导读与大纲

2020/03/10

数据备份 -> 防止灾害和事故造成损失

数据恢复 -> 灾难发生后，尽可能拯救数据

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数据备份

数据存储介质

• 硬盘、磁带、光盘
  • 主流与趋势
  • 市场调查

存储系统结构(重点)

• 存储系统结构(重点)
  • DAS、NAS、SAN
    • 各存储架构的组成、技术特点和应用
    • 能够设计合理的存储架构

存储新技术

• 虚拟化、节能技术
  • 分级存储在管理、数据自动迁移、重复数据删除技术、自动精简配置中MAID技术
  • 可根据需要配置相关技术

数据容灾技术(重点)

• 容灾系统、容灾策略及方案
  • 能够设计合理的数据容灾系统

数据恢复

磁盘内的物理和逻辑结构

• 磁盘部件

• 工作原理

• 逻辑结构划分

• 分区设置(难点)

FAT文件系统(难点 重点)

• 系统结构
• 记录文件的方式
• 数据存储模式
• 搜索和恢复数据

NTFS文件系统(难点 重点)

windows主流文件系统

• 系统结构
• 记录文件的方式
• 数据存储模式
• 搜索和恢复数据

RAID磁盘阵列(难点 重点)

• 阵列类型

• 特点与参数

• 阵列恢复方法

数据恢复工具

• PC3000

• Winhex

  16制作编辑软件

• 其它数据恢复软件

  傻瓜式恢复软件

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数据备份 - 数据存储介质

光存储设备

光存储设备通常被称为光驱，光存储设备中使用的存储介质被称为光盘。它是许多软件和数据中使用的存储介质，因为它多软件和数据中使用的存储介质。CD、DVD再到HD DVD和BD，光盘存储越来越大，技术也越来越先进

光存储设备的类型

光存储设备分为台式内置光驱，笔记本内置光驱，外置通用光驱三种

• 台式内置光驱

  主机箱内安装台式内置光驱DIY市场上最常见的光存储产品类型

• 笔记本内置光驱

  笔记本内置光驱强调薄、轻、省电、价格高，其牢固性远低于台式机内置
  光驱

• 外置通用光驱

  外部通用光驱通过外部接口连接到主机，主要用于移动
  用户在性能、数据传输率、体积、重量等方面更注重移动性
  受限制，不如内置光驱，价格远高于内置光驱

根据读写光盘的类型进行分类

1. DVD-DOM驱动器

   一种可读DVD光驱盘，兼容DVD-ROM、CD-ROM常见格式等

   DVD-ROM驱动分为三种类型：台式机内置型、笔记本内置型和外置型

   DVD单倍速是指1358KB/s，而CD的单倍速是150KB/s，大约为
   CD的9倍

   目前DvD-ROM驱动器能达到的最大值DVD读取速度为18倍，最大数据传输率为27倍MB/S，缓存容量从198K至256K不等。接口类型有IDE和SATA两种安装方式分为内置和外置。

2. DVD刻录机

   可写光盘

   DVD刻录规格并没有简历起统一的规格，目前有三种不同的刻录规格：DVD-RAM、DVD-R/W、DVD R/W，而且三种规格不兼容，主流是DVD-R/W、DVD R/W

   目前，大多数刻录机都支持 DVD-ROM，DVD R DL，DVD R，DVD RW. dVD-R DL，DVD-R，DVD-RW，DVD-RAM，DVD Video，CD-ROM，CD-R，CD-RW等多种类型

3. 蓝光刻录机

   蓝光刻录机是基于蓝光的DVD刻录机的技术标准
   DVD使用MPEG2压缩技术可以存储广播级效果的电影

光存储设备的工作原理

1. 光存储设备的外部结构

   

2. 读取数据的工作原理

   • 光盘上有凹点和凸点
     凹0 凸1，凸1，凹0

     细节：光盘上有两种状态：凹点和凸点。它们的反射信号恰恰相反。这两个不同的信号很容易被光监测器识别。光驱中有专门的部件转换和验证，然后交给光存储设备中的控制芯片，然后在计算机中获取光盘中的数据。

   • 激光头产生的不同波长是不同类型光盘的主要区别

     激光头会产生0.54μm~0.78μm

   • 激光波长：

     • DVD：650nm
     • CD：780nm

3. 记录数据的工作原理

   只有具有刻录光盘功能的光存储设备才能在特定光盘中刻录数据。
   CD刻录机是在 CD-ROM在光存储设备开发的基础上，可以刻录的光盘类型有CD-R光盘和CD-RW光盘

   DVD刻录机是在DVD-ROM在光存储设备开发的基础上，可以刻录的光盘类型有DVD-R、 DVD-RW、 DVD-R DL、DVD R、DVD RW、DVD R DL、DVD-RAM、CD-R、CD-RW等9种格式的光盘。

   具体工艺：可刻录光盘是在聚碳酸酯片基上喷涂一层染料层，激光头根据不同数据控制激光束的功率，使部分染料热分解，在空白光盘上高温燃烧可读反射点，因为染料层分解不能恢复，因此DVD-R光盘只能烧一次，RW由于染料层的不同，可以反复刻写。

4. 光存储设备的性能指标

   测量光驱性能指标的最重要参数是数据传输率，其他参数包括平均通道时间、数据传输模式CPU占用时间、缓存容量和
   纠错能力等。

   1. 倍速

      1. CD-ROM基准倍率为150Kb/s(1x) 如50x光驱的数据传输速度为7.5MB/s
      2. DVD基准倍率为1.35MB/s(1x) 如20x光驱的数据传输速度为27MB/s
      3. BD-ROM基准倍率为4.5MB/s(1x)

