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wiki/Technology/ComputerStorage/1.-存储基础.html

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2024-09-03 21:23:28 +08:00
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<html><head><title>1. 存储基础</title><meta charSet="utf-8"/><meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0"/><meta property="og:title" content="1. 存储基础"/><meta property="og:description" content="本文介绍了计算机存储的基础知识,包括存储概念、术语、介质类型、性能指标。."/><meta property="og:image" content="https://wiki.7wate.com/static/og-image.png"/><meta property="og:width" content="1200"/><meta property="og:height" content="675"/><link rel="icon" href="../../static/icon.png"/><meta name="description" content="本文介绍了计算机存储的基础知识,包括存储概念、术语、介质类型、性能指标。."/><meta name="generator" content="Quartz"/><link rel="preconnect" href="https://fonts.googleapis.com"/><link rel="preconnect" href="https://fonts.gstatic.com"/><script async src="https://umami.7wate.com/script.js" data-website-id="c061efdc-95dd-4d21-9d04-a1ffda0a85b9"></script><script>
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<p>存储指的是保存和检索数据的过程和技术。计算机存储包括各种介质和技术,用于保存数据和程序,以便在需要时快速访问。</p>
<p>常见的存储术语有:</p>
<ul>
<li><strong>存储设备</strong>用于保存数据的硬件如硬盘、SSD 等。</li>
<li><strong>存储介质</strong>:存储数据的物理材料,如磁盘、光盘等。</li>
<li><strong>存储单元</strong>:存储数据的最小单位,如比特和字节。</li>
<li><strong>文件系统</strong>:管理和组织数据存储的系统,如 NTFS、EXT4 等。</li>
</ul>
<h2 id="存储介质类型">存储介质类型<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#存储介质类型" class="internal"> §</a></h2>
<table><thead><tr><th><strong>存储介质</strong></th><th><strong>特点</strong></th><th><strong>优点</strong></th><th><strong>缺点</strong></th><th><strong>应用</strong></th></tr></thead><tbody><tr><td><strong>磁带</strong></td><td>传统的存储介质,使用磁带保存数据</td><td>存储容量大、成本低、适合长期保存</td><td>读写速度慢、随机访问困难</td><td>大规模数据备份、归档、灾难恢复</td></tr><tr><td><strong>光盘</strong></td><td>通过激光在光敏材料上读取和写入数据</td><td>保存寿命长、便于多媒体数据分发</td><td>读写速度慢、容量有限</td><td>备份、多媒体数据分发、软件和游戏分发</td></tr><tr><td><strong>磁盘</strong></td><td>通过磁性材料保存数据硬盘驱动器HDD是最常见的磁盘存储设备</td><td>容量大、价格低廉</td><td>机械结构导致读写速度较慢,易损坏</td><td>桌面和笔记本电脑、服务器、大容量数据存储</td></tr><tr><td><strong>SSD</strong></td><td>使用闪存芯片存储数据,没有机械部件</td><td>速度快、高 IOPS、耐用性好</td><td>价格较高、容量较小</td><td>需要快速数据访问的应用、操作系统驱动器、数据库</td></tr></tbody></table>
<h2 id="存储单元与数据表示">存储单元与数据表示<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#存储单元与数据表示" class="internal"> §</a></h2>
<p>存储单元是计算机存储系统的基本组成部分,用于表示和存储数据。常见的存储单元和数据表示方法包括:</p>
<h3 id="基本存储单元">基本存储单元<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#基本存储单元" class="internal"> §</a></h3>
<table><thead><tr><th>存储单元</th><th>定义</th><th>描述</th></tr></thead><tbody><tr><td>比特Bit</td><td>最小的数据存储单位</td><td>表示二进制的 0 或 1</td></tr><tr><td>字节Byte</td><td>由 8 个比特组成</td><td>通常用于表示一个字符,如字母或数字</td></tr></tbody></table>
<h3 id="数据存储的更大单位">数据存储的更大单位<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#数据存储的更大单位" class="internal"> §</a></h3>
