文章目录
- 存储技术基础
- 一、存储基础
- 1. 什么是存储
- 2. 存储架构发展历程
- 二、主流硬盘类型与指标
- 1. 四类硬盘对比
- 2. 硬盘关键指标
- 3. 性能数值对比（重点记忆）
- 三、三种存储组网（重点）
- 1. DAS（直连附加存储）
- 2. NAS（网络附加存储）
- 3. SAN（存储区域网络）
- FC-SAN（光纤 SAN）
- IP-SAN（iSCSI SAN）
- 4. 三种组网总结对比（必背）
- 四、存储形态：集中式 vs 分布式
- 五、三种存储业务类型（重点）
- 六、RAID 技术（核心重点）
- 1. RAID 基本概念
- 2. 数据组织形式
- 3. 两种数据保护方式
- 4. 常见 RAID 级别对比（必背）
- 5. 热备与重构
- 6. 华为 RAID 2.0+（块级虚拟化）
- 七、存储协议（重点）
- 1. SCSI
- 2. iSCSI（IP-SAN 的核心协议）
- 3. FC 与 TCP/IP 融合协议
- 协议栈封装速记
- 八、必背缩略语
- 九、考点速记
存储技术基础
一、存储基础
1. 什么是存储
在计算机或电子设备上存储和管理数字信息的过程，包括物理设备（硬盘/SSD）和虚拟存储系统（云存储），目标是可靠、安全地存取数据。
2. 存储架构发展历程
| 阶段 | 年代 | 形态 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 传统存储 | 1950s | 硬盘在服务器内部 | 槽位少、容量小、单盘可靠性差、数据分散 |
| 外挂存储 | 1980s | JBOD → 磁盘阵列 | JBOD 纯扩容；阵列控制器带 RAID + 大 Cache，提性能和安全性 |
| 存储网络 | 1990s | NAS / SAN | 存储与服务器分离，网络化共享 |
| 本世纪 | 现在 | 分布式存储、云存储 | 多节点组成逻辑存储池，弹性扩展、多租户 |
二、主流硬盘类型与指标
1. 四类硬盘对比
| 对比项 | SATA | SAS | NL-SAS | SSD |
|---|---|---|---|---|
| 转速 | 7,200 | 10K/15K | 7,200 | 无机械结构 |
| 容量 | 1/2/3T | 0.6/0.9T | 2/3/4T | 0.6~1.6T |
| MTBF | 120万h | 160万h | 120万h | 200万h |
| 年故障率 | ~2% | <2% | ~2% | 最低 |
| 定位 | 大容量廉价 | 企业级高性能，兼容 SATA | SAS 接口的企业级 SATA，用于分级存储 | 闪存盘，性能最强 |
2. 硬盘关键指标
- 容量、转速（机械盘）、平均访问时间、数据传输率
- IOPS：每秒读写次数（随机小 IO 能力，4K 随机写）
- 带宽：顺序读写吞吐（128K 顺序读），两者都是越高越好
3. 性能数值对比（重点记忆）
| 硬盘类型 | IOPS（4K随机写） | 带宽（128K顺序读） |
|---|---|---|
| SATA | 330 | 200 MB/s |
| SAS 10K | 350 | 195 MB/s |
| SAS 15K | 450 | 290 MB/s |
| SATA SSD | 3万~6万 | 540 MB/s |
| SAS SSD | 15.5万 | 1000 MB/s |
| NVMe SSD | 30万 | 3500 MB/s |
结论：机械盘 IOPS 只有几百，SSD 是几万到几十万，差距上千倍。
三、三种存储组网（重点）
1. DAS（直连附加存储）
- Direct Attached Storage，70年代诞生，最早最简单的架构
- 连接方式：SCSI / SAS / FC 线缆直连服务器
- 速率：3/6/12 Gbit/s
- 数据类型：块级
- 缺点：难管理、扩展性有限、存储空间利用率不高
2. NAS（网络附加存储）
- Network Attached Storage，90年代初，为解决数据共享而生
- 通过**以太网（IP 网络）**连接，多台服务器共享后端存储
- 协议：CIFS（Windows）、NFS（Linux/Unix），支持同一文件并发读写
- 文件系统在后端存储设备上
- 数据类型：文件级
- 优点：成本低、易安装；缺点：性能较低
3. SAN（存储区域网络）
通过专用高速网络把存储设备和服务器连起来的专用存储系统，划分为多个LUN给前端主机，数据类型为块级。
FC-SAN（光纤 SAN）
- 90年代中后期，解决 DAS 扩展性差问题，可连上百台服务器
- 连接：FC 光纤 + 专用 FC 交换机，走 FC 协议栈
- 速率：2/4/8 Gbit/s
- 优点：高性能、高扩展；缺点：昂贵、配置复杂、兼容性问题
IP-SAN（iSCSI SAN）
- 2001年诞生，解决 FC-SAN价格贵、管理难的门槛
- 连接：普通以太网 + 以太网交换机，走 iSCSI 协议