      最大数据传输速度是指激光头在光盘最外圈读写数据达到的最大值，光盘内圈数据传输速度约为外圈的一半。

   2. 多格式支持

      DVD-ROM光盘驱动器可以支持和兼容读取各种盘片

   3. 缓存容量

      因此，缓存容量对光驱的性能有很大的影响。目前，大多数普通光驱使用198KB_{256K缓存容量一般为2}8MB缓存容量。

   4. 接口类型

      市场上主要有IDE、USB、SCSI和SATA，SCSI接口的CD-ROM价格昂贵，安装复杂，需要专用转接卡

      现在的DE接口的最高传输速率可达133MB/s，SATA150接口的最高传输率可达150MB/s，而18倍速的 DVD-ROM实际速度只有18*1358KB/s=24.44MBs，选用哪种接口基本都能满足传输速度要求。

   5. 纠错能力

      光驱对一些数据区域不连续的光盘进行读取时的使用能力。

      其中对比明显为兼容性差的国外的光驱不能读取盗版的光盘，而国内的光驱兼容性强可以读取盗版光盘

   6. 震动、噪音和发热

光驱常见故障

光盘概述

优点：

写入后不可修改，成本中等，维护成本低

• 成本低
  • 每张成本不过一两元甚至更低
• 使用寿命长！
  • 合理使用一般会在100年左右
  • 抗干扰能力强
• 便于携带

光盘的分类

1. CD-ROM光盘

2. DVD-ROM光盘

   DVD-ROM光盘的容量是CD光盘的7倍，为了在相同面积内装载更多内容，DVD光盘釆用了更高密度的(螺旋)轨道间隙设计，从以往CD的1.6微米减小至0.74微米。数据凹槽的(宽度)尺寸从CD的0.83微米缩小到0.40微米。更小的数据凹槽需要更短波长的光束才能正确读取，因此DVD使用了640纳米波长的激光束(而CD的激光波长则为780纳米).存储一部长度为135分钟的电影通常需要4692Kbps的速率。换算成容量单位即为4.75GB，因此以此为标准规定了DD光盘的最初容量。

3. 刻录机

   除了只能读不能写的只读型ROM( Read-Only Memory，只读存储器)光盘外，还有可写一次-R( Recordable，可记录)与反复擦写RW(ReWritable，可重写)的光盘。它们除了可以被读取之外，还都能够写入数据。
   CDR/DVD±R与 CD-RW//DVD+RW之间的差别是：±R只能写一次，不能擦掉后重写；而±RW则可以反复擦写。

DVD盘片格式分类

1. DVD-RAM规格
2. DV-RW
3. DVD+RW
4. DVD-R与DVD+R
5. DVD-Multi与DVD-Dual

其中+R好过-R，-R光头定位进度低寻址方式的信号识别度较差，+R则精度高寻址方式比前者好

BD与HD的蓝光盘

• BD

  蓝光盘的容量大，添加了硬质塑料或聚合物外壳，盘片的保护性好；但与现有DvD不兼容，而且制作成木较髙，播放机的销售价格也较贵
  BD视盘采用的是MPEG2、MPEG4/AVC(H.264)和VC-1视频编码，音频则采用了 Dolby Digital(AC3)、DTS和LPCM(可达7.1声道)编码，可选 Dolby Digital Plus和无损的Dolby TrueHD与 DTS HD

• HD

  HD DVD采用MPEG-4AVC、VC-1和MPEG2视频编码，采用DolbyDigital Plus、DTS、 Dolby digital(AC3)和 MPEG Audio等有损编码和LPCM、MLP( TRUE HD双声道]和 DTS HD等无损编码

光存储设备选购指南

1. 品牌

   售后

2. 读盘能力

   单激光头和双激光头

3. 接口和缓存

   IDE和SATA，推荐SAA

4. 区码的限制

5. 倍速

6. 多格式支持

刻录机的选购

1. 兼容性
2. 稳定性
3. 关头系统
4. 读写倍速
5. 区码问题
6. 售后服务

磁带存储技术

• 磁带存储器的读写原理基本上与磁盘存储器相同，只是他的载体是一种带状塑料叫做磁带，写入时可通过磁头把信息代码记录在磁带上，当记录代码的磁带在磁头下移动时，就可在磁头线圈上感应出电动势，即读出信息代码
• 磁带存储器由磁带机和磁盘两部分组成

发展历程

1949年，磁带从实验室诞生，1952年，IBM的第一个磁带单元IBM 726问世，磁带由像以前电影播放的大机柜到后面的小盒子

磁带类型

磁带根据读写磁带的工作原理，可以分成六种规格

• 其中两种采用螺旋扫描读写工作
• 另外四种则是选用数据流存储技术设计的设备

螺旋扫描读写方式

• 面向工作组级的DAT(4mm)磁带机
• 面向部门级的8mm磁带机

数据流春初技术设计的设备

• 单磁头读写方式
• 磁带宽度为1/4英寸
• 面向低端应用的Travan和DC系列
• DLT和IBM的3480/3490/3590系列

磁带技术介绍

• 硬件
  • 单轴
  • 双轴
• 记录方式
  • 螺旋
  • 线性
• 磁带宽度
  • 4毫米
  • 8毫米
  • 1/4英寸
  • 1/2英寸

线性扫描记录

磁头和磁带之间会有接触(摩擦)，会磨损对寿命会减少，也会被干扰灰尘

• 容量大

螺旋扫描记录

磁头倾斜着读取，相比于线性扫描记录好

• 定位块
• 寿命长

各种技术之间是不兼容的！！！

LTO技术

LTO(linear tape open)线性磁带开放协议，虽然是一直标准格式没的说并不互相兼容

由IBM、惠普与希捷联合建立，在磁带技术里速度最快、容量最大的磁带格式

• IBM LTO/Ultrium-1
  • 平均文件访问时间70s
• IBM LTO/Ultrium-2
  • 平均文件访问时间46s
• IBM LTO/Ultrium-3
  • 平均文件访问时间23s

DLT/SDLT

容量中等速度慢

• SDLT-320
• SDLT-640

AIT

容量小速度快

• AIT-2
• AIT-3

综合比较

备份介质比较

磁带机品牌

IT厂商

HP、IBM、Exabyte

存储厂商

Storage Tek、.....