<table><thead><tr><th>存储单元</th><th>大小关系</th><th>描述</th></tr></thead><tbody><tr><td>千字节KB</td><td>1 KB = 1024 字节</td><td>通常用于表示较小的文件大小</td></tr><tr><td>兆字节MB</td><td>1 MB = 1024 KB</td><td>常用于表示文档、图片文件大小</td></tr><tr><td>千兆字节GB</td><td>1 GB = 1024 MB</td><td>常用于表示视频文件或硬盘容量</td></tr><tr><td>太字节TB</td><td>1 TB = 1024 GB</td><td>用于表示大容量硬盘或存储设备</td></tr><tr><td>拍字节PB</td><td>1 PB = 1024 TB</td><td>用于大型数据中心存储</td></tr><tr><td>艾字节EB</td><td>1 EB = 1024 PB</td><td>用于极大型数据中心或云存储</td></tr></tbody></table>
<h3 id="数据表示">数据表示<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#数据表示" class="internal"> §</a></h3>
<p>字符编码用于将字符转换为计算机可以处理的二进制形式。常见的字符编码方式包括 ASCII、Unicode、UTF-8 等。</p>
<h3 id="文件系统">文件系统<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#文件系统" class="internal"> §</a></h3>
<p>文件系统是用于管理和组织存储设备上数据和文件的方法。文件系统负责文件的存储、命名、访问和保护。不同的文件系统在性能、可靠性、安全性和兼容性方面有所不同,常见的文件系统包括:</p>
<ul>
<li><strong>FAT32File Allocation Table 32</strong>:一种较老的文件系统,广泛用于 USB 闪存驱动器和小型存储设备,最大文件大小为 4 GB分区最大为 8 TB。</li>
<li><strong>NTFSNew Technology File System</strong><strong>微软 Windows 操作系统</strong>的默认文件系统,支持大文件和大容量分区,具有文件和目录的权限管理、安全性高、支持加密和压缩等特点。</li>
<li><strong>ext4Fourth Extended File System</strong><strong>Linux 操作系统</strong>常用的文件系统,支持大文件和大容量分区,具有高效的磁盘空间管理和良好的性能。</li>
<li><strong>APFSApple File System</strong><strong>苹果公司</strong>用于 macOS 和 iOS 的文件系统,支持快照、克隆、加密、空间共享和崩溃保护等特性。</li>
</ul>
<h2 id="存储性能指标">存储性能指标<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#存储性能指标" class="internal"> §</a></h2>
<p>存储性能指标是衡量存储设备效率和能力的关键参数。了解这些指标有助于评估存储系统的性能,并根据具体需求进行优化配置。以下是一些常见且重要的存储性能指标。</p>
<h3 id="iops">IOPS<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#iops" class="internal"> §</a></h3>
<p>**IOPSInput/Output Operations Per Second表示存储设备每秒能够处理的输入输出操作次数。**它是衡量存储设备处理小型随机读写操作能力的重要指标。IOPS 越高,存储设备在高负载下处理请求的能力越强。</p>
<p><strong>主要影响因素:</strong></p>
<ul>
<li><strong>存储介质类型</strong>SSD 的 IOPS 通常远高于 HDD。</li>
<li><strong>工作负载</strong>:小块随机读写操作对 IOPS 要求较高,而顺序读写操作对 IOPS 要求较低。</li>
<li><strong>队列深度</strong>:较高的队列深度可以提高 IOPS因为存储设备可以同时处理多个请求。</li>
</ul>
<p><strong>实际应用:</strong></p>
<ul>
<li><strong>数据库系统</strong>:需要高 IOPS 以快速处理大量小型事务。</li>
<li><strong>虚拟化环境</strong>:多个虚拟机共享存储资源,高 IOPS 有助于提高整体性能。</li>
</ul>
<h3 id="带宽">带宽<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#带宽" class="internal"> §</a></h3>
<p>**带宽表示单位时间内可以传输的数据量通常以兆字节每秒MB/s或千兆比特每秒Gbps为单位。**带宽是衡量存储设备顺序读写能力的重要指标。</p>
<p><strong>主要影响因素:</strong></p>
<ul>
<li><strong>存储介质类型</strong>SSD 的带宽通常比 HDD 高,因为 SSD 没有机械部件限制。</li>
<li><strong>接口类型</strong>:不同接口(如 SATA、SAS、NVMe支持的最大带宽不同NVMe 接口通常提供最高带宽。</li>
<li><strong>数据块大小</strong>:顺序读写大数据块时,带宽利用率更高。</li>
</ul>
<p><strong>实际应用:</strong></p>
<ul>
<li><strong>视频编辑</strong>:需要高带宽以快速读取和写入大文件。</li>
<li><strong>大数据分析</strong>:需要高带宽以处理大规模数据集的连续读写操作。</li>
</ul>
