存储介质工作原理

二、存储介质工作原理

存储介质（Storage Media）是应用程序和用户用以接收、保留、读取和索引电子数据的物理设备。存储介质可能位于计算机或其他设备内部，也可能是可以直接或通过网络连接的外部系统。

打孔纸带是早期形式的存储介质，每个孔对应一个数据位，纸带阅读器会识别孔并将其转换为数字。打孔纸带被磁带取代，后逐步让位于磁性软盘。目前的存储介质主要是机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）等。

除此之外还有通用串行总线（USB）闪存驱动器、磁带、光盘（CD）和非易失性存储器（NVM）卡（内置硬件的存储芯片）。

根据存储数据类型的不同，存储又可分为主存储和辅助存储。主存储是指保存在内存中以供计算机处理器快速检索的数据，而辅助存储是指存储在非易失性设备（如 SSD 和 HDD）上的数据。

三、存储介质分类

1）硬盘驱动器（Hard Disk Driver，HDD）

HDD简称硬盘，为磁带或软盘（现已不再使用）等磁存储介质提供了一种高容量替代方案。一般由磁盘、磁头、主轴等几部分组成。

所有的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴即盘片主轴。所有盘片之间是严格平行的，在每个盘片的存储面上都有一个磁头。它包含涂有磁性层的金属盘片。盘片通常在计算机开机时连续旋转，数据存储在磁盘上的不同扇区中。目前硬盘仍然是计算机存储、活跃的数据档案和数据长期保存的主要选择。

盘片的扇区内部的结构如下：

存储数据时：

HDD的一个缺点是磁盘的机械部分容易发生故障，如盘片、磁头、控制电机和主轴。尽管如此，HDD在企业级磁盘阵列中仍然很受欢迎，因为它们的容量不断增加，并且能够反复擦写数据。随着技术的发展，单个磁盘的容量也越来越大，2017年，西部数据公司推出了14TB硬盘，该硬盘成为当时市场上容量最大的硬盘。希捷科技在2019年推出了16TB硬盘。此后，Western Digital推出了20TB的磁盘。

近年来，一些HDD使用叠瓦式磁记录（Shingled Magnetic Recording，SMR）作为传统磁记录的替代方案。SMR允许将数据写入磁盘部分重叠的磁道中，从而实现更大的面密度。SMR驱动器最适合处理持续写入的数据，例如，基于磁盘的归档和备份，但它可能会对其他对响应速度有要求的任务类型的性能产生负面影响。

2）独立硬盘冗余阵列（Redundant Array of Inexpensive Disks，RAID）

磁盘阵列（Disk Array，DA）是使用多个磁盘（包括驱动器）的组合来代替一个大容量的磁盘。这不仅能比较容易地构建大容量的磁盘存储器系统，而且可以提高系统的性能。磁盘阵列一般是以条带为单位把数据均匀地分布到多个磁盘上（交叉存放），使得磁盘存储器系统可以并行地处理多个数据读写请求，从而提高总的I/O性能。

这里并行性有两方面的含义，一是多个独立的请求可以由多个盘来并行地处理，这减少了I/O请求的排队等待时间。其次，一个请求如果是访问多个块的话,就可以由多个磁盘合作来并行处理，从而提高了单个请求的数据传输率。

阵列中磁盘的个数越多，磁盘阵列的性能就越高（存储性能提升）。但是，磁盘数量的增加会导致磁盘阵列可靠性的下降（因为存储数据时交叉存储，如果某个出现问题会导致数据缺失）。磁盘阵列的可靠性是单个磁盘可靠性的1/N（N为磁盘个数）。

RAID通过在磁盘阵列中设置冗余信息盘很好地解决这个问题，由此成为DA方案的代表。当单个磁盘失效时，丢失的信息可以利用冗余盘中的信息重新构建。只有在这个失效磁盘被恢复（修复或更换）之前，又发生了第二个磁盘的失效时，磁盘阵列才不能正常工作。由于磁盘的平均无故障时间（ MTTF）为几十年，而平均修复时间（MTTR）只有几个小时，所以容错技术使得磁盘阵列的可靠性比单个磁盘高很多。