磁带的保存

前期采购投入低，本身便宜但是后期维护成本高，存储协议之间兼容性差，磁盘存储不安全可被篡改，易丢失

• 整体保存时间为十年
• 温度(保存场地需要对温度进行控制)
  • 过高会数据丢失
  • 过低会磁带损失
• 湿度(保存场地需要对湿度进行控制)
  • 湿度过高会导致磁带发霉
• 定期倒带导致老化
  • 如果不定期倒带会导致寿命降低老化
• 磁带读写寿命短
  • 一般磁带的读写次数不超过2000次

磁带库

基本组成

• 库体和机械臂
  • 自动化介质管理的基础
  • 机槭臂的性能和可靠性在特定环境中要求较髙
• 磁带机驱动器
  • 类型：决定了数据昋吐能力、存储容量、数据査询速度，以及可靠性等基础指标
  • 数量：决定了整个磁带库的总数据吞吐和处理能力
• 磁带戒指存储槽位
• 其他附属部件

磁带库构成示意图

驱动器

二维机械臂

自由旋转机械臂

企业级自带库机械臂运动方式

磁带仓

标签">磁带标签

• 唯一的

驱动器的清洗

• 自动清洗
• 主机清洗
• 手动清洗

磁带的保存

• 整体保存时间为十年
• 温度
• 湿度

数据备份

• 以SAN为中心的告诉、大容量数据备份
• 传统的基于LAN的数据备份
• 进行数据级的灾难恢复：方式不可抗力导致的数据丢失

磁带库的应用领域

基本上只有归档存储的时候才会使用磁带库

• 海量数据的归档

为什么要使用磁带库

• 自动化管理大量磁带
• 自动化管理大量数据
• 消除人工误操作
• 提高数据保护和存储管理的效率

磁带库厂商

VTL技术介绍

概念

虚拟磁带库 virtual Tape Library VTL，由磁盘构成，性能虽然好但是由于磁盘所以前期价格比较贵

• 通过固化了专门软件的控制器，使磁盘(阵列)对主机或应用软件体现为常规物理磁带库，也称作虚拟磁带库。
• 标准的SCSI、FC或ISCSI主机接口，采用易用的管理软件配置、管理虚拟磁带库设备

虚拟磁带库架构

虚拟磁带库实现方式

• 纯软件方式VTL

  整体性能一般、实现成本较低

• 专用服务器级VTL

  • 新能比纯软件快、价格也比纯软件贵，数据受主机的影响小，不足是系统优化性较低

• 专用控制级VTL

  • 性能比专用服务器级快

虚拟磁带库特点

去掉了机械手臂、磁带驱动器，传输速率高，但整体规模较大，不方便携带

• 虚拟磁带库
• 虚拟驱动器
• 机械臂
• 虚拟磁带
• 数据传输
• 数据增值服务
• 对备份应用的影响

细分

• 磁带库系统

  不同虚拟磁带库架构之间是兼容的

  • 同一个物理的虚拟磁带库设备，可同时虚拟成多个磁带库系统；有些设备可提供8个甚至更多
  • 可同时提供数据备份

• 虚拟驱动器

  • 全面支持现有物理驱动器类型
  • 支持设备数量
    • 理论上没有数据限制
  • 通用标准接口

• 机械臂

• 磁带

  • 全面支持现有物理磁带类型
  • 可自定义的数据容量格式
  • 与真实磁带的全面兼容、可进行真实磁带和虚拟磁带间的数据备份

• 数据传输

• 虚拟磁带

  • 数据压缩
  • 重复数据删除
  • 数据生命周期管理
  • 数据加密
  • 数据访问权限管理

• 对数据备份应用的影响

  • 备份模式的转变
    D-D、D-D-T、D-VTL
  • 数据备份与数据归档的渐行渐远，已逐渐不使用
  • 对备份窗口的策略
    • 增量备份、差异备份逐渐转变为全备份

磁盘/磁带价格走势

逐年下降，磁盘接近磁带的价格

磁盘/磁带的应用规划

磁盘替代了许多磁带的应用领域

备份/归档存储方式规划

存储呈阶梯式存储简单说你可以将新能好价格高的硬件保留使用频繁的数据，将性能一般价格适中或性能低价格低的存储设备存放不经常使用的数据

• 存储方式不同

  • 备份
    • 在线备份
    • 近线备份
    • 离线备份
    • 离线存档
  • 归档

• 设备/介质选择不同

磁盘库优缺点

• 优点
  • 超大容量，可实现PB级别数据存储，单位容量价格低
  • 可移动介质，便于离线和异地保存，磁带可以直接移动
  • 广泛的备份管理软件支持，备份策略均针对磁带库结构定制和优化
• 缺点
  • 维护负担高
    • 磁带库的核心部件磁带驱动器为非封闭机械易损件，本身故障率高，灰尘、潮湿等使故障率不可预期，导致设备可用性差
  • 备份容易出错
    • 采用磁带库进行数据保护的介质磁带为非封闭介质，且磁带库中的磁带之间没有容错保护。备份业务涉及到的磁带组中任一盘磨损、卡带、霉点、粘连等，均会导致整个备份无法恢复
  • 备份恢复能力不佳
    • 虽然磁带本身的读写速度已有长足提高，但备份恢复时需要抓带、加载、机械定位文件等机械动作，等待时间长，而备份恢复时一般会设计多带查找，应用端被迫因此延长，而备份恢复时一般会设计多带查找应用端被迫因此延长待机时间