- 速率：1/10 Gbit/s
- 优点：复用成熟 IP 网络，成本低、易管理；缺点：性能相对低
4. 三种组网总结对比（必背）
| 对比项 | DAS | NAS | FC-SAN | IP-SAN |
|---|---|---|---|---|
| 传输类型 | SCSI/FC/SAS 直连 | IP（以太网） | FC（光纤） | IP（以太网） |
| 数据类型 | 块级 | 文件级 | 块级 | 块级 |
| 交换设备 | 无 | 以太网交换机 | FC 交换机 | 以太网交换机 |
| 典型应用 | 任何场景 | 文件服务器、文件共享 | 数据库等高性能场景 | 视频监控、中小数据库 |
| 优点 | 简单、兼容性好 | 成本低、易安装、利于共享 | 高性能、高可用、高扩展 | 成本低、扩展性好 |
| 缺点 | 扩展性差 | 性能较低 | 昂贵、配置复杂 | 性能较低 |
四、存储形态：集中式 vs 分布式
| 对比项 | 集中式存储 | 分布式存储 |
|---|---|---|
| 结构 | 集中在一套系统（可能几个机柜），含 SAN/NAS | 数据分散在多台独立服务器上 |
| 特点 | 部署结构简单，无需考虑多节点协作 | 多节点分担负载，易扩展，可靠性/可用性/存取效率高 |
| 技术分类 | SAN（FC-SAN/IP-SAN）、NAS | 软件把物理资源组织成逻辑存储池 |
| 适用 | 企业级传统业务 | 高扩展需求，金融数据库等高性能场景也在用 |
五、三种存储业务类型（重点）
| 类型 | 块存储 | 文件存储 | 对象存储 |
|---|---|---|---|
| 协议 | iSCSI / FC | NFS / CIFS | HTTP / REST / S3 |
| 访问方式 | 直接访问，开销最小、效率最高 | 通过文件系统，易与应用对接 | Key + 元数据 + 数据，结构扁平 |
| 扩展性 | 成本高、扩展困难 | 有一定扩展性，限制较多 | 近乎无限扩容，自管理、跨地域 |
| 典型场景 | 企业数据库（Oracle 等） | 企业内部应用整合、文件共享 | 互联网服务、归档、备份 |
六、RAID 技术（核心重点）
1. RAID 基本概念
RAID：Redundant Array of Independent Disks，独立硬盘冗余阵列。把多块物理盘按不同方式组合成一个逻辑盘，提高读写性能和/或数据安全性。
2. 数据组织形式
- 条带化：把硬盘空间按设定大小切成多个条带，数据按条带分块写入多块盘（并行读写提性能）
- 条带 strip：单盘上一个或多个连续扇区，是分条的元素
- 分条 stripe：多块盘上相同编号的条带构成一个分条
3. 两种数据保护方式
| 方式 | 原理 |
|---|---|
| 镜像 Mirroring | 在另一块冗余盘上保存数据副本（空间换安全） |
| 奇偶校验 XOR | 异或运算：相同为 0、相异为 1（0⊕0=0，1⊕1=0，0⊕1=1）；坏一块盘可用剩余数据+校验反推恢复 |
4. 常见 RAID 级别对比（必背）
| 级别 | 组合方式 | 冗余能力 | 磁盘利用率 | 优缺点 |
|---|---|---|---|---|
| RAID 0 | 数据条带化，无校验无镜像 | 无（坏1盘全丢） | 100% | 性能最好，最不安全，至少2盘 |
| RAID 1 | 数据镜像，无校验 | 可坏1盘 | 50% | 可靠性高，容量浪费一半，至少2盘 |
| RAID 3 | 条带化，校验放专用校验盘 | 可坏1盘 | (n-1)/n | 专用校验盘易成瓶颈 |
| RAID 5 | 条带化，校验分布式存放在各盘 | 可坏1盘 | (n-1)/n | 性能与安全均衡，最常用，至少3盘 |
| RAID 6 | 双校验（DP：横向 P + 斜向 DP） | 可坏2盘 | (n-2)/n | 安全性最高，至少4盘 |
| RAID 10 | 先做 RAID 1 镜像，再做 RAID 0 条带 | 每组镜像可坏1盘 | 50% | 性能+安全都强，成本高，至少4盘 |
| RAID 0+1 | 先条带后镜像（与10顺序相反） | 同上 | 50% | 可靠性略低于 RAID 10 |
| RAID 50 | 先 RAID 5 再 RAID 0 | — | 更高 | 提升 RAID 5 性能 |
RAID 6 DP（Double Parity）：横向校验 P = 同行数据 XOR；斜向校验 DP = 斜向数据 XOR，允许同时坏两块盘。
5. 热备与重构
- 热备 Hot Spare：RAID 组中某盘失效，备用盘自动顶替，不影响系统运行
- 全局热备：一块备盘给所有 RAID 组共享
- 专用热备：备盘只给指定某一个 RAID 组
- 重构：换上新盘后，通过 XOR 校验数据重建故障盘内容
- 痛点：机械盘容量越大，重构时间越长，重构期间再坏一块盘就会丢数据
6. 华为 RAID 2.0+（块级虚拟化）
- RAID 2.0：解决传统 RAID 重构慢、重构窗口内再坏盘丢数据的风险
