Вся информация на компьютере хранится на: «Как физически хранится информация на компьютере?» — Яндекс Кью

В этом видео от CHM Nano Education объясняется роль магнетизма в хранении данных.

Жесткий диск представляет собой круглую пластину, покрытую тонким слоем магнитного материала. Диск вставляется в шпиндель и вращается со скоростью до 15 000 оборотов в минуту (об/мин). При вращении данные записываются на поверхность диска с помощью магнитных записывающих головок. Высокоскоростной исполнительный рычаг позиционирует записывающую головку на первое доступное место на диске, позволяя записывать данные по кругу.

На электромеханическом диске, таком как HDD, блоки данных хранятся в секторах. Исторически жесткие диски использовали сектора размером 512 байт, но ситуация начала меняться с введением расширенного формата, который может поддерживать сектора размером 4096 байт. Расширенный формат увеличивает плотность битов на каждой дорожке, оптимизирует способ хранения данных и повышает эффективность формата, что приводит к увеличению емкости и надежности.

На большинстве твердотельных накопителей данные записываются на объединенные микросхемы флэш-памяти NAND, которые используют либо ячейки с плавающим затвором, либо ячейки ловушки заряда для сохранения своих электрических зарядов. Эти заряды определяют состояние двоичного бита (1 или 0). Технически SSD — это не накопитель, а скорее интегральная схема, состоящая из кремниевых чипов миллиметрового размера, которые могут содержать тысячи или даже миллионы нанотранзисторов.

Многие организации используют иерархическую систему управления хранилищем для резервного копирования своих данных на дисковые устройства. Резервное копирование данных считается передовой практикой, когда данные необходимо защитить, например, когда организации подпадают под действие правовых норм. В некоторых случаях организация будет записывать свои резервные данные на магнитную ленту, используя ее в качестве третичного уровня хранения. Однако такой подход практикуется реже, чем в прошлые годы.

Организация также может использовать виртуальную ленточную библиотеку (VTL), которая вообще не использует ленты. Вместо этого данные записываются на диски последовательно, но сохраняют характеристики и свойства ленты. Ценность VTL заключается в его быстром восстановлении и масштабируемости.

Измерение объемов хранения

Цифровая информация записывается на целевой носитель с помощью программных команд. Наименьшей единицей измерения в памяти компьютера является бит, который имеет двоичное значение 0 или 1. Значение бита определяется уровнем электрического напряжения, содержащегося в одном конденсаторе. Восемь бит составляют один байт.

Компьютеры, системы хранения и сетевые системы используют два стандарта для измерения объемов памяти: десятичная система с основанием 10 и двоичная система с основанием 2. Для небольших объемов хранения расхождения между двумя стандартами обычно не имеют большого значения. Однако эти несоответствия становятся гораздо более заметными по мере увеличения емкости хранилища.

Различия между двумя стандартами можно увидеть при измерении как битов, так и байтов. Например, следующие измерения показывают разницу в значениях битов для нескольких распространенных десятичных (с основанием 10) и двоичных (с основанием 2) измерений:

• 1 килобит (Кб) равен 1000 бит; 1 кибибит (Kib) равен 1024 битам
• 1 мегабит (Мб) равен 1000 Кб; 1 мебибит (Миб) равен 1024 КБ
• 1 гигабит (Гб) равен 1000 Мб; 1 гибибит (Gib) равен 1024 МБ
• 1 терабит (Тб) равен 1000 Гб; 1 тебибит (тиб) равен 1024 гиб
• 1 петабит (Pb) равен 1000 Tb; 1 пебибит (пиб) равен 1024 тиб
• 1 эксабит (Eb) равен 1000 Pb; 1 exbibit (Eib) равен 1024 Pib

Различия между десятичными и двоичными стандартами также можно увидеть для нескольких распространенных измерений байтов:

• 1 килобайт (КБ) равен 1000 байт; 1 кибибайт (КиБ) равен 1024 байтам
• 1 мегабайт (МБ) равен 1000 КБ; 1 мебибайт (МиБ) равен 1024 КиБ
• 1 гигабайт (ГБ) равен 1000 МБ; 1 гибибайт (ГиБ) равен 1024 МБ
• 1 терабайт (ТБ) равен 1000 ГБ; 1 тебибайт (ТиБ) равен 1024 ГиБ
• 1 петабайт (ПБ) равен 1000 ТБ; 1 пебибайт (ПиБ) равен 1024 ТиБ
• 1 эксабайт (ЭБ) равен 1000 ПБ; 1 эксбибайт (EiB) равен 1024 PiB

Измерения хранилища могут относиться к емкости устройства или объему данных, хранящихся в устройстве. Суммы часто выражаются с использованием десятичных соглашений об именах, таких как килобайты, мегабайты или терабайты, независимо от того, основаны ли суммы на десятичных или двоичных стандартах.

К счастью, многие системы теперь различают эти два стандарта. Например, производитель может указать доступную емкость на устройстве хранения как 750 ГБ, что основано на десятичном стандарте, в то время как операционная система указывает доступную емкость как 698 ГиБ. В этом случае ОС использует двоичный стандарт, четко показывая несоответствие между двумя измерениями.

