【大學課件】存儲系統(tǒng)

存儲系統(tǒng)歡迎來到存儲系統(tǒng)課程。本課程將深入探討現(xiàn)代計算機中不可或缺的存儲技術。我們將從基礎概念開始，逐步深入到高級應用和未來趨勢。什么是存儲系統(tǒng)？數(shù)據(jù)保存存儲系統(tǒng)是計算機中用于保存和檢索數(shù)據(jù)的硬件和軟件組合。信息管理它負責組織、維護和提供對數(shù)據(jù)的快速訪問。系統(tǒng)支持存儲系統(tǒng)是計算機運行的基礎，支持操作系統(tǒng)和應用程序的執(zhí)行。存儲系統(tǒng)的功能和特點數(shù)據(jù)存儲將信息以特定格式保存在存儲介質中。數(shù)據(jù)檢索快速定位和讀取所需的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)安全保護數(shù)據(jù)免受損壞、丟失或未經(jīng)授權的訪問。數(shù)據(jù)同步在不同設備或位置之間保持數(shù)據(jù)的一致性。存儲介質的類型磁性存儲利用磁性材料記錄數(shù)據(jù)，如硬盤和磁帶。具有大容量、低成本的特點。光學存儲使用激光讀寫數(shù)據(jù)，如CD和DVD。適合大量數(shù)據(jù)的長期存儲。半導體存儲基于集成電路的存儲技術，如閃存和RAM。具有高速、低功耗的優(yōu)勢。磁性存儲設備1硬盤驅動器（HDD）使用旋轉磁盤和讀寫頭存儲數(shù)據(jù)。容量大，價格相對較低。2磁帶驅動器使用磁帶存儲數(shù)據(jù)，主要用于備份和歸檔。容量大，訪問速度慢。3軟盤驅動器過時的技術，使用可移動磁盤。容量小，已被其他技術取代。光學存儲設備CD（光盤）使用激光讀寫數(shù)據(jù)。容量約700MB，主要用于音頻和數(shù)據(jù)存儲。DVD（數(shù)字視頻光盤）比CD容量更大，可存儲4.7GB至17GB數(shù)據(jù)。適合視頻和大文件存儲。藍光光盤使用藍紫色激光，單層可存儲25GB，雙層可達50GB。適合高清視頻。半導體存儲設備RAM（隨機訪問存儲器）用于臨時存儲數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)消失。訪問速度快。ROM（只讀存儲器）存儲固定的程序和數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)不會丟失。閃存非易失性存儲器，可以電子擦除和重編程。用于U盤、SSD等。SSD（固態(tài)硬盤）基于閃存技術，無機械部件，讀寫速度快，能耗低。內(nèi)存的基本工作原理1數(shù)據(jù)存儲內(nèi)存將數(shù)據(jù)存儲在微小的電容器中，通過充電和放電來表示1和0。2地址映射每個存儲單元都有唯一的地址，CPU通過地址總線訪問特定位置。3讀寫操作CPU通過控制信號指示讀或寫操作，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線傳輸。4刷新DRAM需要定期刷新以保持數(shù)據(jù)，而SRAM不需要。內(nèi)存的主要類型SRAM（靜態(tài)隨機訪問存儲器）速度快，功耗高，用于緩存。DRAM（動態(tài)隨機訪問存儲器）容量大，價格低，需要刷新，用作主內(nèi)存。GDDR（圖形雙倍數(shù)據(jù)率內(nèi)存）專為圖形處理設計，帶寬高，用于顯卡。SRAM和DRAM的區(qū)別SRAM無需刷新，靜態(tài)存儲速度快，功耗高成本高，集成度低主要用于緩存DRAM需要定期刷新速度較慢，功耗低成本低，集成度高主要用作主內(nèi)存磁盤存儲設備的工作原理1磁盤旋轉硬盤盤片高速旋轉，通常為5400或7200轉/分鐘。2讀寫頭移動讀寫頭在磁盤表面移動，定位到特定的磁道。3數(shù)據(jù)讀取讀寫頭感應磁性變化，將其轉換為電信號。4數(shù)據(jù)寫入電流改變磁頭磁場，在磁盤表面產(chǎn)生磁性變化。軟盤、硬盤和光盤的比較特性軟盤硬盤光盤容量1.44MB數(shù)TB數(shù)GB讀寫速度慢快中等可靠性低高中等便攜性高低高成本低中等低存儲器的層次結構1寄存器速度最快，容量最小2高速緩存速度快，容量小3主存儲器速度中等，容量大4輔助存儲器速度慢，容量最大存儲器層次結構設計旨在平衡速度、容量和成本，以優(yōu)化整體系統(tǒng)性能。