技术贴｜云计算中的存储基础知识

腾科教育 2021-03-25

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前言

在日常生活中，我们在买个人电脑时，无论是笔记本电脑还是台式机，硬盘是必不可少的一部分，在购买时我们通常会关注很多的参数如：容量、速度、品牌等等。

在云计算中，硬盘也是必不可少的一部分，但是云计算中的硬盘和普通PC不一样，是看不到物理实体的，用户可能只需要关注性能和容量就可以。但是作为一个云计算工程师，除了需要知道如何实现客户的需求，更需要知道如何将物理的硬盘一步步转换为按照用户需求生成的云硬盘。

云计算虚拟化中的存储架构

在这个架构图中，最下层是物理磁盘，最上层是云硬盘。

虚拟化存储（从下往上看）

底层硬件：物理硬盘（SATA、SSD等）不可以直接使用

存储池：底层硬件组成存储池

NAS：需要建立文件系统，在形成共享目录，

SAN：需要进行逻辑划分产生逻辑卷，然后在建立文件系统，再形成共享目录

共享目录：虚拟机的磁盘对应一个一个的文件或文件夹（前面讲到虚拟机就是把物理机变成一个文件夹或文件）

虚拟机的磁盘：可存储数据

优势：

非虚拟化存储（从下往上看）

底层硬件：物理硬盘
直接进行逻辑划分，产生逻辑卷，逻辑卷直接挂载给计算集群给虚拟机使用。
分布式存储：变成分布式存储池，再进行逻辑划分，形成逻辑卷

直接进行逻辑划分，产生逻辑卷，逻辑卷直接挂载给计算集群给虚拟机使用。

分布式存储：

变成分布式存储池，再进行逻辑划分，形成逻辑卷。

虚拟化和非虚拟化存储的区别：

需不需要文件系统。虚拟化需要建立文件系统，非虚拟化不需要。

接下来我们按照架构图，一个部分一个部分详细的介绍。

常见的物理磁盘类型

机械硬盘（hard disk drive，HDD）

机械硬盘（hard disk drive，HDD）的历史始于1956年，由IBM公司发明，它拥有50个24英寸的盘片，重量约1吨，容量为5MB。1973年，IBM公司研制成功了一种新型的硬盘IBM 3340。这种硬盘拥有几个同轴的金属盘片，盘片上涂着磁性材料。它们与可以移动的磁头共同密封在一个盒子里，磁头能从旋转的盘面上读取磁信号的变化。这就是我们今天使用的与硬盘最接近的祖先，IBM把它叫作温切斯特硬盘。

工作原理

硬盘的读取速度在当时受到硬盘转速的限制。提高转速可以加快存取数据的速度，但是硬盘的磁头和盘片是相互接触的，过高的转速会导致磁盘损坏，于是技术人员想到让磁头在盘片上方“飞行”。盘片高速旋转会产生流动的风，因此只要磁头的形状合适，它就能像飞机一样在磁盘表面飞行，盘片就能很快的旋转而不必担心摩擦会造成故障，这就是温切斯特技术。

温切斯特硬盘采用了创新的技术，磁头被固定在一个能沿盘片径向运动的臂上，磁头并不与盘片接触。当磁头与盘片相对运动时，磁头能感应到盘片表面的磁极，并记录或改变磁极的状态来完成数据的读写。由于磁头相对于盘片高速运动，并且二者距离很近，这时哪怕是一点点灰尘也会造成磁盘的损坏，因此硬盘需要封装在一个密封的盒子里，来保持一个清洁的内部环境，确保磁头和盘片能高效可靠地工作。

在现代的计算机系统中，常见的存储介质有硬盘、光盘、磁带、固态硬盘等，硬盘容量大，价格低廉、读取速度可观、可靠性高，有着其它介质无法代替的作用，仍然被人们认为是重要的存储设备。

我们通常说的硬盘主要是指机械硬盘，它主要由盘片和主轴组件、浮动磁头组件、磁头驱动机构、前驱控制电路和接口等组成，如下图

盘片和主轴组件。盘片和主轴组件是两个紧密相连的部分，盘片是一个圆形的薄片，上面涂了一层磁性材料用以记录数据。主轴由主轴电机驱动，带动盘片高速旋转。
浮动磁头组件。浮动磁头组件由读写磁头、传动手臂和传动轴三部分组成。在盘片高速旋转时，传动手臂以传动轴为圆心带动前端的读写磁头在盘片旋转的垂直方向上移动，磁头感应盘片上的磁信号来读取或改变磁性涂料的磁性，以达到写入信息的目的。
磁盘驱动机构。由磁头驱动小车、电机和防震机构组成，其作用是对磁头进行驱动和高精度的定位，使磁头能迅速、准确地在指定的磁道上进行读写工作。
前驱控制电路。前驱控制电路是密封在屏蔽腔体内的放大线路，主要作用是控制磁头的感应信号、主轴电机调速、驱动磁头和磁头定位等。
接口。通常包含电源接口与数据传输接口。目前主流的接口类型有SATA和SAS，稍后会详细介绍。

