信息存儲技術及其發展趨勢

木合亞提·尼亞孜別克 古力沙吾利·塔里甫

1新疆大學信息科學與工程學院，烏魯木齊 830046

2新疆醫科大學中醫學院，烏魯木齊 830011

信息存儲技術及其發展趨勢

木合亞提·尼亞孜別克1古力沙吾利·塔里甫2

1新疆大學信息科學與工程學院，烏魯木齊 830046

2新疆醫科大學中醫學院，烏魯木齊 830011

隨著計算機技術以及相關信息處理技術的不斷發展，人們對信息存儲的需求越來越大。信息數字化、網絡化技術的發展, 存儲平臺在信息系統中的地位越來越重要。本文簡要介紹了傳統存儲技術、磁盤陣列技術、網絡存儲技術、虛擬存儲技術的概念、作用、發展及其特點等。

存儲技術、陳列技術、虛擬技術

引言

隨著，Internet/In tranet快速發展和信息存儲量的持續增長, 導致了用戶對存儲產品和存儲服務需求的爆炸性增長。傳統的存儲和管理方案面臨著日益增長的數據、信息訪問需求都遇到一些問題。目前計算機存儲系統的性能遠遠不能滿足許多實際應用的需求, 因而如何建立高性能的存儲系統成為人們關注的焦點, 從而極大地推動了新的和更好的存儲技術的發展，并導致了存儲區域網絡、網絡附屬存儲設備、磁盤陣列等存儲設備的出現。信息存儲技術旨在研究大容量數據存儲的策略和方法, 其追求的目標在于擴大存儲容量、提高存取速度、保證數據的完整性和可靠性、加強對數據(文件) 的管理和組織等。本文根據當前存儲技術領域的發展，簡要評述了存儲技術的最新發展動向，并展望了其未來的發展趨勢。

1.傳統的存儲技術

傳統上的信息存儲技術主要包括磁存儲、光存儲、半導體存儲以及各種新型存儲器及其相應的存儲設備。它們都是以本機器為中心的存儲，從體系結構上看，它是基于總線連接的存儲，存儲設備通過I/O總線如IDE、SCSI等與機器相連。因此，容量上、存取速度上、相連的接口速度上還沒達到有一定的要求，于是同時，隨著處理器的速度不斷提升，存儲器的訪問時間便成為了影響處理器性能的主要因素。如何更加有效地管理更好的存儲空間成為了急待解決的問題。

1.1 半導體存儲技術

半導體存儲器是計算機中最重要的部件之一，在計算機中，內存一般都是半導體存儲器。對于半導體存儲(RAM、ROM、Flash)技術，其特點是存儲速度快，但是容量小，它的存取時間和存取容量直接影響著計算機的性能。在半導體存儲器的組成中，存儲芯片陳列是核心，其余部分是存儲器的外圍電路。在計算機系統中，指令和數據都以二進制形式存放在存儲單元中，外圍電路包括存儲單元地址緩沖譯碼驅動電路、讀出數據放大電路、寫入數據驅動電路、片選和內部時序控制電路等。由于存儲單元陳列及其外圍電路可集成在同一芯片上，因而生產過程簡單，調試方便，容易實現自動化。隨著大規模集成電路和存儲技術的長足發展,半導體存儲器的集成度以每三年翻兩番的速度在提高, 相同容量的存儲器在計算機中的體積和成本所占用的比例已越來越小。

1.2 磁存儲設備

磁性存儲器(MRAM)是一種利用磁學原理實現數據存取的存儲器。其基本原理是利用巨磁阻薄膜的兩種狀態存儲數據。主要包括硬盤、軟盤、磁帶等磁表面存儲器。它們是利用一層亞微米量級的表面磁介質作為記錄信息的媒體，以磁介質的兩種不同剩磁狀態或不同剩磁方向變化的規律來表示二進制數字的信息，磁表面存儲器的信息記錄和輸出過程都是電、磁信息轉換的過程，是通過磁頭和運動著的磁介質來實現的。下面的圖表示磁表面存儲的數據輸入和讀出的交換原理圖。寫入時，數據經編碼電路，根據不同的記錄方式，產生相應的電流變化，這樣的電流信號送到磁頭線圈，在磁介質表面上形成與數據相對應的磁化區域；讀出時，讀出磁頭經過磁表面存儲器，其剩磁轉換成磁頭中的感應信號，再經過放大譯碼還原成數據信號。總的來說，所有的磁存儲設備通過磁頭和磁記錄介質的相對運動來完成讀和寫操作過程。

1.3 光存儲設備

光存儲設備主要是指光盤存儲系統，其基本原理是利用聚焦成極小的激光束照射介質，使介質產生變異，實現信息的記錄；與磁存儲技術相比，存儲密度高、存儲壽命長、非接觸式讀/寫和擦等優勢。提高存儲密度和數據傳輸率一直是光盤存儲技術的主要發展目標，同時，性能的多功能，即不僅能讀出，能記錄，而且能可擦重寫，也是光盤存儲技術的發展方向，也由此才能與日益發展的其他存儲技術相競爭。

2 磁盤陣列技術

磁盤陣列（Disk A r ray）是由一個磁盤控制器來控制多個硬盤的相互連接，使多個硬盤的讀寫同步，以減少錯誤、提高效率和可靠性的技術。特點是容量大、速度快，最好的特點是可用性增加，即使有硬盤壞了，信息仍可用。磁盤陣列的全稱是：RedundanA rrayofInexpensiveDisk，簡稱RA ID技術，磁盤陣列技術發展得很快，并逐步走向成熟。網絡磁盤陣列將傳統的以服務器為中心的存儲轉發改變為以數據為中心的直接傳輸, 從而消除了傳統模式下的服務器I/O瓶頸。RA ID技術包括6種級別，每一個級別都描述了一種不同的技術，其實質就是對多個磁盤的控制采用不同的方法。