- RAID 2.0+：把硬盘切分成几十 KB 粒度的细颗粒（块级虚拟化 Virtual for Disk），再在上层组成存储池（Virtual for Pool）
- 两层虚拟化：底层块虚拟化 + 上层资源池，配合 Smart 效率软件管理
- 优势：数据均衡分布到每块盘，负载均衡，重构速度大幅提升（多盘并行重构）
七、存储协议（重点）
1. SCSI
- Small Computer System Interface，小型计算机系统接口，用于主机与外部设备连接
- C/S 模型：主机适配器（Initiator）通过 SCSI 总线连接磁盘阵列（Target），每设备有 SCSI ID，下分多个 LUN
2. iSCSI（IP-SAN 的核心协议）
- Internet SCSI：把SCSI 命令和块数据封装进 TCP 报文，在 IP 网络传输
- 意义：用成熟廉价的 IP 网络延伸 SAN
- 两个角色：
- Initiator（发起端）：SCSI 层生成 CDB 命令描述符 → iSCSI 层封装成 PDU → 经 IP 网络发出
- Target（目标端）：收到 PDU → 还原 CDB 交给 SCSI 层解释执行
3. FC 与 TCP/IP 融合协议
FC-SAN 和 IP-SAN 长期并存互补，融合方式有iFCP 和 FCoE：
| 协议 | 全称 | 原理 | 定位 |
|---|---|---|---|
| iFCP | Internet Fibre Channel Protocol | 网关到网关协议，在 TCP/IP 网络中为 FC 设备提供通信，实现端到端 IP 连接（协议层位于 FC 与 TCP/IP 之间） | FC 设备跨 IP 网络互联，用网关 |
| FCoE | Fibre Channel over Ethernet | 把FC 帧封装进以太网帧，一根线缆同时跑 LAN 和 FC SAN 流量 | 网络融合，减少设备/线缆/供电制冷，降低管理负担 |
区别：iFCP 靠网关把 FC 流量路由到 IP 网络（可跨三层）；FCoE 是在同一以太网上融合 LAN 与 SAN 流量。
协议栈封装速记
- iSCSI：SCSI → iSCSI → TCP → IP
- iFCP：SCSI → FC → iFCP → TCP → IP
- FCoE：FC-2 及以上层 → FCoE → MAC → PHY（封装到以太网帧）
八、必背缩略语
| 缩写 | 全称 | 中文 |
|---|---|---|
| DAS | Direct Attached Storage | 直连附加存储 |
| NAS | Network Attached Storage | 网络附加存储 |
| SAN | Storage Area Networks | 存储区域网络 |
| FC | Fiber Channel | 光纤通道 |
| SCSI | Small Computer System Interface | 小型计算机系统接口 |
| iSCSI | Internet SCSI | 网络小型计算机系统接口 |
| FCoE | Fibre Channel over Ethernet | 以太网光纤通道 |
| iFCP | Internet Fibre Channel Protocol | Internet 光纤信道协议 |
| RAID | Redundant Array of Independent Disks | 独立硬盘冗余阵列 |
| IOPS | Input/Output Per Second | 每秒读写次数 |
| MTBF | Mean Time Between Failure | 平均无故障工作时间 |
| LUN | Logical Unit Number | 逻辑单元号 |
| JBOD | Just a Bunch Of Disks | 简单磁盘捆绑 |
九、考点速记
- 存储架构演进：本地盘 → JBOD → 磁盘阵列 → NAS/SAN → 分布式/云存储
- 机械盘 IOPS 仅几百，NVMe SSD 可达 30 万 IOPS / 3500MB/s
- DAS 块级直连；NAS 文件级（NFS/CIFS，走以太网）；SAN 块级
- FC-SAN 用 FC 交换机和光纤；IP-SAN 用以太网交换机+iSCSI，便宜
- 块存储（数据库，效率最高）、文件存储（共享）、对象存储（互联网/归档，无限扩展）
- RAID 0 条带无冗余；RAID 1 镜像利用率 50%；RAID 5 分布式校验可坏1盘（至少3盘）；RAID 6 双校验可坏2盘（至少4盘）；RAID 10 先镜像后条带
- 热备分全局式/专用式；重构靠 XOR 异或校验
- 华为 RAID 2.0+ = 块级虚拟化（几十KB粒度）+ 存储池，负载均衡、快速重构
- iSCSI = SCSI 封装到 TCP/IP；FCoE = FC 封装到以太网（网络融合）；iFCP = 网关到网关的 IP 化 FC