硬盘内部用于存储数据的盘片，是一张表面涂有磁性材料的金属圆盘。盘片表面被划分出一圈圈磁道，当盘片在马达的驱动下高速旋转时，设置在盘片表面的磁头便受到精确的控制，沿着磁道读取和写入数据。当系统向硬盘写入数据时，磁头中便产生随着数据内容而变化的电流，这股电流会产生磁场，使盘片表面磁性物质的状态改变，并且这一状态在电流磁场消失后仍能持久地保持下来，这就相当于是将数据保存了下来。当系统从硬盘中读取数据时，磁头经过盘片指定区域，盘片表面的磁场使磁头产生感应电流或线圈阻抗产生变化，这一变化被捕捉下来，经过一定的处理，便能够还原出原本写入的数据。

SATA盘

早些年电脑配的都时这种硬盘，现在一般性能好的都配SSD，要么就是SSD做系统盘+SATA做数据盘。

SATA，即串行ATA（serial ATA），ATA（advanced technology attachment）。又叫串口硬盘。

ATA接口实际上就是我们常说的IDE（integrated drive electronics）接口

优点

价格低：1T：￥200-300

兼容性好

支持热插拔，即插即用

更强的纠错能力：数据传输出现错误，能自动纠正

缺点

体积大，重量重

速度慢：最快的7200转（玩游戏：吃鸡，刚跳伞地图画面加载不出来，就是硬盘读取地图数据太慢）7200转噪声大，一般笔记本5400转

易损坏：因为是机械结构，而且是磁结构。一定程度的碰撞、敲击就会使磁盘损坏。

磁盘碎片：使用久了会产生磁盘碎片占用硬盘空间。

SAS接口硬盘

由于SATA硬盘的接口扩展性差，性能低。为了改善存储系统的效能、可用性、可扩展性。于是有了SAS接口硬盘。

SAS（serial attached SCSI），即串行连接SCSI（small computer system interface，小型计算机系统接口）。与SATA类似，SAS也是从对应的并行SCSI技术发展而来。

优点

速度较快：转速最大支持15000转
接口更加灵活（更小）
向下兼容SATA（SAS接口可以与SATA硬盘相连）

缺点

价格较SATA贵
硬盘容量比SAS小
噪音大：因为15000转，所以SAS盘一般用于企业、数据中心等。

NL-SAS接口硬盘

SAS接口硬盘的读写速度要优于SATA硬盘，但是价格也相对要高一些，同时SAS硬盘的容量一般会比SATA小，那有没有一种办法，既要便宜又要存储效能高呢。

所以就产生了NL-SAS硬盘，它是用SAS接口和SATA级盘体组成的硬盘。

NL-SAS全称为“near line SAS”，是一种介于SATA和SAS之间的硬盘。

NL-SAS的IOPS相比15000转速的SAS硬盘差了近一半（7200转），但是从整个RAID的运行情况来看，其性能与SATA硬盘相比有明显的提升，而且NL-SAS硬盘有SATA盘的容量和价格，SAS硬盘的可靠性，因此NL-SAS在市场上很受欢迎。

上面三种硬盘都是用磁技术的。可以叫做磁盘。

固态硬盘

历史：

世界上第一款固态硬盘（Solid State Drive，SSD）出现于1989年。当时价格很贵，但是性能很高。所以没有广泛应用。但由于固态硬盘独有的抗震、静音、低功耗等特性，却能应用于非常特殊的市场，如医疗工作以及军用市场，因此在这些领域，固态硬盘得到了一定程度的发展。

随着固态硬盘技术的日趋成熟、制造工艺的提升、生产成本的降低，它开始逐渐进入消费领域。2006年，三星发布了第一款带有32GB固态硬盘的笔记本电脑。2007年初，SanDisk发布了两款32GB的固态硬盘产品。

目前，固态硬盘已经成为很日常的一个东西。价格趋于平稳，大家都买得起。256G大概在300元左右。目前主流的个人电脑都会配置SSD。

优点

速度快：民用最快的（三星970EVOPLUS，读写：3500MB/S左右）（可以查看价格）（少了驱动磁盘、马达的时间）（用闪存颗粒存储）
体积小、重量轻
功耗小：机械磁盘需要额外电力驱动机械结构（SATA：5V）
抗震：没有机械结构
静音
温度范围：-45℃~85℃

缺点

贵：对数据传输速率不敏感的地方没有必要用。
寿命短：一般高性能的闪存可以擦除1万～10万次，普通消费级的闪存只能擦除3千～3万次。随着制造工艺的不断提升，存储单元的尺寸越做越小，闪存的最大擦除次数还将进一步降低。好在通常情况下，固态硬盘的主控芯片都具有平衡芯片损耗的功能，可以使存储芯片更加均匀地被消耗，从而提高使用寿命。

工作原理

固态硬盘由主控芯片、存储芯片构成。存储芯片负责存放数据，主控芯片则控制数据的读/写过程协调。存储芯片按介质分为两种，最常见的一种是采用闪存（Flash芯片）作为存储介质，另一种是采用动态随机存取存储器（DRAM）作为存储介质。