特點(diǎn),幫助用戶選擇合適的RAID方案。RAID級(jí)別可靠性特點(diǎn)RAID0沒有冗余,單磁盤故障會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。RAID1完全冗余,可承受單磁盤故障,但磁盤利用率低。RAID5分布式奇偶校驗(yàn),可承受單磁盤故障,恢復(fù)時(shí)間短。RAID6雙重奇偶校驗(yàn),可承受兩個(gè)磁盤故障,可靠性更高。磁盤陣列的容災(zāi)特性數(shù)據(jù)冗余磁盤陣列采用RAID技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余備份,即使部分磁盤故障,也能保護(hù)數(shù)據(jù)不丟失。這是磁盤陣列的關(guān)鍵容災(zāi)特性。熱備用磁盤陣列系統(tǒng)通常配備熱備用磁盤,當(dāng)主磁盤出現(xiàn)故障時(shí),熱備用磁盤可以快速接管,確保系統(tǒng)可用性。自動(dòng)重建當(dāng)有磁盤故障時(shí),磁盤陣列能自動(dòng)檢測并重建數(shù)據(jù),無需人工干預(yù),大大提高了系統(tǒng)的可靠性。高可用性磁盤陣列采用多副本冗余保護(hù),并支持熱插拔替換,系統(tǒng)整體具有很高的可用性。磁盤陣列的熱備用熱備用磁盤陣列系統(tǒng)中設(shè)置備用磁盤,當(dāng)主要磁盤出現(xiàn)故障時(shí),自動(dòng)切換到備用磁盤,提高系統(tǒng)可靠性。自動(dòng)切換當(dāng)主盤出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測并迅速將負(fù)載切換至備用磁盤,減少故障時(shí)間和數(shù)據(jù)丟失。數(shù)據(jù)冗余熱備用確保了數(shù)據(jù)的冗余備份,防止重要數(shù)據(jù)的丟失,提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性。磁盤陣列的負(fù)載均衡動(dòng)態(tài)調(diào)度通過實(shí)時(shí)監(jiān)控各磁盤的I/O負(fù)載,動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)在不同磁盤之間的分布,實(shí)現(xiàn)負(fù)載的動(dòng)態(tài)均衡。智能條帶化根據(jù)不同磁盤的性能特點(diǎn),采用智能的數(shù)據(jù)條帶化策略,將數(shù)據(jù)分布在最合適的磁盤上。虛擬分區(qū)將物理磁盤抽象成多個(gè)虛擬分區(qū),根據(jù)負(fù)載情況動(dòng)態(tài)分配數(shù)據(jù)至不同的虛擬分區(qū)。熱點(diǎn)遷移檢測和識(shí)別存儲(chǔ)系統(tǒng)中的熱點(diǎn)數(shù)據(jù),并將其動(dòng)態(tài)遷移到性能更好的磁盤上。磁盤陣列的管理集中監(jiān)控通過管理儀表盤,可對(duì)整個(gè)磁盤陣列系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控,掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、性能指標(biāo)和健康狀況。硬盤管理定期檢查硬盤狀態(tài),更換故障硬盤,優(yōu)化硬盤布局,確保系統(tǒng)的可靠性和性能。容量擴(kuò)展根據(jù)業(yè)務(wù)需求,動(dòng)態(tài)增加磁盤陣列的存儲(chǔ)容量,滿足不斷增長的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。系統(tǒng)升級(jí)及時(shí)升級(jí)固件和控制器軟件,提高系統(tǒng)的性能和可靠性,應(yīng)對(duì)新的業(yè)務(wù)需求。邏輯卷管理邏輯卷管理是一種靈活的存儲(chǔ)管理技術(shù),可以將多個(gè)物理磁盤組合成一個(gè)邏輯卷,提供更大的存儲(chǔ)空間和更強(qiáng)的數(shù)據(jù)可靠性。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng),是構(gòu)建高性能、高可用存儲(chǔ)環(huán)境的關(guān)鍵。LVM的概念和組成LVM概念LVM即邏輯卷管理器（LogicalVolumeManager），是一個(gè)靈活的磁盤管理系統(tǒng)，提供了動(dòng)態(tài)擴(kuò)展、收縮和重新配置存儲(chǔ)的功能。LVM組成LVM由物理卷（PhysicalVolumes）、卷組（VolumeGroups）和邏輯卷（LogicalVolumes）三個(gè)主要組件構(gòu)成，提供了更高級(jí)的磁盤管理能力。物理卷物理卷是基于物理硬盤或RAID陣列創(chuàng)建的基本存儲(chǔ)單元，可以被添加到卷組中。卷組卷組是由多個(gè)物理卷組成的邏輯存儲(chǔ)池，可以從中分配邏輯卷。LVM的工作原理1邏輯卷構(gòu)建LVM允許將多個(gè)物理磁盤組合成一個(gè)邏輯卷,提供更大的存儲(chǔ)空間。2動(dòng)態(tài)擴(kuò)展邏輯卷可以在線動(dòng)態(tài)擴(kuò)展,無需中斷應(yīng)用程序運(yùn)行。3靈活管理LVM提供快照、鏡像等高級(jí)管理功能,簡化存儲(chǔ)管理。LVM的基本操作創(chuàng)建邏輯卷使用pvcreate命令創(chuàng)建物理卷,然后使用vgcreate命令創(chuàng)建卷組。最后使用lvcreate命令創(chuàng)建邏輯卷。擴(kuò)展邏輯卷使用lvextend命令可以擴(kuò)展已有的邏輯卷。同時(shí)還需要使用resize2fs命令擴(kuò)展文件系統(tǒng)?？煺展δ躄VM支持邏輯卷快照功能,可以創(chuàng)建備份恢復(fù)點(diǎn)。使用lvcreate-s命令可創(chuàng)建快照。遷移數(shù)據(jù)使用pvmove命令可以將物理卷上的數(shù)據(jù)遷移到其他物理卷上,實(shí)現(xiàn)了物理卷間的數(shù)據(jù)平衡。LVM的容災(zāi)特性冗余數(shù)據(jù)存儲(chǔ)LVM支持在多個(gè)磁盤上創(chuàng)建鏡像卷和條帶卷,提供數(shù)據(jù)的冗余備份,確保數(shù)據(jù)的可靠性。即使發(fā)生單個(gè)磁盤故障,系統(tǒng)也能持續(xù)運(yùn)行。動(dòng)態(tài)擴(kuò)容LVM允許在系統(tǒng)運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)擴(kuò)展邏輯卷的容量,無需中斷服務(wù)?？筛鶕?jù)業(yè)務(wù)需求隨時(shí)調(diào)整存儲(chǔ)空間?？煺諅浞軱VM支持創(chuàng)建邏輯卷的快照副本,可用于數(shù)據(jù)備份