<h3 id="延迟">延迟<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#延迟" class="internal"> §</a></h3>
<p>**延迟是指从发出数据请求到开始接收到数据的时间通常以毫秒ms为单位。**延迟是衡量存储设备响应速度的重要指标。</p>
<p><strong>主要影响因素:</strong></p>
<ul>
<li><strong>存储介质类型</strong>SSD 的延迟远低于 HDD因为 SSD 没有寻道和旋转延迟。</li>
<li><strong>网络延迟</strong>:在网络存储(如 SAN、NAS网络传输时间也会影响整体延迟。</li>
<li><strong>队列深度</strong>:较高的队列深度可能会增加延迟,因为需要等待的请求更多。</li>
</ul>
<p><strong>实际应用:</strong></p>
<ul>
<li><strong>实时交易系统</strong>:需要低延迟以确保快速响应用户请求。</li>
<li><strong>在线游戏</strong>:低延迟可以提供更流畅的用户体验。</li>
</ul>
<h3 id="吞吐量">吞吐量<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#吞吐量" class="internal"> §</a></h3>
<p>**吞吐量是指单位时间内成功传输的数据量通常以每秒兆字节MB/s或千兆字节GB/s为单位。**吞吐量反映了系统在高负载下的处理能力。</p>
<p><strong>主要影响因素:</strong></p>
<ul>
<li><strong>数据块大小</strong>:大数据块传输时吞吐量更高。</li>
<li><strong>并发用户数量</strong>:更多用户同时访问会影响吞吐量。</li>
<li><strong>网络带宽</strong>:网络条件影响整体吞吐量。</li>
</ul>
<p><strong>实际应用:</strong></p>
<ul>
<li><strong>数据备份和恢复</strong>:需要高吞吐量以缩短备份和恢复时间。</li>
<li><strong>大规模数据传输</strong>:如数据中心之间的同步。</li>
</ul>
<h3 id="数据完整性">数据完整性<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#数据完整性" class="internal"> §</a></h3>
<p>**数据完整性确保存储系统在读写数据时不会发生错误。**对于金融、医疗等对数据准确性要求高的行业,数据完整性至关重要。</p>
<p><strong>主要影响因素:</strong></p>
<ul>
<li><strong>纠错码ECC</strong>:用于检测和纠正数据错误。</li>
<li><strong>校验和</strong>:用于验证数据的完整性。</li>
<li><strong>数据冗余</strong>:通过冗余存储提高数据可靠性。</li>
</ul>
<p><strong>实际应用:</strong></p>
<ul>
<li><strong>数据库系统</strong>:需要高数据完整性以确保事务的准确性。</li>
<li><strong>企业数据存储</strong>:保障关键业务数据的可靠性。</li>
</ul>
<h3 id="可扩展性">可扩展性<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#可扩展性" class="internal"> §</a></h3>
<p>**可扩展性是指存储系统能够轻松扩展以应对不断增长的数据需求。**高可扩展性使得存储系统能够适应业务的增长和变化。</p>
<p><strong>主要影响因素:</strong></p>
<ul>
<li><strong>存储架构</strong>:模块化设计更易于扩展。</li>
<li><strong>扩展接口</strong>:如支持更多存储设备的接口。</li>
<li><strong>软件支持</strong>:如分布式文件系统的扩展能力。</li>
</ul>
<p><strong>实际应用:</strong></p>
<ul>
<li><strong>云存储</strong>:需要高可扩展性以支持动态扩展。</li>
<li><strong>大型企业存储系统</strong>:随业务增长灵活扩展存储容量。</li>
</ul>
<h3 id="可靠性">可靠性<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#可靠性" class="internal"> §</a></h3>
<p>**可靠性表示存储系统在各种条件下持续正常工作的能力。**高可靠性的存储系统可以减少数据丢失和系统停机时间。</p>
<p><strong>主要影响因素:</strong></p>
<ul>
<li><strong>冗余设计</strong>:如 RAID 技术,通过数据冗余提高可靠性。</li>
<li><strong>容错机制</strong>:如热备份和容错设计。</li>
<li><strong>备份方案</strong>:定期备份数据以防止数据丢失。</li>
</ul>
<p><strong>实际应用:</strong></p>
<ul>
<li><strong>关键业务应用</strong>:如金融交易系统,需要高可靠性以确保业务连续性。</li>
<li><strong>灾难恢复系统</strong>:通过可靠的存储系统实现快速恢复。</li>
</ul>
<h3 id="能效比">能效比<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#能效比" class="internal"> §</a></h3>
<p><strong>能效比是指存储系统在提供性能的同时消耗的能量。</strong> 高能效比意味着在提供相同性能的情况下,系统消耗的能量更少,有助于降低运营成本和环保。</p>
<p><strong>主要影响因素:</strong></p>
<ul>
<li><strong>硬件设计</strong>:高效的硬件设计可以减少能耗。</li>
<li><strong>冷却系统</strong>:高效冷却系统可以降低整体能耗。</li>
