信息存储技术及其发展趋势

2011-10-26木合亚提尼亚孜别克古力沙吾利塔里甫

中国科技信息 2011年10期

关键词：磁盘阵列存储技术存储设备

木合亚提·尼亚孜别克古力沙吾利·塔里甫

1新疆大学信息科学与工程学院，乌鲁木齐 830046

2新疆医科大学中医学院，乌鲁木齐 830011

信息存储技术及其发展趋势

木合亚提·尼亚孜别克1古力沙吾利·塔里甫2

1新疆大学信息科学与工程学院，乌鲁木齐 830046

2新疆医科大学中医学院，乌鲁木齐 830011

随着计算机技术以及相关信息处理技术的不断发展，人们对信息存储的需求越来越大。信息数字化、网络化技术的发展, 存储平台在信息系统中的地位越来越重要。本文简要介绍了传统存储技术、磁盘阵列技术、网络存储技术、虚拟存储技术的概念、作用、发展及其特点等。

存储技术、陈列技术、虚拟技术

引言

随着，Internet/In tranet快速发展和信息存储量的持续增长, 导致了用户对存储产品和存储服务需求的爆炸性增长。传统的存储和管理方案面临着日益增长的数据、信息访问需求都遇到一些问题。目前计算机存储系统的性能远远不能满足许多实际应用的需求, 因而如何建立高性能的存储系统成为人们关注的焦点, 从而极大地推动了新的和更好的存储技术的发展，并导致了存储区域网络、网络附属存储设备、磁盘阵列等存储设备的出现。信息存储技术旨在研究大容量数据存储的策略和方法, 其追求的目标在于扩大存储容量、提高存取速度、保证数据的完整性和可靠性、加强对数据(文件) 的管理和组织等。本文根据当前存储技术领域的发展，简要评述了存储技术的最新发展动向，并展望了其未来的发展趋势。

1.传统的存储技术

传统上的信息存储技术主要包括磁存储、光存储、半导体存储以及各种新型存储器及其相应的存储设备。它们都是以本机器为中心的存储，从体系结构上看，它是基于总线连接的存储，存储设备通过I/O总线如IDE、SCSI等与机器相连。因此，容量上、存取速度上、相连的接口速度上还没达到有一定的要求，于是同时，随着处理器的速度不断提升，存储器的访问时间便成为了影响处理器性能的主要因素。如何更加有效地管理更好的存储空间成为了急待解决的问题。

1.1 半导体存储技术

半导体存储器是计算机中最重要的部件之一，在计算机中，内存一般都是半导体存储器。对于半导体存储(RAM、ROM、Flash)技术，其特点是存储速度快，但是容量小，它的存取时间和存取容量直接影响着计算机的性能。在半导体存储器的组成中，存储芯片陈列是核心，其余部分是存储器的外围电路。在计算机系统中，指令和数据都以二进制形式存放在存储单元中，外围电路包括存储单元地址缓冲译码驱动电路、读出数据放大电路、写入数据驱动电路、片选和内部时序控制电路等。由于存储单元陈列及其外围电路可集成在同一芯片上，因而生产过程简单，调试方便，容易实现自动化。随着大规模集成电路和存储技术的长足发展,半导体存储器的集成度以每三年翻两番的速度在提高, 相同容量的存储器在计算机中的体积和成本所占用的比例已越来越小。

1.2 磁存储设备

磁性存储器(MRAM)是一种利用磁学原理实现数据存取的存储器。其基本原理是利用巨磁阻薄膜的两种状态存储数据。主要包括硬盘、软盘、磁带等磁表面存储器。它们是利用一层亚微米量级的表面磁介质作为记录信息的媒体，以磁介质的两种不同剩磁状态或不同剩磁方向变化的规律来表示二进制数字的信息，磁表面存储器的信息记录和输出过程都是电、磁信息转换的过程，是通过磁头和运动着的磁介质来实现的。下面的图表示磁表面存储的数据输入和读出的交换原理图。写入时，数据经编码电路，根据不同的记录方式，产生相应的电流变化，这样的电流信号送到磁头线圈，在磁介质表面上形成与数据相对应的磁化区域；读出时，读出磁头经过磁表面存储器，其剩磁转换成磁头中的感应信号，再经过放大译码还原成数据信号。总的来说，所有的磁存储设备通过磁头和磁记录介质的相对运动来完成读和写操作过程。

1.3 光存储设备

光存储设备主要是指光盘存储系统，其基本原理是利用聚焦成极小的激光束照射介质，使介质产生变异，实现信息的记录；与磁存储技术相比，存储密度高、存储寿命长、非接触式读/写和擦等优势。提高存储密度和数据传输率一直是光盘存储技术的主要发展目标，同时，性能的多功能，即不仅能读出，能记录，而且能可擦重写，也是光盘存储技术的发展方向，也由此才能与日益发展的其他存储技术相竞争。

