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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(xiàn)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(jīng)完全離不開視頻、音樂、圖片、文本、表格這樣的數(shù)據(jù)文件。

而所有這些數(shù)據(jù)文件，都需要通過電子設備進行保存，這就是數(shù)據(jù)存儲，簡稱存儲。

▉?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(nèi)存（Memory）和硬盤（Hard Disk）。CPU 負責運算，硬盤負責存儲。而內(nèi)存，是 CPU 和硬盤之間的橋梁。用于暫時存放 CPU 中的運算數(shù)據(jù)。

CPU、內(nèi)存、硬盤

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

以普通臺式機為例，硬盤通過專用接口和數(shù)據(jù)線，連接在主板上，實現(xiàn)和 CPU、內(nèi)存的數(shù)據(jù)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(shù)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(nèi)部結構。

目前主流的硬盤類型有兩種，分別是傳統(tǒng)機械硬盤和 SSD 固態(tài)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(tài)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(zhì)，兩面都可以記錄信息。在盤面上讀 / 寫數(shù)據(jù)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(qū)（Sector，圖中綠色部分）。

扇區(qū)是磁盤的最小組成單元。大家應該看出來了，越靠圓心，扇區(qū)越短。那么，是不是越往外，扇區(qū)越長，存儲的數(shù)據(jù)越多呢？

不一定。

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

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

以扇區(qū)為基礎，一個或多個連續(xù)的扇區(qū)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(tǒng)？

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(tǒng)（Volume Manager）。

Windows 的卷管理系統(tǒng)，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(tài)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(qū)，分區(qū)類別包括主分區(qū)、擴展分區(qū)和邏輯分區(qū)。

硬盤分區(qū)

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

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

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

簡單來說，動態(tài)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(qū)，就可以借助動態(tài)磁盤來完成。

動態(tài)磁盤里面的卷，又分為簡單卷、跨區(qū)卷、帶區(qū)卷、鏡像卷、RAID-5 卷。限于篇幅，就不做具體介紹了?；敬疟P里的分區(qū)，現(xiàn)在也被微軟改叫為卷。

再來看看 Linux 的 LVM 工具。

其實 LVM 和動態(tài)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(zhì)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(chuàng)建卷組之后，再創(chuàng)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(tǒng)（File System）。

文件系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)下，通過對分區(qū)（卷）進行文件系統(tǒng)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(tǒng)下，我們需要對邏輯卷進行文件系統(tǒng)格式化，然后執(zhí)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(nèi)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(tǒng)開始引入了外掛存儲。也就是說，硬盤從計算機的內(nèi)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(wǎng)絡存儲（FAS，F(xiàn)abric 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(shù)據(jù)存儲設備看似在外部，但直接掛接在服務器內(nèi)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(wǎng)絡存儲，是一種多點連接式的存儲。它又分為NAS（Network-attached Storage，網(wǎng)絡接入存儲）和SAN（Storage Area Network，存儲區(qū)域網(wǎng)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(wǎng)絡，實現(xiàn)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(wǎng)絡系統(tǒng)效率會急劇下降。為了解決這個問題，出現(xiàn)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(shù)據(jù)，采用 ISCSI、FC 協(xié)議。

SAN 和 NAS 的關鍵區(qū)別，就在于文件系統(tǒng)的位置。畫個圖就明白了：

可以看出，如果說 SAN 是一塊網(wǎng)絡硬盤的話，NAS 基本上已經(jīng)像一臺獨立的服務器了。NAS 擁有文件系統(tǒng)，用戶可以通過 TCP/IP 協(xié)議直接訪問上面的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)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(wǎng)絡文件系統(tǒng)（Network File System）訪問 NAS 上的文件。常見的網(wǎng)絡文件系統(tǒng)有 Windows 網(wǎng)絡的 CIFS（也叫 SMB）、類 Unix 系統(tǒng)網(wǎng)絡的 NFS 等。

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