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本文轉載自微信公眾號「鮮棗課堂」，作者小棗君 。轉載本文請聯系鮮棗課堂公眾號。 

說到“存儲”，大家會想到什么?

是這個?

 

還是這個?

 

又或者是這個?

 

哈哈，沒錯，我們現在處于信息時代，每天都在和電腦、手機打交道。我們的工作和生活，已經完全離不開視頻、音樂、圖片、文本、表格這樣的數據文件。

而所有這些數據文件，都需要通過電子設備進行保存，這就是數據存儲，簡稱存儲。

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存儲的基本載體——硬盤

對于普通用戶來說，最常見的存儲設備，就是硬盤。

我們知道，計算機的三大核心硬件，分別是CPU(中央處理器)、內存(Memory)和硬盤(Hard Disk)。CPU負責運算，硬盤負責存儲。而內存，是CPU和硬盤之間的橋梁。用于暫時存放CPU中的運算數據。

CPU、內存、硬盤

 

絕大部分的臺式機、服務器、手機，都是內置存儲系統。也就是說，它們的硬盤安裝在設備內部。

以普通臺式機為例，硬盤通過專用接口和數據線，連接在主板上，實現和CPU、內存的數據連接。

臺式機上安裝好的硬盤

 

常用的硬盤專用接口如下：

 

手機等數碼設備的“硬盤”，則是做成了很小的存儲芯片，直接焊在主板上。

常見的手機存儲芯片：eMMC、UFS(更快)

 

我們再來簡單看看硬盤的內部結構。

目前主流的硬盤類型有兩種，分別是傳統機械硬盤和SSD固態硬盤。小棗君以大家比較熟悉的機械硬盤為例進行介紹。

左邊是機械硬盤，右邊是SSD固態硬盤

 

硬盤之所以叫硬盤，是因為它的核心部分是一塊或多塊由堅硬金屬材料制成的盤片。盤片上面涂抹了磁性介質，兩面都可以記錄信息。在盤面上讀/寫數據的，是磁頭。

硬盤，也叫磁盤(有點像唱片機)

 

下圖顯示的是一個盤面：

 

盤面中一圈圈灰色同心圓為一條條磁道。從圓心向外畫直線，可以將磁道劃分為若干個弧段，每個弧段被稱之為一個扇區(Sector，圖中綠色部分)。

扇區是磁盤的最小組成單元。大家應該看出來了，越靠圓心，扇區越短。那么，是不是越往外，扇區越長，存儲的數據越多呢?

不一定。

老式的硬盤，不管靠內還是靠外，每個扇區的大小是一樣的，都是512字節。這種硬盤用柱面-磁頭-扇區號(CHS，Cylinder-Head-Sector)組成的編號進行尋址。

而現在主流的硬盤，扇區密度是一致的，也就是說，越靠外側，扇區數越多。每個扇區的大小是4K字節，用一個邏輯塊編號尋址(LBA，Logical Block Addressing)。

以扇區為基礎，一個或多個連續的扇區組成一個塊，叫做物理塊。所以，硬盤往往又叫塊設備(Block Device)。

 

什么是邏輯卷?什么是文件系統?

為了方便管理，我們可以將硬盤這樣的物理塊設備，分割成多個邏輯塊設備。或者，我們也可以將多個物理塊設備，組合成一個容量更大的邏輯塊設備。

 

底層的相關技術和工具，包括RAID(大家可能比較熟悉)、JBOD、卷管理系統(Volume Manager)。

Windows的卷管理系統，就是它自帶的磁盤管理工具。而Linux的，是大名鼎鼎的LVM(Logical Volume Manager，邏輯卷管理)。

我們先說說Windows的。

在Windows中，磁盤分為基本磁盤和動態磁盤。默認情況下，用戶用的都是基本磁盤。

一個基本磁盤可以劃分為多個分區，分區類別包括主分區、擴展分區和邏輯分區。

硬盤分區

 

主分區是硬盤的啟動分區，我們常說的“C盤”就是硬盤上的主分區。MBR分區表可以劃分出4個主分區。如果使用GPT分區，可以管理128個主分區。

除去主分區以外，硬盤剩下的容量就被認定為擴展分區。擴展分區不能直接使用。擴展分區可以分成一個或若干個邏輯分區，也就是我們的“D盤”、“E盤”等。

 

