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wiki/Tech/computer-storage/1.-存储基础.html

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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>FAT32（File 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>NTFS（New 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>ext4（Fourth 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>APFS（Apple 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>**IOPS（Input/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）中，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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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'
})
});
</script><script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/katex@0.16.7/dist/contrib/copy-tex.min.js" type="application/javascript"></script><script src="../../postscript.js" type="module"></script></html>
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