高速緩存的作用和工作機制1臨時數(shù)據(jù)存儲緩存存儲最常用的數(shù)據(jù)，減少對主內(nèi)存的訪問。2數(shù)據(jù)預取預測并提前加載可能需要的數(shù)據(jù)，提高訪問速度。3寫回策略延遲數(shù)據(jù)寫入主內(nèi)存，減少系統(tǒng)總線占用。4多級緩存現(xiàn)代處理器通常有L1、L2、L3多級緩存，逐級增大容量。虛擬存儲技術概念虛擬存儲技術使用硬盤空間來擴展物理內(nèi)存，為程序提供更大的地址空間。優(yōu)點擴大可用內(nèi)存簡化程序設計提高內(nèi)存利用率實現(xiàn)機制通過頁表將虛擬地址映射到物理地址，使用頁面置換算法管理內(nèi)存。磁盤的基本概念盤片存儲數(shù)據(jù)的磁性表面，一個硬盤可能包含多個盤片。磁道盤片上的同心圓，數(shù)據(jù)存儲在磁道上。扇區(qū)磁道的最小存儲單位，通常為512字節(jié)。柱面所有盤片上相同位置的磁道集合。磁盤調(diào)度算法先來先服務（FCFS）按請求到達的順序處理，簡單但效率低。最短尋道時間優(yōu)先（SSTF）選擇離當前磁頭位置最近的請求，可能導致饑餓。掃描算法（SCAN）磁頭沿一個方向移動，直到末端再反向，像電梯一樣。循環(huán)掃描（C-SCAN）只在一個方向掃描，到達末端后直接返回起點。文件系統(tǒng)的基本概念文件組織文件系統(tǒng)負責組織和管理磁盤上的文件和目錄結構。存儲管理分配和回收磁盤空間，跟蹤空閑和已用塊。文件操作提供創(chuàng)建、讀取、寫入、刪除等文件操作接口。安全性實現(xiàn)訪問控制和權限管理，保護文件安全。文件存儲的方式連續(xù)分配文件占用連續(xù)的磁盤塊。優(yōu)點是讀取速度快，缺點是可能造成磁盤碎片。鏈接分配文件以鏈表形式存儲。優(yōu)點是靈活，缺點是隨機訪問慢。索引分配使用索引塊記錄文件塊位置。優(yōu)點是支持直接訪問，缺點是需要額外空間存儲索引。目錄結構和文件管理1單級目錄所有文件都在一個目錄下，適用于簡單系統(tǒng)。2兩級目錄分為主目錄和用戶目錄，提供了用戶隔離。3樹形目錄層次結構，允許創(chuàng)建子目錄，最常用的結構。4圖形目錄允許目錄共享，形成一個有向圖結構。文件的基本操作創(chuàng)建在文件系統(tǒng)中創(chuàng)建新文件，分配空間。打開將文件加載到內(nèi)存，準備讀寫操作。讀取從文件中讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存。寫入將數(shù)據(jù)從內(nèi)存寫入文件。RAID技術介紹定義RAID（冗余獨立磁盤陣列）是將多個磁盤組合成一個邏輯單元的存儲技術。目的提高數(shù)據(jù)存儲的性能、可靠性和容量。常見級別RAID0（條帶化），RAID1（鏡像），RAID5（分布式奇偶校驗）等。應用廣泛用于服務器和企業(yè)級存儲系統(tǒng)。磁盤陣列的優(yōu)缺點優(yōu)點提高數(shù)據(jù)讀寫速度增強數(shù)據(jù)可靠性實現(xiàn)大容量存儲缺點成本較高復雜度增加某些RAID級別會降低可用容量網(wǎng)絡存儲技術DAS（直連存儲）存儲設備直接連接到服務器，簡單但擴展性有限。NAS（網(wǎng)絡附加存儲）通過網(wǎng)絡共享文件級存儲，易于管理和共享。SAN（存儲區(qū)域網(wǎng)絡）提供塊級存儲訪問，高性能但復雜度高。NAS和SAN的比較特性NASSAN訪問方式文件級塊級協(xié)議NFS,CIFSiSCSI,FC性能中等高易用性簡單復雜成本較低較高適用場景文件共享高性能應用云存儲的概述定義通過網(wǎng)絡提供的可擴展存儲服務。特點彈性擴展、按需付費、高可用性。類型公有云、私有云、混合云。安全性數(shù)據(jù)加密、訪問控制、多副本備份。存儲技術的未來發(fā)展趨勢13DNAND閃存通過垂直堆疊提高存儲密度和性能。2NVMe技術提供更快的存儲訪問速度和更低的延遲。3存儲級內(nèi)存結合存儲和內(nèi)存特性，提供持久性和高速訪問。4量子存儲利用量子特性實現(xiàn)超高密度和安全性的存儲。案例分析和思考題1RAID配置選擇為一個需要高可用性和性能的數(shù)據(jù)庫服務器選擇合適的RAID級別。2云存儲方案設計設計一個混合云存儲方案，滿足企業(yè)的數(shù)據(jù)安全和訪問需求。3虛擬化存儲優(yōu)化分