例如，假设单个磁盘在三年内出现故障的概率是2.59%，构建一个由8个磁盘构成的RAID，如采用RAID5，磁盘阵列三年内不出故障的安全概率为99.224067%；而如果采用用RAID6构建系统，三年内不出故障的安全概率为99.911772%。

在RAID中增加冗余信息盘有多种不同的方法，这也构成了不同RAID级别。

特征	最少#个驱动器	数据保护	读取性能	写入性能	读取性能（降级）	写入性能（降级）	产能利用率	典型应用
RAID 0	2	无保护	高	高	不适用	不适用	100%	高端工作站、数据记录、实时渲染、非常短暂的数据
RAID 1	2	单驱故障	高	中等	中等	高	50%	操作系统、事务数据库
RAID 5	3	单驱故障	高	低	低	低	67% - 94%	数据仓库、网络服务、归档
RAID 6	4	两驱故障	高	低	低	低	50% - 88%	数据归档、备份到磁盘、高可用性解决方案、具有大容量需求的服务器
RAID 10	4	每个子阵列中最多有一个磁盘故障	高	中等	高	高	50%	快速数据库、应用服务器
RAID 50	6	每个子阵列中最多有一个磁盘故障	高	中等	中等	中等	67% - 94%	大型数据库、文件服务器、应用服务器
RAID 60	8	每个子阵列中最多两个磁盘故障	高	中等	中等	低	50% - 88%	数据归档、备份到磁盘、高可用性解决方案、具有大容量需求的服务器

在RAID（磁盘阵列）设置中，不同的数据保护级别具有不同的含义和特点，以下是对它们的详细解释：

无保护

这种模式下，RAID阵列不提供任何数据冗余或容错机制。数据直接存储在各个磁盘上，没有进行任何额外的保护措施。如果其中一个磁盘出现故障，那么该磁盘上的数据将无法恢复，会导致整个系统的数据丢失。

单驱故障

表示RAID阵列具备能够容忍单个磁盘故障的能力。当阵列中的一个磁盘发生故障时，系统可以通过其他正常磁盘上的数据冗余信息来重建故障磁盘上的数据，从而保证数据的可用性和完整性。例如，RAID 1（镜像）通过将数据同时复制到两个磁盘上，当其中一个磁盘故障时，另一个磁盘可以继续提供数据服务；RAID 5通过分布式奇偶校验信息，也能够在单个磁盘故障时恢复数据。

两驱故障

意味着RAID阵列可以承受两个磁盘同时出现故障的情况而不丢失数据。这需要更复杂的数据冗余和恢复机制。例如，RAID 6使用双重奇偶校验，即使有两个磁盘发生故障，也可以通过剩余磁盘上的奇偶校验信息和数据来重建丢失的数据。

每个子阵列中最多有一个磁盘故障

一些大型的RAID系统会被划分为多个子阵列。这种保护级别表示在每个子阵列内部，允许有一个磁盘出现故障，而不会影响该子阵列的数据可用性。通过在子阵列内采用合适的冗余技术，如RAID 5或RAID 1等，当单个磁盘故障时，可以在子阵列内部进行数据恢复。不同子阵列之间相互独立，一个子阵列中的磁盘故障不会影响其他子阵列的数据。

每个子阵列中最多有两个磁盘故障

类似于上述情况，不过这种保护级别更强，允许每个子阵列中最多有两个磁盘同时出现故障。这通常需要采用更高级的冗余算法和更多的磁盘空间来存储冗余信息，以确保在两个磁盘故障的情况下仍能恢复数据，保证子阵列的正常运行和数据的完整性。

在RAID中，“读取性能（降级）”和“写入性能（降级）”是指在RAID阵列出现故障或某些特殊情况下，数据读取和写入操作的性能下降情况。以下是具体解释：

读取性能（降级）

正常情况下，RAID通过并行读取等技术可以提高数据的读取速度。但当RAID阵列中的部分磁盘出现故障、阵列重构或处于其他非理想状态时，读取数据的方式会发生改变，可能无法再按照最佳的并行方式读取数据。例如，在一个RAID 5阵列中，若有一块磁盘故障，那么在读取数据时，需要通过奇偶校验信息来重建故障磁盘上的数据，这会增加额外的计算和数据访问时间，导致读取性能下降，即出现读取性能（降级）的情况。

