一、緒論
1.存盤的本質
資訊跨越空間的傳遞——通訊
資訊跨越時間的傳遞——存盤
通訊：利用具有跨越空間特性的物理現象 ---聲音、光、電
存盤：利用具有時間穩態的物理現象 ---物理穩態、磁穩態、半導體穩態
什么是存盤？
存盤：
·它是資料臨時或長期駐留的物理媒介；
·它是保證資料完整安全存放的方式或行為，
計算機存盤系統：
指計算機中由存放程式和資料的各種存盤設備（介質）、控制部件與介面及管理資訊調度的設備（硬體）和演算法（軟體）所組成的系統，
存盤的主要指標：
容量：可以存下多少東西
速度：讀寫帶寬、讀寫次數/秒（IOPS）
持久性：資料能夠保存多久 ?大小：體積是多少
方便性：是否方便移動和攜帶
功耗：消耗能耗高低
性價比：單位價格下主要指標如何，例如速度 、容量等指標；
1.1存盤介質的發展歷程
(1)存盤的歷史
象形文字、石刻楔形文字、竹簡、紙質印刷
現在進入“磁器時代”，大部分資料都是用硬碟保存，磁盤稱為當今世界資料存盤的主流技術
存盤器設備：計算機系統中的記憶設備，用來存放程 序和資料
(2)存盤器的發展
存盤器類別：打孔紙卡、穿孔紙帶、威廉管、磁鼓、汞延遲線、超聲波存盤器、鐵電存盤磁芯、相變存盤、可擦除可編程只讀存盤器、Flash、磁阻式隨機存取記憶體
磁芯存盤器：核心使用微小的磁環（環），核心通過執行緒來寫入和讀取資訊， 每個核心代表一點資訊， 磁芯可以以兩種不同的方式（順時針或逆時針）磁化，存盤在磁芯中的位為零或一，取決于磁芯的磁化方向， 布線被布置成允許單個芯被設定為1或0，并且通過向所選擇的導線發送適當的電流脈沖來改變其磁化， 讀取內核的程序會導致內核重置為零，從而將其擦除， 這稱為破壞性讀數， 在不進行讀寫操作時，即使關閉電源，內核也會保持最后的值， 這使它們成為非易失性的，
1955-1975：磁芯存盤器統治了計算機隨機存盤器（RAM）
1964年：靜態隨機存取存盤器（SRAM）
1969年：英特爾公司開發了第一個256位靜態RAM
1966年：IBM公司發明了動態隨機存取記憶體（DRAM）
各代DDR的主要改進：
1.SDRAM：（同步動態隨機存盤器）
Synchronous Dynamic Random Access Memory，一個時鐘 周期內只傳輸一次資料，它是在時鐘的上升期進行資料傳輸；
Memory作業需要同步時鐘，內部的命令的發送與資料的傳 輸都以它為基準；
動態是指存盤陣列需要不斷的重繪來保證資料不丟失；
2.DDR：Double Data Rate SDRAM
一個時鐘周期內傳輸兩次資料，它能夠在時鐘的上升期和 下降期各傳輸一次資料，稱為雙倍速率SDRAM ；
更先進的同步電路，使指定地址、資料的輸送和輸出主要 步驟既獨立執行，又保持與CPU完全同步；
3.DDR2：
在同等核心頻率下，DDR2的實際作業頻率是DDR的兩倍，這得益于 DDR2記憶體擁有兩倍于標準DDR記憶體的4BIT預讀取能力 ；
在采用更低發熱量、更低功耗的情況下，DDR2可以獲得更快的頻率 提升，突破標準DDR的400MHZ限制 ；
DDR2記憶體通常采用FBGA芯片封裝形式，功耗和發熱量更小，
4.DDR3：
突發長度（Burst Length，BL），DDR3增加了一個4bit Burst Chop（突發突變）模式；
新增重置（Reset）功能，當Reset命令有效時，DDR3記憶體將停止所 有操作，并切換至少量活動狀態，以節約電力 ；
尋址時序（Timing），DDR2的CL（CAS Latency）范圍一般在2～5 之間，而DDR3則在5～11之間，
5.DDR4:
相比DDR3大的區別有三點：16bit預取機制（DDR3為8bit），同樣內核頻率下理論速度是DDR3的兩倍；更可靠的傳輸規范，資料可 靠性進一步提升；作業電壓降為1.2V，更節能，
相變存盤
在1969年Charles Sie的論文中提出這項存盤技術 ;
三星公司成為第一個成為開發出PCRAM的公司， 美光公司則已經生產出容量為1Gb的芯片;
相變記憶體具有高速存取和非易失的特性
磁阻式隨機存取記憶體MRAM
1989年：磁阻式隨機存取記憶體MRAM (MagnetoresistiveRandom Access Memory）
MRAM接近靜態隨機存盤器（SRAM）的高速讀 取寫入能力，以及動態隨機存盤器（DRAM）的 高集成度
IBM在上世紀八九十年代最早開始研發，但其商業 化的步伐依然沒有取得進展，目前仍處于研發階段
(3)輔存盤器的變遷
磁帶、 磁盤、軟盤、 光碟、固態盤
閃存的主要優點：非易失、體積小、重量輕、低能耗、無噪聲、抗震動
我們平時用的固態硬碟（SSD）就是flash組成的磁盤陣列，
(2018年3月，100TB固態硬碟上 市：Nimbus Data公司的 ExaDriveDC100系列固態硬碟)
注：記憶體條一般是用DRAM技術做成的，而Cache一般是用SRAM做成的
1.2 硬體存盤介面技術的發展
總線技術：
System Bus ：連接CPU 和Memory ；
Local (I/O) Bus ：從外部設備搬運資料 ；
Bus 指標：
BUS width measured in bits ；
Bus speed measured in MHz ；
Throughput measured in MB/S；
連接協議
1.存盤總線介面：IDE/ATA
· IDE：Integrated Device Electronics
· ATA指令集（Advanced Technology Attachment：1986 年）
· CalledPATA：并行的ATA80芯資料線
·上世紀90年代最流行的現代硬碟介面之一
·最大：133 Mbps，低價格上的好性能