<li><strong>功耗管理</strong>:智能功耗管理可以在不影响性能的情况下降低能耗。</li>
</ul>
<p><strong>实际应用:</strong></p>
<ul>
<li><strong>数据中心</strong>:需要高能效比以降低运营成本。</li>
<li><strong>绿色 IT 解决方案</strong>:通过高效能的存储系统实现环保目标。</li>
</ul>
<h2 id="存储寿命和耐久性">存储寿命和耐久性<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#存储寿命和耐久性" class="internal"> §</a></h2>
<p>存储寿命指存储介质在正常使用条件下能够保持数据完整性的时间。不同的存储介质具有不同的寿命:</p>
<table><thead><tr><th><strong>存储介质</strong></th><th><strong>一般寿命</strong></th><th><strong>耐久性</strong></th><th><strong>主要影响因素</strong></th></tr></thead><tbody><tr><td><strong>HDD</strong></td><td>3-5 年</td><td>机械部件易磨损,抗震能力差</td><td>机械磨损、环境因素(如温度、湿度)</td></tr><tr><td><strong>SSD</strong></td><td>5-10 年</td><td>无机械部件,抗震能力强</td><td>写入次数TBW、环境因素</td></tr><tr><td><strong>光盘</strong></td><td>10-20 年</td><td>光敏材料稳定,耐久性较好</td><td>存储环境(如温度、湿度、光照)</td></tr><tr><td><strong>磁带</strong></td><td>30 年以上</td><td>磁性材料稳定,适合长期存储</td><td>存储环境(如温度、湿度)、磁带质量</td></tr></tbody></table>
<p>耐久性是指存储介质在使用过程中的可靠性和抗损坏能力。<strong>SSD 由于没有机械部件,耐久性优于 HDD。</strong></p>
<h3 id="存储介质寿命的延长方法">存储介质寿命的延长方法<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#存储介质寿命的延长方法" class="internal"> §</a></h3>
<ol>
<li><strong>优化存储环境</strong>:保持适宜的温度和湿度,避免极端环境对存储介质的损害。</li>
<li><strong>定期维护和检查</strong>:对于 HDD定期进行健康检查和碎片整理对于 SSD避免不必要的写入操作。</li>
<li><strong>合理使用和管理</strong>:根据数据的重要性和访问频率选择合适的存储介质,避免过度使用导致寿命缩短。</li>
</ol>
<h2 id="存储访问模式">存储访问模式<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#存储访问模式" class="internal"> §</a></h2>
<p><img src="https://static.7wate.com/2024/07/25/eeb1b325182a5.png" alt="id8150_Random_vs_sequential_access.png"/></p>
<p>存储访问模式是指数据在存储设备上的读写方式。不同的访问模式适用于不同的应用场景,影响系统的性能和效率。</p>
<h3 id="顺序访问">顺序访问<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#顺序访问" class="internal"> §</a></h3>
<p>**顺序访问是指数据按顺序依次读写的过程。**这种模式下,数据按固定顺序存储和访问,常用于磁带存储和部分光盘存储。顺序访问的优点是读写速度较快,适用于大文件的连续读写操作,但不适合频繁的小数据块读写。</p>
<h3 id="随机访问">随机访问<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#随机访问" class="internal"> §</a></h3>
<p>**随机访问是指数据可以在存储设备上的任意位置读写,而不必按顺序进行。**这种模式下,存储设备可以快速访问任意数据块,适用于 SSD 和 HDD。随机访问的优点是灵活性高适合需要频繁读写小数据块的应用如数据库和操作系统文件的访问。</p>
<h2 id="结论">结论<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#结论" class="internal"> §</a></h2>
<p>计算机存储是计算机系统的核心组成部分,涵盖了从基础概念到具体技术的方方面面。了解存储介质的类型、存储单元与数据表示、存储性能指标、存储寿命和耐久性,以及存储访问模式,能够帮助我们更好地选择和使用存储设备,以满足不同应用场景的需求。无论是传统的磁盘和磁带,还是现代的 SSD 和光盘,每种存储介质都有其独特的优缺点和适用场景,在实际应用中需要根据具体需求进行合理的选择和配置。</p></article></div><div class="right sidebar"><div class="graph "><h3>Graph View</h3><div class="graph-outer"><div id="graph-container" data-cfg="{&quot;drag&quot;:true,&quot;zoom&quot;:true,&quot;depth&quot;:1,&quot;scale&quot;:1.1,&quot;repelForce&quot;:0.5,&quot;centerForce&quot;:0.3,&quot;linkDistance&quot;:30,&quot;fontSize&quot;:0.6,&quot;opacityScale&quot;:1,&quot;showTags&quot;:true,&quot;removeTags&quot;:[]}"></div><svg version="1.1" id="global-graph-icon" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" xmlnsXlink="http://www.w3.org/1999/xlink" x="0px" y="0px" viewBox="0 0 55 55" fill="currentColor" xmlSpace="preserve"><path d="M49,0c-3.309,0-6,2.691-6,6c0,1.035,0.263,2.009,0.726,2.86l-9.829,9.829C32.542,17.634,30.846,17,29,17