写入性能（降级）

通常，RAID会优化写入操作以提高效率。然而，当RAID出现故障或特定问题时，写入性能也会受到影响。比如在RAID 10中，如果有一个磁盘发生故障，虽然数据仍然可以写入，但为了保证数据的一致性和冗余性，写入操作可能需要更多的步骤和时间。原本可以同时向多个磁盘并行写入数据，现在可能需要先对数据进行特殊处理，再写入剩余的正常磁盘，这就导致了写入性能（降级）。

3）闪存（Flash Memory）

和传统机械类硬盘不同，闪存不依赖于转动的机械部件，相反，数据直接写入微芯片，使存储操作速度比传统磁盘快得多，Neal等人实验表明，NAND闪存随机写入速度平均可达600MB/S，峰值超过1GB/S。但是，由于必须在整个块中擦除和重写数据，这会影响闪存设备的整体耐用性。

闪存SSD有两种主要类型：NAND和NOR。这是由它们各自的逻辑门定义而命名的，这些逻辑门决定了数字电路的基本架构。NAND闪存是按块写入和读取的，而NOR闪存是独立读取和写入字节的，两种类型的闪存都被广泛应用于各种设备。

NOR 闪存往往用于医疗设备和科学仪器等设备的嵌入式系统和平板电脑和智能手机等消费类设备。在有些情况下，NOR可替代随机存取存储器（RAM）或只读存储器（ROM）驱动器。

NAND 闪存用于几乎所有类型的通用存储，因为它在写入、擦除和顺序读取方面效率更高。NAND 闪存比NOR具有更高的密度和耐用性，所以常被企业级存储方案所采用。一些设备同时使用这两种类型的闪存。例如，智能手机可能依赖NOR来启动操作系统，而用NAND闪存用于所有其他存储。

4）固态硬盘

基于闪存的SSD广泛用于基于网络的存储（如NAS和SAN）和直接连接存储，后者可以从外部连接到计算机或直接嵌入系统中。直连SSD有时用作网络存储阵列的替代品或扩展。

SSD设计之初利用现有的串行连接 SCSI（SAS）和串行高级技术附件（SATA）协议，现在许多SSD采用非易失性内存快速（NVMe）协议，NVMe使用计算机的PCIe端口使应用程序能够直接与数据存储设备通信，NVMe协议可以更好地发挥SSD的功能。NVMe的成功促进了非易失性存储器（NVMe-oF）的发展。NVMe-oF可以使用NVMe命令通过以太网、光纤通道或InfiniBand（无限带宽）连接在主机和闪存设备之间传输数据。

内置SSD有多种形式，如使用PCIe（外设部件互连标准）串行端口的附加卡、位于主板上的动态随机存取内存（DRAM）、在服务器内存空间中运行的非易失性存储级内存等等。

5）USB闪存驱动器

USB 闪存驱动器是一种通过USB端口连接到服务器或其他设备的可移动存储介质。USB闪存驱动器的大小可能有所不同，但它们通常约为拇指大小，其设计类似于SSD，但规模较小。USB闪存驱动器通过插入兼容的 USB 端口连接到设备，从而可以快速传输或复制数据。

其他可移动闪存存储介质包括 Secure Digital 卡（SD 卡）、microSD 卡、Secure Digital High Capacity 卡（SDHC 卡）、Compact Flash 卡（CF卡）、Smart Media 卡、Sony Memory Stick、Multi-Media Card（MMC）和 xD-Picture Card等。

5）光盘（Optical Disc）

光盘是运用激光把二进制数据刻在扁平、具有反射能力的盘片上，当光盘在光驱中做高速旋转、激光头在电机的控制下做径向移动时，数据就这样源源不断地被记录或读取出来。光盘大约在20世纪90年代中期时开始普及，具有存放大量资料的特性，1片12cm的CD-R约可存放1小时的MPEG1的视频、74分钟的音乐，或680MB的资料。许多光盘只支持一次写入多次读取操作。根据使用的激光种类的不同，光盘可分为使用红外激光的CD （Compact Disc）、VCD（Video Compact Disc）和SVCD（Super Video Compact Disc），使用红色激光的DVD（Digital Versatile Disc）、EVD（Enhanced Versatile Disc）等。