2 磁盘阵列技术

磁盘阵列（Disk A r ray）是由一个磁盘控制器来控制多个硬盘的相互连接，使多个硬盘的读写同步，以减少错误、提高效率和可靠性的技术。特点是容量大、速度快，最好的特点是可用性增加，即使有硬盘坏了，信息仍可用。磁盘阵列的全称是：RedundanA rrayofInexpensiveDisk，简称RA ID技术，磁盘阵列技术发展得很快，并逐步走向成熟。网络磁盘阵列将传统的以服务器为中心的存储转发改变为以数据为中心的直接传输, 从而消除了传统模式下的服务器I/O瓶颈。RA ID技术包括6种级别，每一个级别都描述了一种不同的技术，其实质就是对多个磁盘的控制采用不同的方法。

2.1 RA ID 0和RA ID 1

RA ID0 采用数据分割技术，将所有硬盘构成一个磁盘阵列，可以同时对多个硬盘进行读写操作，但RA ID0 陈列中的一个驱动器出错将会导致所有硬盘上的数据全部丢失，因此可靠性最差。RA ID 1 不使用将数据分块存储在多个硬盘上的方法，而是采用磁盘镜像技术。它使用两个硬盘，并且将一个硬盘的内容同步复制到另一个硬盘上。如果其中一个硬盘出现故障，另一个硬盘将继续正常工作。因此，RA ID1 的可靠性较高，但硬盘的使用效率较低。

2.2 RA ID 2 和 RA ID 3

RAID2只是一种技术规范，它在多个硬盘上分块分布数据，并将数据存储在特定的硬盘中，由于RAID2效率太低，因而未被使用。RAID3 采用数据交错存储技术，它在多个硬盘上分块分布数据，然后对各个数据磁盘上存储的所有数据使用异或操作，以产生一个校验数据（ECC数据），并将这个数据存储到一个校验硬盘（ECC硬盘）上。如果其中一个存储数据的硬盘发生故障，导致了数据出错或丢失，那么RA ID3 先读出其余硬盘上的数据，再读出ECC硬盘上的校验数据，就可以恢复出错或丢失的数据。

2.3 RA ID4 和 RA ID5

RAID4与RAID3 相似，但数据不是在不同的数据驱动器之间分块分布，每一个数据都被完全写入到一个硬盘中，而另一块被写入到下一个硬盘中，以此类推。RA ID 5对RA ID3 技术进行了改进，除了保持分块存储数据的功能外，它将校验数据存放在所有的硬盘中，这样做的好处在于，不必依赖一个ECC驱动器来进行所有写操作。RA ID 5 的所有硬盘都共享ECC工作，因此，RA ID 5 的性能比RAID3 稍高一些，如果任何一个硬盘出现故障，可以将其替换，且数据也能够恢复。

3 网络存储技术

大量数据资料应用的持续、快速增长，导致了对更大的存储设备容量的需求，同时，网络带宽的需求也在持续增加。然而，随着网络技术的不断发展和建设，巨大的网络客户使传统的文件服务器成为网络服务的瓶颈，尤其在数据存储方面，不仅数据存储容量成指数增长，而且对存储设备的性能、可扩展性、安全性及可管理性等诸多方面有进一步的要求。传统的存储和管理方案面临着日益增长的数据、信息访问需求以及管理人才缺乏的挑战，这种挑战促进了直联存储(DA S)、存储区域网（SAN）、附网存储（NAS）等网络存储技术的发展。

3.1 直联存储（DA S）

直联附加存储是指将存储设备通过SCSI接口直接连接到一台服务器上使用。其购置成本低，配置简单，使用过程和使用本机硬盘并无太大差别，对于服务器的要求仅仅是一个外接的SCSI口。

3.2 附网存储（NAS）

NAS设备直接连接到TCP/IP网络上，网络服务器通过TCP/IP网络存取管理数据。NA S作为一种瘦服务器系统，易于安装和部署，管理使用也很方便。同时由于可以允许客户机不通过服务器直接在NAS中存取数据，因此对服务器来说可以减少系统开销。

3.3 存储区域网（SAN）

SAN由于其基础是一个专用网络，因此扩展性很强，不管是在一个SAN系统中增加一定的存储空间还是增加几台使用存储空间的服务器都非常方便。通过SAN接口的磁带机，SAN系统可以方便高效的实现数据的集中备份。SAN作为一种新兴的存储方式，是未来存储技术的发展方向，但是，它也存在一些缺点：（1）价格昂贵。不论是SAN阵列柜还是SAN必需的光纤通道交换机价格都是十分昂贵的，就连服务器上使用的光通道卡的价格也是不容易被小型商业企业所接受的;（2）需要单独建立光纤网络，异地扩展比较困难。

4 虚拟存储技术

所谓虚拟存储技术，是指把多个物理上独立存在的存储体或存储介质模块通过软件或硬件技术手段进行集中统一管理，形成一个逻辑上的虚拟存储单元供服务器及其应用系统进行访问的技术。虚拟存储系统的存储容量是集中统一管理的各个物理存储体的存储容量之和，而它的访问带宽则接近于各个物理存储体的访问带宽之和。从专业的角度来看，虚拟存储实际上是逻辑存储，是一种智能、有效地管理存储数据的方式。从系统的观点看，实现虚拟存储主要有三种方式，即基于服务器的虚拟存储、基于存储设备的虚拟存储、基于网络的虚拟存储。以后的虚拟存储技术便于使用、便于管理等方向发展。