·Desktop 和laptop系統
·Inexpensive 存盤鏈接interconnect
2.SCSI：Small Computer System Interface
SCSI：服務器最流行的硬碟介面，1986標準化
·高速資料傳輸、帶寬大、熱插拔：320MB/S;連接設備8-16個
·支持多個資料的同時訪問
較IDE/ATA價格昂貴
并行模式SCSI
主用在“高端計算” 環境中
3.存盤總線介面：SATA/ATA
SATA協議：Serial串行ATA（IDE：并行ATA）
·ATA指令集，串行線路傳輸資料，2000年
·傳輸率高、可靠性強、針腳少（6－8）
·目前最高速率600MB/S
·桌面系統和服務器，稍貴的存盤鏈接：相對IDE
SAS（Serial Attached SCSI）：串行模式SCSI介面
·3.0 Gbps-6Gbps
·高端服務器
4.Internal DAS Connectivity Examples
主機外連存盤設備的構件Components
FibreChannel:光纖通道FC
外部存盤介面SCSI與FC比較
FibreChannel：可支持SCSI 指令集
高帶寬：2-8Gbps
傳輸距離遠：長達150m ~ 50km
確定性低延遲：微秒級端到端 延遲；
低誤碼率：小于10-12 ；
抗干擾能力強：對電磁干擾有 天然的免疫力
Dual-ported drives
SCSI ：
320MB/S
有限的距離
有限的設備數目： 大8-16
Usually limited to single initiator
Single-ported drives
Fibre Channel Connectivity
Bus 技術-PCI
PCI：Peripheral Component Interconnect(外設 部件互連)
計算機內的區域并行總線標準
廣泛用于當前高檔微機和便攜式微機，主要用于連接顯示 卡、網卡、聲卡，主板帶有多數量的插槽型別
高速鏈接微處理器和外部設備
即插即用功能
32/64 bit；133 MB/sec
Bus 技術-PCIe
PCI Express: Evolved from PCI and PCI-X? architectures
高速串行替換協議for PCI and PCI-X；
高8GB/s總 線帶寬
PCI Express鏈路是兩個設備之間（PCI Express埠） 的點對點通信通道
Implements packet based protocol for information transfer
在物理層面上，一條鏈路由一潭訓多條通道組成，包含1 個到32個通道，更精確地包括1,2,4,8,12,16或32個通道
?例如，低速外設（例如802.11 Wi-Fi卡）使用單通道（×1） 鏈路，而圖形配接器通常使用更寬更快的16通道鏈路，
PCI vs PCIe的速度比較
SCSI協議結構
1.3 存盤系統基本結構形式
存盤系統:
1）存盤資源組合：提供大容量、高性能、低價格、 高可用、高安全的存盤系統為目的
·?存盤資源單元：暫存器、SRAM、DRAM、Flash、硬碟、磁 帶、光碟
2）各種層次和規模的組合：大/快/便宜的存盤器
經典的組合---Cache和VM（虛擬記憶體）
?Cache-：SRAM與DRAM的組合
?VM：DRAM 與DISK的組合（看起來又大又快又便宜 的存盤器）
存盤層次–速度和開銷：
磁盤陣列
集成大量廉價的小型磁盤存盤器構造出磁盤陣列：
“分塊”、“交叉存取”以及冗余容錯等技術
容量大、可靠性高、性能高
(個人認為磁盤陣列一般都要附加一個陣列控制器 例如RAID Controller)
直接附加存盤Direct Access Storage
以服務器為中心：存盤設備通過總線（SCIS線等） 直接連接到主機上，受控于主機
·存盤設備內部利用SCSI總線通道或FC通道、IDE介面連接多個磁盤，實作RAID技術，形成一個磁盤陣列，從而解決了資料容錯、大存盤空間的問題
優點：簡單、便宜、易于安裝部署管理
存盤的邏輯卷和檔案系統概念
1.塊設備
(1)以Block為基本讀寫單位的設備
?磁盤：“Block”指Sector
?閃存：“Block”指Page或Subpage
?RAID：“Block”指Stride
(2)鍵盤、滑鼠不是塊設備，它們以位元組流的形式讀寫
(3)網卡不是塊設備，但通過網卡連接的iSCSI存盤設備是塊設備
2.物理卷（Physical Volume）
將一個塊設備劃分成幾個部分，每部分稱作一個物理卷(也稱“磁區”)
物理卷的引入使大容量塊設備的管理更容易
每個物理卷被劃分成許多大小一致的Physical Extents（物理塊）
3.卷組（Volume Group)
大量的物理卷組成一個存盤池，叫卷組
?卷組可包含多個塊設備上的物理卷
?一個塊設備上的物理卷可處于多個卷組中
卷組的引入為可伸縮的存盤空間管理提供基礎
4.邏輯卷（Logical Volume）
卷組包含多個物理卷，每個物理卷包含大量Physical Extents，邏輯卷管理器從這些Physical Extents拿出一部分組成邏輯卷
?邏輯卷由大量Logical Extents組成
?邏輯卷的每個Logical Extent對應物理卷的一個Physical Extent
?同一邏輯卷的Logical Extents可來自不同的物理卷，同一物理卷的 Physical Extents可處于不同的邏輯卷中
每個邏輯卷上安裝一個檔案系統，邏輯卷通過增加和減少Logical Extent調整大小，導致檔案系統的容量是可伸縮的
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標籤：大數據