磁盘备份的优缺点

• 磁盘备份(D2D)的优点：
  • 与磁带不同，基于ATA的磁盘阵列比传统的光纤通道磁盘阵列的成本低很多，同时逐渐变得非常流行，它可以方便集成到备份系统中
  • 可以解决磁带库固有的问题
• 磁盘备份(D2D)的缺点：
  • 以一个文件目录作为一个备份设备且只对应一个备份卷
  • 备份数据通过文件系统写入磁盘目录
  • 文件系统写速度慢
  • 文件系统容易遭到人为破坏
  • 备份策略需要重新制定

虚拟磁带库的优缺点

可成为在线应用与备份归档，可以处理数据量大要求速度快的场景

• 优点
  • 方便集成、兼容性好，去掉了几乎所有磁带库的缺点
  • 设备可用性提升：虚拟磁带用电子化的机械手和磁带驱动器，代替了机械磁带库中裸、易损的系列机械装置，基于RAID保护的磁盘阵列具备降级工作能力，且具自动报警和在线热恢复能力
  • 备份可靠性提升：虚拟磁带库采用基于RAID保护的磁盘阵列，从而将备份的可靠性较常规磁带备份提高了若干量级。封闭式结构的磁盘介质本身的MTBF(平均无故障间隔)一般为开放式结构的磁带介质的5倍以上。
  • 恢复工作极为渐变：如果所需数据存在VTL当中则不会设计任何机械工作，恢复工作就像磁盘备份的速度一样
• 缺点
  • 备份介质不能直接移动，存储容量有限
  • 价格高

常见的几种设备与存储方式

硬盘

什么是硬盘

硬盘HD

工作方式

• 磁电转换，硬盘存储数据是根据电、磁转换的原理来实现的
• 硬盘驱动器加电后，磁盘片由主轴电机驱动进行高速旋转，设置在盘片表面的磁头则在电路控制下径向移动到指定位置然后将数据存储或读出来。

硬盘发展简史

早期硬盘非常大所以没有使用，1968年沿用至今，硬盘也叫温盘

2000年3月，IBM推出“玻璃”硬盘，玻璃-为了降低成本通过将植物纤维提取制作而成，由于植物没有金属磁电能力好，所以后期亏本将其硬盘部门卖出给日本

2007年，硬盘进入TB时代，国内2015年才开始21

早期的硬盘

早期硬盘非常重也非常昂贵，由于当时非常贵，所以IBM用出租的方式盈利，早期DOS系统也很小，所以使用软盘就可以代替，此时硬盘为M级别

G级别的硬盘，最后那台机器为第一台自带硬盘的主机

小知识

• 为什么现在硬盘是c盘？因为，a盘留给了：软盘，b盘留给了：磁盘

• 磁盘(温盘)里面会保持气密性，会将里面的空气净化，磁头在读写中会与磁盘盘片精密接触，头发丝的距离，7200/60转一秒钟转120次，若有尘埃灰尘就会产生上下振动，若向下则会物理撞击，则会产生小坑，每过一次小坑则会产生振动导致产生更多的小肯

• 笔记本的硬盘较为特殊，会有移动监测区域，若超过阈值则命令硬盘停止工作移动至停泊区避免损坏硬盘

• 不到万不得已，若要开盘更换损害部件则要在超净台操作，开盘价格约在1500，超净台价格在几万到几十万不等

硬盘的结构

硬盘主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。

硬盘尺寸主要有5.25英寸和3.5英寸，现在普遍是3.5

笔记本的有2.5、1.8和0.9

硬盘的主要部件

拆解硬盘需要有内六角的起子打开，硬盘一旦拆开就要报废，左上角的为控制电路板，如今已经缩减为一半大小，中间的为盘片，盘片中间为液态轴承马达

硬盘的外部结构

外面都会有标签，都会标有编号、产地等信息

5VDC，5V五伏，DC直流电压

硬盘背面

绿色的为控制电路板，圆形是液态轴承马达

接口

固定面板

硬盘是整体密封的，与外界隔绝，内部防水防尘，

里面有个透气孔是为了防止热胀冷缩所以放了个透气孔保持内外气压平衡，透气孔是有过滤膜可防水的

控制电路板

其内部控制电路板可以说是一台完整的电脑，有CPU(中间最大的方框)有内存(左边长条的)

硬盘的内部结构

中间的液态轴承马达带动盘片旋转，读写磁头的磁头非常的小，支架里的马达带动传动手臂左右移动读写

机械硬盘的磁头技术

浮动磁头组件

磁头加点后高速旋转，与盘片接触间隙只有0.1~0.3μm

下面有4个磁头，磁头要动是一起动的

磁头技术

硬盘的接口

IDE、scsl、 Serial ata、UsB、 Fibre channel、EEE1394
最常见的就是|DE和Sera|ATA

• IDE
• SCSI
  • 常用于服务器
  • 优点
    • 性能好
  • 缺点
    • 价格昂贵
• SATA
  • 接口是L型的防呆设计可防止差错
  • 一般可电脑挂载2个大一点可挂载4个
  • 特点
    • 针脚小，解决了干扰问题
• SAS
  • 串口连接
    • 传输速率高针对高性能企业
    • 可靠性高
• FC
  • 光纤接口

硬盘的性能指标

• 转速
  • 7200RPM和5200RPM，高速10000RPM甚至15000RPM
    同一款硬盘其中一个比较便宜可能就是转速比较低
• 单碟容量
  • 单碟容量越高传输速率越高
• 高速缓存
• 最大内部数据传输速率
  • 从磁头到硬盘的速度
• 外部数据传输储率
• 寻道时间
  • 磁头从停泊区移动到正确数据磁道上的时间
• 潜伏期
• 全程访问时间
  • 将前面所有的时间加起来
• 连续无故障时间(MTBF)
  • MTBF至少30,000小时以上(3年以上)
  • 保修期低于1年强烈建议不要买