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C8.958,41.595,7.549,41,6,41c-3.309,0-6,2.691-6,6s2.691,6,6,6s6-2.691,6-6c0-1.035-0.263-2.009-0.726-2.86l12.829-12.829
c1.106,0.86,2.44,1.436,3.898,1.619v10.16c-2.833,0.478-5,2.942-5,5.91c0,3.309,2.691,6,6,6s6-2.691,6-6c0-2.967-2.167-5.431-5-5.91
v-10.16c1.458-0.183,2.792-0.759,3.898-1.619l7.669,7.669C41.215,39.576,41,40.26,41,41c0,2.206,1.794,4,4,4s4-1.794,4-4
s-1.794-4-4-4c-0.74,0-1.424,0.215-2.019,0.567l-7.669-7.669C36.366,28.542,37,26.846,37,25s-0.634-3.542-1.688-4.897l9.665-9.665
C46.042,11.405,47.451,12,49,12c3.309,0,6-2.691,6-6S52.309,0,49,0z M11,9c0-1.103,0.897-2,2-2s2,0.897,2,2s-0.897,2-2,2
S11,10.103,11,9z M6,51c-2.206,0-4-1.794-4-4s1.794-4,4-4s4,1.794,4,4S8.206,51,6,51z M33,49c0,2.206-1.794,4-4,4s-4-1.794-4-4
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function toggleCallout() {
const outerBlock = this.parentElement;
outerBlock.classList.toggle(`is-collapsed`);
const collapsed = outerBlock.classList.contains(`is-collapsed`);
const height = collapsed ? this.scrollHeight : outerBlock.scrollHeight;
outerBlock.style.maxHeight = height + `px`;
let current = outerBlock;
let parent = outerBlock.parentElement;
while (parent) {
if (!parent.classList.contains(`callout`)) {
return;
}
const collapsed2 = parent.classList.contains(`is-collapsed`);
const height2 = collapsed2 ? parent.scrollHeight : parent.scrollHeight + current.scrollHeight;
parent.style.maxHeight = height2 + `px`;
current = parent;
parent = parent.parentElement;
}
}
function setupCallout() {
const collapsible = document.getElementsByClassName(
`callout is-collapsible`
);
for (const div of collapsible) {
const title = div.firstElementChild;
if (title) {
title.removeEventListener(`click`, toggleCallout);
title.addEventListener(`click`, toggleCallout);
const collapsed = div.classList.contains(`is-collapsed`);
const height = collapsed ? title.scrollHeight : div.scrollHeight;
div.style.maxHeight = height + `px`;
}
}
}
document.addEventListener(`nav`, setupCallout);
window.addEventListener(`resize`, setupCallout);
</script><script type="module">
import mermaid from 'https://cdn.jsdelivr.net/npm/mermaid/dist/mermaid.esm.min.mjs';
const darkMode = document.documentElement.getAttribute('saved-theme') === 'dark'
mermaid.initialize({
startOnLoad: false,
securityLevel: 'loose',
theme: darkMode ? 'dark' : 'default'
});
document.addEventListener('nav', async () => {
await mermaid.run({
querySelector: '.mermaid'
})
});
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