動態磁盤是基本磁盤的升級模式。在動態磁盤中，分區叫做卷。卷的出現，就是為了便于對多硬盤進行管理。

簡單來說，動態磁盤可以將不同硬盤分到一個卷。假如你手中有160G和250G硬盤各一塊，如果想劃分90G和320G的分區，就可以借助動態磁盤來完成。

動態磁盤里面的卷，又分為簡單卷、跨區卷、帶區卷、鏡像卷、RAID-5卷。限于篇幅，就不做具體介紹了。基本磁盤里的分區，現在也被微軟改叫為卷。

再來看看Linux的LVM工具。

其實LVM和動態磁盤的思路差不多的，也是把物理空間變成邏輯空間。

首先，物理存儲介質進行初始化，變成物理卷(PV，physical volume)。

然后，一個或多個物理卷組成一個卷組(VG，Volume Group)。

創建卷組之后，再創建邏輯卷(LV，logical volume)。

整個過程，如下圖所示：

LVM主要元素的構成

 

好了，不管是Windows還是Linux，邏輯卷都有了，是不是可以直接使用它們啦?

不行，還差一步。那就是文件系統(File System)。

文件系統就像倉庫管理員。作為用戶，你不需要知道倉庫里面到底是什么樣子，只需要把貨物交給他，他會以一個樹形結構目錄，登記這些貨物。你來取的時候，只需要告訴他路徑，他就會把貨物交給你。

文件夾結構

 

文件系統有很多種類型，常見的有Windows的FAT/FAT32/NTFS(大家應該很熟悉)，還有就是Linux的EXT2/EXT3/EXT4/XFS/BtrFS等。

Windows系統下，通過對分區(卷)進行文件系統格式化，再分配一個盤符，我們就可以在“我的電腦”里看到可用的磁盤。Linux系統下，我們需要對邏輯卷進行文件系統格式化，然后執行掛載操作，也就能對存儲空間進行使用了。

▉ 什么是DAS/NAS/SAN

除了內置存儲之外，隨著存儲容量需求的不斷增加，加上維護便利性的需要，計算機系統開始引入了外掛存儲。也就是說，硬盤從計算機的內部，跑到了計算機的外部。

外掛存儲分為兩種，一種是直連式存儲(DAS，Direct Attached Storage)，還有一種是網絡存儲(FAS，Fabric Attached Storage)。

DAS直連式存儲，一般是使用專用線纜(例如SCSI)，與存儲設備(例如磁盤陣列)進行直連。

 

雖然數據存儲設備看似在外部，但直接掛接在服務器內部總線上，是整個服務器結構的一部分。

DAS的缺點是存儲設備只能連接到一臺主機使用，無法共享，成本較高，且安全性可靠性較低。

FAS網絡存儲，是一種多點連接式的存儲。它又分為NAS(Network-attached Storage，網絡接入存儲)和SAN(Storage Area Network，存儲區域網絡)。

這些概念的名字非常像，大家千萬別暈。畫個圖看得明白一些：

 

NAS與DAS相比，最大的特點是非直連。它可以通過IP網絡，實現多臺主機與存儲設備之間的連接。

 

NAS大大提高了存儲的安全性、共享性和成本。但是I/O(輸入輸出)漸漸成為性能瓶頸。隨著應用服務器的不斷增加，網絡系統效率會急劇下降。為了解決這個問題，出現了SAN存儲方案。

SAN是在NAS基礎上做的演進。它通過專用光纖通道交換機訪問數據，采用ISCSI、FC協議。

SAN和NAS的關鍵區別，就在于文件系統的位置。畫個圖就明白了：

 

可以看出，如果說SAN是一塊網絡硬盤的話，NAS基本上已經像一臺獨立的服務器了。NAS擁有文件系統，用戶可以通過TCP/IP協議直接訪問上面的數據。

現在很多家庭都開始使用小型NAS設備，相當于一個小型服務器。

 

在NAS的模式下，不同的客戶端可以使用網絡文件系統(Network File System)訪問NAS上的文件。常見的網絡文件系統有Windows網絡的CIFS(也叫SMB)、類Unix系統網絡的NFS等。

 

FTP、HTTP其實也算是文件存儲的某種特殊實現，它們通過某個URL地址來訪問一個文件。