磁盘使用的基数

• 新型磁头技术
• SMART技术
  • 类似上一次突然断电则开机提示自检
• SPS防震技术

硬盘工作模式

• LBA(主流)

其他类型硬盘

• 移动硬盘
  • 伪移动硬盘：有的商家利用笔记本硬盘+USB转换接口套壳卖出，价格为正常移动硬盘的一半，且防护性非常低，且接口可能会有多个
• 闪存
  • 闪存卡
  • 记忆棒与早期MP3内存在的闪存
• U盘

常见硬盘介绍

外观都差不多

• IBM(现为日立)-现为笔记本硬盘
• 迈拓
• 希捷 - 多为台式机机械硬盘
• 部数据 - 多为台式机机械硬盘
• 三星

硬盘的指标

• 转速
• 无故障连续时间MTBF

硬盘 - 数据恢复的基本知识

硬盘的结构

sector - 扇区

温盘结构特点如下：

• 磁头、盘片及运动机构密封在盘体内。
• 磁头在启动、停止时与盘片接触，在工作时因盘片高速旋转，带动磁头“悬浮”在盘片上面呈飞行状态(空气动力学原理)
• 磁头工作时与盘片不直接接触。
• 磁盘表面非常平整光滑，可以做镜面使用。

硬盘逻辑结构

磁头编号从0开始

盘片

• 盘片一般用铝合金做基片，也有用玻璃做基片的。每个盘片都有两个盘面(上、下)，都可以装上磁头存储数据，形成有效盘面。有效的盘面都有一个盘面号，从0开始；在硬盘系统中，盘面号又叫磁头号；
• 一般硬盘有2-3个盘片，所以磁头号为0-3或者0-5

磁道

编号从0开始

• 磁盘在格式化时被划分成许多同心圆，这些同心圆轨迹叫做磁道( track).磁道从外冋内从0开始顺序编号。一个盘面有300-1024个磁道，大容量的磁盘盘面磁道更多。
• 从外面开始一圈一圈往里面走

柱面

为何每个文件管理中每个盘有的时候不是整数，而是少了那么一点，因为磁盘是以柱面为单位，分区的时候是将柱面划分给指定的分区，假如在哪个分区内刚好有个柱面小于一般，则默认忽略不算，所以就会出现59.9之类的情况

• 所有盘面上的同一个磁道构成一个圆柱，称为柱面( cylinder).柱面上的磁头，从上而下从0开始编号。
• 数据的读写是按柱面进行的，即磁头首先在同个柱面内从0磁头开始读写操作，依次向下(1、2.…….)在同一个柱面的磁头上操作

扇区

编号从1开始

• 作为同心圆的磁道不是连续记录数据的，被划分成一段段的圆弧，这些圆弧叫做扇区(sector)，从1开始编号。
• 操作系统以扇区形式存储信息。每个扇区为512字节(byte)，分为两个部分：存储标识符和数据
• 交叉因子
  • 若一个扇区，写着123456789扇区，此时磁头在扇区1的起始位置，当磁头读取扇区1的数据，由于磁头读取时需要时间导致磁头可能没有读取完数据1就已经”飞行“到了扇区2中间上了，于是就需要重新转一圈后才能到达2的起始位置，所以就出现交叉因子
  • 交叉因子的扇区，就是交换了扇区编号，例如172839456，读取了1后再转多一点到达2的起始位置就不会出现上面那张情况

容量

1KB是2个扇区，1个扇区是0.5KB

• 硬盘的容量由盘面数(磁头数)、柱面数、扇区数决定，计算公式为：

• 划分 容量=盘面数*柱面数*扇区数*512字节

  1KB=2^10B=1024Byte
  1MB=2^10KB=2^20B=1048576Byte
  1GB=2^10MB=2^20KB=2^30B=1073741824Byte

磁盘容量大小计算

实际上就是得到十六进制后换算成十进制后*512/1024/1024/1024

在winhex中使用读取硬盘的十六进制数来计算硬盘容量的大小

可以看到十六进制值为8020210007FEFFFF0008000000F07F07

• 前八位：起始的自举标志为80说明安装了操作系统，202100为CHS的起始地址，07为NTFS格式，FEFFFF为结束地址
• 后八位：winhex中的数据计算都需要反过来读
  • 00080000分区的起始地址 -- 00 00 08 00
  • 00F07F07为分区的大小 -- 07 7F 0F 00
    • 分区大小的计算，将十六进制为125767424*512/1024/1024/1024=59，结果却是为59GB

硬盘寻址

硬盘寻址模式

• C/H/S(磁头+柱面数+扇区数)
• LBA(扇区逻辑块地址)
• C/H/S和LBA可以相互转换

硬盘缺陷介绍

• 缺陷扇区
  • 扇区若永久损坏则永久上不可修复，软件上也只是逻辑上标记出指定扇区为坏扇区而已，实际上不可修复
• 磁道伺服缺陷
  • 所有数据都是从0磁道开始读写，0磁道上放置的是系统引导信息，若0磁道损坏了则需要将其修复，将硬盘的起始位置挪一挪避开0磁道
  • windows磁道工具只能从默认0磁道开始
• 磁头组件缺陷
  • 更换电路板
• 系统信息错乱
  • 重装系统
• 电子线路缺陷
• 综合新能缺陷