2.1 RA ID 0和RA ID 1

RA ID0 采用數據分割技術，將所有硬盤構成一個磁盤陣列，可以同時對多個硬盤進行讀寫操作，但RA ID0 陳列中的一個驅動器出錯將會導致所有硬盤上的數據全部丟失，因此可靠性最差。RA ID 1 不使用將數據分塊存儲在多個硬盤上的方法，而是采用磁盤鏡像技術。它使用兩個硬盤，并且將一個硬盤的內容同步復制到另一個硬盤上。如果其中一個硬盤出現故障，另一個硬盤將繼續正常工作。因此，RA ID1 的可靠性較高，但硬盤的使用效率較低。

2.2 RA ID 2 和 RA ID 3

RAID2只是一種技術規范，它在多個硬盤上分塊分布數據，并將數據存儲在特定的硬盤中，由于RAID2效率太低，因而未被使用。RAID3 采用數據交錯存儲技術，它在多個硬盤上分塊分布數據，然后對各個數據磁盤上存儲的所有數據使用異或操作，以產生一個校驗數據（ECC數據），并將這個數據存儲到一個校驗硬盤（ECC硬盤）上。如果其中一個存儲數據的硬盤發生故障，導致了數據出錯或丟失，那么RA ID3 先讀出其余硬盤上的數據，再讀出ECC硬盤上的校驗數據，就可以恢復出錯或丟失的數據。

2.3 RA ID4 和 RA ID5

RAID4與RAID3 相似，但數據不是在不同的數據驅動器之間分塊分布，每一個數據都被完全寫入到一個硬盤中，而另一塊被寫入到下一個硬盤中，以此類推。RA ID 5對RA ID3 技術進行了改進，除了保持分塊存儲數據的功能外，它將校驗數據存放在所有的硬盤中，這樣做的好處在于，不必依賴一個ECC驅動器來進行所有寫操作。RA ID 5 的所有硬盤都共享ECC工作，因此，RA ID 5 的性能比RAID3 稍高一些，如果任何一個硬盤出現故障，可以將其替換，且數據也能夠恢復。

3 網絡存儲技術

大量數據資料應用的持續、快速增長，導致了對更大的存儲設備容量的需求，同時，網絡帶寬的需求也在持續增加。然而，隨著網絡技術的不斷發展和建設，巨大的網絡客戶使傳統的文件服務器成為網絡服務的瓶頸，尤其在數據存儲方面，不僅數據存儲容量成指數增長，而且對存儲設備的性能、可擴展性、安全性及可管理性等諸多方面有進一步的要求。傳統的存儲和管理方案面臨著日益增長的數據、信息訪問需求以及管理人才缺乏的挑戰，這種挑戰促進了直聯存儲(DA S)、存儲區域網（SAN）、附網存儲（NAS）等網絡存儲技術的發展。

3.1 直聯存儲（DA S）

直聯附加存儲是指將存儲設備通過SCSI接口直接連接到一臺服務器上使用。其購置成本低，配置簡單，使用過程和使用本機硬盤并無太大差別，對于服務器的要求僅僅是一個外接的SCSI口。

3.2 附網存儲（NAS）

NAS設備直接連接到TCP/IP網絡上，網絡服務器通過TCP/IP網絡存取管理數據。NA S作為一種瘦服務器系統，易于安裝和部署，管理使用也很方便。同時由于可以允許客戶機不通過服務器直接在NAS中存取數據，因此對服務器來說可以減少系統開銷。

3.3 存儲區域網（SAN）

SAN由于其基礎是一個專用網絡，因此擴展性很強，不管是在一個SAN系統中增加一定的存儲空間還是增加幾臺使用存儲空間的服務器都非常方便。通過SAN接口的磁帶機，SAN系統可以方便高效的實現數據的集中備份。SAN作為一種新興的存儲方式，是未來存儲技術的發展方向，但是，它也存在一些缺點：（1）價格昂貴。不論是SAN陣列柜還是SAN必需的光纖通道交換機價格都是十分昂貴的，就連服務器上使用的光通道卡的價格也是不容易被小型商業企業所接受的;（2）需要單獨建立光纖網絡，異地擴展比較困難。

4 虛擬存儲技術

所謂虛擬存儲技術，是指把多個物理上獨立存在的存儲體或存儲介質模塊通過軟件或硬件技術手段進行集中統一管理，形成一個邏輯上的虛擬存儲單元供服務器及其應用系統進行訪問的技術。虛擬存儲系統的存儲容量是集中統一管理的各個物理存儲體的存儲容量之和，而它的訪問帶寬則接近于各個物理存儲體的訪問帶寬之和。從專業的角度來看，虛擬存儲實際上是邏輯存儲，是一種智能、有效地管理存儲數據的方式。從系統的觀點看，實現虛擬存儲主要有三種方式，即基于服務器的虛擬存儲、基于存儲設備的虛擬存儲、基于網絡的虛擬存儲。以后的虛擬存儲技術便于使用、便于管理等方向發展。

5 結束語

信息時代，計算機存儲器更快的訪問速度、更大的容量、更小的體積、更低的價格、更高的可靠性是計算機存儲器設計和制造者追求的永恒目標。隨著科學技術的發展，各個學科之間的融合，新的技術不斷地涌現，很多新的、先進的大容量存儲技術會得到實現。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.075

重點課程建設

木合亞提·尼亞孜別克(1 9 6 7-)，男，哈薩克族， 講師， 主要研究方向為自然語言與信息處理、計算機體系結構、網絡技術。古力沙吾利（1969 -），女，副教授，主要研究方向為臨床神經系統及教學。