硬盘分区

分区目前有两种方式

• MBR
  • 传统的使用方式，最大支持硬盘容量有限，最大支持为2TB，最多有4个主要分区，可以吧一个主分区变成扩展分区，扩展分区拥有无数个逻辑分区
• GPT

MBR

• 在MBR上分区和启动信息都是保存在一起的，如果这部分数据被覆盖或者破坏就麻烦了

• 硬盘需要经过低格、分区、高级格式化后才能使用

• 低格

  • 作用：测试硬盘介质、为硬盘划分磁道、指定交叉因子，安排扇区、写入扇区i，完成扇区设置、对磁盘表面测试，标记损坏磁道和扇区
  • 完成逻辑划分工作，检测每个逻辑扇区好坏，低格之后数据就全部丢失了
  • 厂商出厂或者使用纯DAO系统的format功能

• 分区

  便于硬盘的规划和文件的管理、有效的利用空间、提高系统效率、建立MBR

  • 分区粒度--分区最小单位是柱面
  • 每个盘都会记录其分区信息
  • 将硬盘划分为一个个逻辑区域。每个分区有确定的起、止位置
  • 分区的信息记录在一个特殊位置的扇区，称为硬盘主引导记录( Master boot recorder，MBR)或主引导扇区
  • MBR位于0磁头，0磁道，1扇区

• MBR区

  • MBR，即主引导记录区，位于整个硬盘的0磁道0柱面1扇区。在总共512字节的主引导扇区中，MBR的引导程序占用其中的前446个字节(偏移0~偏移1BDH)，随后的64个字节(偏移旧EH一偏移|FDH为 DPT(Disk PartitionTable，硬盘分区表)，最后的两个字节“55AA"(偏移EH一偏移1FFH)是分区有效结束标志。由它们共同构成硬盘主引导记录，也称主引导扇区。
  • 其中第1-446个字节是用来调用操作系统的机器码的
  • 第447-510个字节是分区表的位置
  • 第511-512个字节是主引导记录签名，也就是0x55和0xAA，通过这种结尾方式判断从哪个应道设备进行应道
  • MBR一般占用63个扇区(实际只占用1个扇区)

MBR的主引导：分区表

主引导记录必须要知道我将控制权给谁，分区表的长度只有64个字节，里面分成4个项，每个项占16个字节，所以一个硬盘最多只能分四个以及的分区，这四个又叫主分区，在第13、14、15、16个Byte是主分区的扇区总数，这决定了主分区的容量，其中计算可以查看下面的磁盘查看，虽然可以使用扩展分区，但是还是推荐单碟机械硬盘超过2TB都推荐用GPT而不是MBR

MBR构成

• 一个扇区的硬盘主引导记录MBR由的4个部分组成
  • 主引导程序
  • 出错信息数据区
  • 分区表
  • 结束标志字
• 分区表含义
  前八位自举标志，要么00要么80，后八位为本分区之前已用扇区数，最后四位为整个分区的大小
• 分区类型

磁盘查看

可以看到十六进制值为8020210007FEFFFF0008000000F07F07

• 前八位：起始的自举标志为80说明安装了操作系统，202100为CHS的起始地址，07为NTFS格式，FEFFFF为结束地址

• 后八位：winhex中的数据计算都需要反过来读

  • 00080000分区的起始地址 -- 00 00 08 00
  • 00F07F07为分区的大小 -- 07 7F 0F 00
    • 分区大小的计算，将十六进制为125767424*512/1024/1024/1024=59，结果却是为59GB

• 假如在MBR系统中有这一串

• 00 01 01 00 07 FE FF FF 3F 00 00 00 9A E5 3F 01
  前八位：
  00 - 起始的自举标志，80说明安装了操作系统，00表示没有
  01 01 00 - CHS的其实位置
  07 - NTFS格式
  FE FF FF 3F - 结束地址
  后八位：
  3F 00 00 00 --- 00 00 00 3f
  9A E5 3F 01 --- 01 3f e5 9a

虚拟分区技术

可以从winhex的十六进制中可以看出此表上只能分4个分区，多余4个分区的时候就需要采用虚拟分区表

• 主引导记录最多记录4个分区，多于4个分区的时候，采用虚拟分区表的办法
• 即主分区在记录分区时，将多余容量记录为扩展分区
• 像是链式那样，一环接一环，要读取E盘就要先读取C和D盘，每个盘内都有一个MBR分区表，这样可以扩展出更多的硬盘，但缺点是假如D盘的MBR分区表出了问题，EF盘都不能读取！

GPT

全局唯一标识分区表，GPT是一种基于计算机中可扩展固件接口(EFI)使用的磁盘分区架构，他与UEFI相辅相成，UEFI是用来替代BIOS的

GUID分区表

这是一个随机生成的字符串，在MBR上分区和启动信息都是保存在一起的，如果这部分数据被覆盖或者破坏就麻烦了，相对的GPT在整个磁盘上保存了多个这部分信息的副本，他可以恢复被破坏的这部分信息，GPT还未这些信息保存了循环冗余校验码(CRC)以保证其完整和正确——如果数据被破坏GPT会发觉并从磁盘上的其他地方进行修复

什么是 GUID？

全球唯一标识符 (GUID) 是一个字母数字标识符，用于指示产品的唯一性安装。在许多流行软件应用程序(例如 Web 浏览器和媒体播放器)中，都使用 GUID。

GUID 的格式为“xxxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx”，其中每个 x 是 0-9 或 a-f 范围内的一个十六进制的数字。例如：6F9619FF-8B86-D011-B42D-00C04FC964FF 即为有效的 GUID 值。

为什么要用GUID

世界上的任何两台计算机都不会生成重复的 GUID 值。GUID 主要用于在拥有多个节点、多台计算机的网络或系统中，分配必须具有唯一性的标识符。在 Windows 平台上，GUID 应用非常广泛：注册表、类及接口标识、数据库、甚至自动生成的机器名、目录名等。

GPT分区表结构

当头部丢失的时候可以在尾部读取镜像恢复

• 保护MBR
  • 保护MBR与正常的MBR区别不大，主要是分区表上的不同，在保护MBR中只要一个表示为0xEE的分区，一次来表示这块硬盘使用GPT分区表
• 首要GPT头
• 首要GPT
• 磁盘数据区
• 备用GPT
• 备用GPT头

LBA0

LBA1

分区表头，最多可以创建128个分区

总结

在装电脑中最好使用UEFI+GPT格式，更安全，支持的容量更大

存储主要技术架构

DAS直连存储

DAS需要得到服务器的许可才能操作

存储设备直接加在到主机上

• 在一个DAS模式中何一个存储设备是被直接连接到服务器上。服务器是访问连接其白身存储资源的唯一单点。
• 服务器连接到一个图地网终(LAN)，个服务器就变成了在客户端工作站和存储资源之间的一个网关

直连存储架构

• 内置DAS
• 外置DAS

SCSI昂贵配置复杂不容易扩展，总线支持非常短
绝大多数直连存储环境使用小型计算机接口(SCSI)技术，

直接存储的优势与劣势

优势

• 相对廉价
• 使用熟练
• 广泛应用，使用简单

劣势

• 扩展性差
  • 受硬件卡槽影响，普通卡槽只有4 个，服务器可能有8个
• 性能差
• 与LAN和应用互相影响
• 不能轻易和经济性的扩展
• 受连接距离限制
  • 因为连接线比较短所以物理主机在哪直接存储设备就必须在哪
• 包括很多单点故障
  • 当物理主机出了故障会导致存储设备带来直接影响
• 管理困难
  • 不能批量操作，只能登陆到指定的每一台物理设备上配置

DAS的应用场景

DAS环境受制约

• 只有1台服务器可以直接连接一个指定的存储资源
• 存储资源访问必须与服务器中的其他应用共同竞争服务器的CPU、内存和ⅣO总线资源。这就降低了存储系统的性能
• 访问服务器的存储资源同样受可用的局域网(LAN)带宽的限制。局域网上的访问流量可以影响对存储访问的时间和速度，存储访问也可以影响使用局域网的其他应用的性能
• 每一台服务器可以支持数量非常有限的存储设备。当达到极限时，为了增加存储容量就需要添加额外的服务器。所以，DAS不能够很轻易和经济地扩展

DAS应用

• RAID(磁盘阵列)
• JBOD/SPAN(磁盘簇)

NAS

网络连接存储(NAS)概述

NAS(Network Attached Storage)

网络连接存储、或称附属存储

• NAS设备基本上是指那些专门提供存储资源的专用服务器，他提供即插即用的存储扩展资源
• NAS设诶可以直接介入LAN，客户端和服务器通过LAN访问NAS上的存储资源
• NAS设备典型的使用一个独立的文件系统平台来存储数据

NAS架构

NAS特点

• 与系统无关
  • 支持多种文件及数据共享方式
  • 支持windows、linux、unix等操作系统
  • 支持不同系统间对同一份数据的共享
    • 由于有自己的操作系统，所以可以存储为自己独立的格式，若win来则读取转换成win的格式，linux来则读取转换成linux的格式
• 简便的安装与管理
  • 出厂预装OS及相关软件，并进行软硬件预设值
  • 支持基于Web的GUI远程管理
• 强大的系统备份与恢复功能
• 优化的系统
• 方便的容量扩充
• 整体拥有成本TCO低
  • 前期采购成本高，管理成本低

NAS的优势与劣势

优势

• 访问快
• 可扩展性能好
• 使用灵活
• 性能可靠
• 易于安装和管理
• 成本低、廉价

劣势

• 本身性能是瓶颈
  • 由于NAS设备本来是专用的一台优化后的文件服务器，所以NAS服务器本身就是一个瓶颈
• 一个NAS设别性能也受可用网络(LAN)宽带的限制
  • 文件传输与应用服务所使用的宽带容易受影响会出现资源争夺现象
• 不支持数据库
  • 不适合块级数据应用的传输——不支持数据库

使用场景

局域网内文件级的共享访问，由于可以远程操作可以进行远程备份

NAS与DAS

• NAS对文件和应用的访问快于DAS，没有资源竞争的情况，
• 多服务器可以访问同一个NAS设备，增加了应用的可扩展性
• 因为服务器和客户端都在LAN上访问，提高了灵活的、分布式的存储环境，提高了安全可靠
• NAS比DAS更可靠
• NAS即插即用
• 因为NAS设备使用一个独立平台文件系统，任何连接到网络的主机操作系统都可以访问到NAS存储资源

SAN 存储区域网

SAN(Storage Area Network)

• 存储区域网络、或称第二网络、后端网

• 将存储设备独立分开，变成了网络当中的一个节点，故障不会互相影响，管理简单

• 将存储网络独立分开成一个存储业务网络，不会影响使用者本身上网的网络

• 性能上优于DAS与NAS常用于高端环境，但是由于设备的增加所以价格会有所增加

• 广义SAN

  • 支持多种协议的SAN

• 狭义SAN

  • FC-SAN(用光纤作为连接SAN，所以不支持TCP/IP协议)

概述

• 存储区域网络是一个由专用网络连接起来的由服务器和独立存储设备组成的
• 不像NAS设备，存储区域网络存储设备不包含任何服务器功能，并且它们不是运行一个文件系统。
• 主机负责运行和管理文件系统。在这个环境中，任何一台服务器可以访问任何一个存储设备。
• 台服务器可以访问多个存储设备，并且多个服务器可以访问同一个存储设备
• 这允许服务器和存储设备各自独立地扩充。

光纤通道存储区域网架构

主机-交换设备-存储设备(其中交换介质都是用光纤连接起来)

光纤通道协议传输速度上快于SCSI

SAN的组成

• server(服务器)
• storage(存储设备)
  • 磁盘阵列、磁带设备
• SAN fabric(连接设备)
  • 集线器、交换机、路由器、网关、HBA卡
• software (管理软件)

SAN管理

初期的投入大

• 资产管理
• 容量管理
• 配置管理
• 性能管理
• 可用性管理

SAN的优势与劣势

优势

• SAN提供高可扩展性
  • 服务器、存储和带宽可以独立的被扩展
• 可以运行数据库

劣势

• 价格高(前期投入大)

• 异构环境下的互操作性

• 管理复杂

三种存储 架构

可扩展性和可用性

SAN>NAS>DAS

成本比较

运维成本

SAN>DAS>NAS

一次性采购成本

SAN>DAS与NAS

三种技术架构的比较

SAN的主要应用

用于容灾保护

存储整合

客户端用网络与服务器相连，服务器通过光纤与交换机与存储设备(存储池)相连

提供了高性能

提供了数据安全的访问

高性能数据备份

LAN Free备份

服务器启到中转功能，对服务器有一定影响

1. 减少备份(恢复窗口)
2. 优化磁带应用(目前可能不适用)
3. 降低服务器负担
4. 消除对业务网络的影响

Server Less备份

服务器只起到发起功能，不在参与后续操作，可以专心对前端持续工作

1. 实现不影响应用的备份
2. 消除服务器负担

基于数据镜像的高级容灾数据保护

分布式存储

Fibre Channel(fc SAN)

FC SAN定义

一种完全光纤的传输

• 高速
• 数据整合
• 支持差错检测
• 支持远距离传输
• 支持远距离管理

传统的SAN是基于光纤完成的

光纤通道协议

三种拓扑架构

• 点对点
  • 2
• 环型拓扑
  • 126
• 星型连接(主流！)
  • 一千六百万

点对点拓扑结构

• 点对点拓扑是指在一台服务器和一个存储设备之间专用连接
• 点对点以光纤通道协议代替SCSI的基础直连架构

仲裁环拓扑结构

光纤通道设备以环路形式连接
物理表现为Hub上的星型连接
公有/私有仲裁环路协议
(Public/Private Arbitrated Loop)

环形拓扑结构特点

• 共享带宽
• 每个Loop最多支持126个节点和1个 FL Port
• 使用LIP给每个设备指定FCAL地址
• 使用仲裁环路协议控制对介质的访问
• 私有 Private和公共 Public环
• 若节点出现单点故障则会出现速率骤降

星型环路交换

• 中心节点一旦出现问题整个网络坏掉，解决办法是接上冗余设备

交换Fabric拓扑

• 其中FC-SW最为常用
• any to any的全带宽连接

特点

• 设备独享带宽
• 支持一千六百万地址空间
• 可以直接连接节点或仲裁环路/集线器
• 支持各种高级服务，用于发现和监控设备

HBA

• 为服务器或客户机内部总线(PCI和SBUS等)提供与光纤网络的接口
• HBA软件驱动为操作系统提供所需存储信息
  • 对I/O进行操作 I/O同时对正常请求进行控制
  • 铜/光介质支持(可以是双接口卡)

光电转换器

小型串行到串行热交换模块，主要功能是提供相应介质接口(铜或光)

FC的优缺点

• 信息孤岛
  • SAN一旦形成就是一个单纯的独立网络
• SAN管理权的滥用
  • 由于其是在SAN内部，所以SAN拥有最高权限可以对其进行任意操作
• 安全技术不易统一管理
  • 有各种技术与各种兼容性问题
• 管理的复杂性

FC适应环境

• 高数据传输带宽要求
• 高数据访问io要求
• 高数据安全级别
• 远距离数据传输
• 块数据传输
• 数据备份
• 灾难恢复
• 数据共亨

IP SAN(ISCSI)

由于FC SAN成本比较高，所以后期改用以太网替换光纤连接虽然速度上没有FC SAN快但是降低了成本

ISCSI定义

可以理解ISCSI是IP与SCSI的融合

• 在 Interne协议(|P)统治着局域网和广域网。 Internet小型机系统接口(iSCSI)协议整合了存储和IP网络，使通过IP网络完成存储数据块的传输成为现实。它建立在两个已被广泛应用的技术之上-为存储而建立的SCS命令和为网络化而建立的|P协议。
• iSCSI是一种端到端的协议，用于在IP网络中传输存I/O数据块。该协议被使用于服务器( initiator)、存储设备( target)和协议传输网关设备。
• iSCS使用标准的以太网交换机和路由器，将数据从服务器转移到存储设备。它还使得IP和以太网基础设施可以被用于对SAN存储系统的扩展访问，跨过任意距离完成对SAN的扩展接入。

ISCSI协议

iSCS协议是将SCS的远程过程调用(rpc)映射到IP协议的过程。isCS|协议提供了独立于他所携带的SCSI CDB的层的概念。isCSI请求传递SCS命令，iSCSI响应处理SCSI响应和状态。

ISCSI设备

• Taget目标器
  • iSCSI的存储设备称为iSCSITarget
• initiator启动器
  • iSCSI允许使用一般 Ethernet NIC卡(网络卡，为了效率多半是GbE以上等级)与 Ethernet Switch(交换器)，若使用一般GbE卡，则还需要搭配软件才能让GbE卡收发isCSI协议，此软件称为iSCSI Initiator，事实上iSCS HBA的角色也等同于iSCSI Initiator.

ISCSI工作流程

在Target端和Initiator端将SCSI命令重新TCP/IP封包和解包后，即可在普通的以太网内