Некоторые системы могут предоставлять измерения на основе обоих значений. Примером этого является IBM Spectrum Archive Enterprise Edition, в котором для представления хранения данных используются как десятичные, так и двоичные единицы измерения. Например, система отобразит значение 512 терабайт как 9.0029 512 ТБ (465,6 ТиБ) .

Немногим организациям требуется одна система хранения или подключенная система, которая может хранить эксабайт данных, но есть системы хранения, которые масштабируются до нескольких петабайт. Учитывая скорость, с которой растут объемы данных, эксабайтное хранилище может в конечном итоге стать обычным явлением.

Сравнение измерений двоичных и десятичных данных

В чем разница между оперативной памятью и хранилищем?

Оперативная память (ОЗУ) — это аппаратное обеспечение компьютера, в котором временно хранятся данные, к которым процессор компьютера может быстро получить доступ. Данные могут включать в себя файлы ОС и приложений, а также другие данные, важные для текущих операций компьютера. Оперативная память является основной памятью компьютера и работает намного быстрее, чем обычные устройства хранения, такие как жесткие диски, твердотельные накопители или оптические диски.

ОЗУ компьютера обеспечивает немедленную доступность данных для процессора, как только они потребуются.

Самая большая проблема с оперативной памятью заключается в том, что она энергозависима. Если компьютер теряет питание, все данные, хранящиеся в оперативной памяти, теряются. Если компьютер выключается или перезагружается, данные необходимо загрузить заново. Это сильно отличается от типа постоянного хранилища, предлагаемого твердотельными накопителями, жесткими дисками или другими энергонезависимыми устройствами. Если они теряют питание, данные все равно сохраняются.

Хотя большинство запоминающих устройств намного медленнее, чем оперативная память, их энергонезависимость делает их необходимыми для выполнения повседневных операций.

Устройства хранения

также дешевле в производстве и могут хранить гораздо больше данных, чем ОЗУ. Например, большинство ноутбуков имеют 8 ГБ или 16 ГБ ОЗУ, но они также могут поставляться с сотнями гигабайт или даже терабайтами памяти.

RAM обеспечивает мгновенный доступ к данным. Хотя хранилище также связано с производительностью, его конечная цель — обеспечить безопасное хранение данных и доступ к ним при необходимости.

Оценка иерархии хранения

Организации все чаще используют многоуровневое хранилище для автоматизации размещения данных на различных носителях. Данные размещаются на определенном уровне в зависимости от емкости, производительности и соответствия требованиям. Уровни данных, в самом простом случае, начинаются с классификации данных как первичных или вторичных, а затем их сохранения на носителе, наиболее подходящем для этого уровня, с учетом того, как используются данные и какой тип носителя для этого требуется.

Значения первичных и вторичных хранилищ менялись с годами. Первоначально основное хранилище относилось к ОЗУ и другим встроенным устройствам, таким как кэш-память L1 процессора, а вторичное хранилище относилось к твердотельным накопителям, жестким дискам, лентам или другим энергонезависимым устройствам, которые поддерживали доступ к данным посредством операций ввода-вывода.

Основное хранилище обычно обеспечивало более быстрый доступ, чем вторичное хранилище, из-за близости хранилища к процессору компьютера. С другой стороны, вторичное хранилище может содержать гораздо больше данных и может реплицировать данные на резервные устройства хранения, обеспечивая при этом высокую доступность активных данных. Это было также дешевле.

Хотя такое использование все еще сохраняется, термины первичное и вторичное хранилище приобрели немного разные значения. В наши дни основное хранилище, иногда называемое основным хранилищем, обычно относится к любому типу хранилища, которое может эффективно поддерживать повседневные приложения и бизнес-процессы. Основное хранилище обеспечивает непрерывную работу рабочих нагрузок приложений, занимающих центральное место в повседневном производстве и основных направлениях деятельности компании. Первичные носители данных могут включать твердотельные накопители, жесткие диски, память класса хранения (SCM) или любые устройства, обеспечивающие производительность и емкость, необходимые для выполнения повседневных операций.

Напротив, вторичное хранилище может включать практически любой тип хранилища, не считающийся первичным. Вторичное хранилище может использоваться для резервных копий, моментальных снимков, справочных данных, архивных данных, старых операционных данных или любых других типов данных, которые не являются критически важными для основных бизнес-операций. Вторичное хранилище обычно поддерживает резервное копирование и аварийное восстановление и часто включает облачное хранилище, которое иногда является частью конфигурации гибридного облака.

Цифровая трансформация бизнеса также побудила все больше и больше компаний использовать несколько облачных хранилищ, добавляя удаленный уровень, расширяющий вторичное хранилище.

Типы устройств/носителей данных

В самом широком смысле носители данных могут относиться к широкому спектру устройств, обеспечивающих различные уровни емкости и скорости. Например, это может быть кэш-память, динамическая оперативная память (DRAM) или основная память; магнитная лента и магнитный диск; оптические диски, такие как CD, DVD и Blu-ray; твердотельные накопители на основе флэш-памяти, устройства SCM и различные варианты хранения в оперативной памяти. Однако при использовании термина «хранилище данных» большинство людей имеют в виду жесткие диски, твердотельные накопители, устройства SCM, оптические накопители или ленточные системы, отличая их от энергозависимой памяти компьютера.

Вращающиеся жесткие диски

используют пластины, уложенные друг на друга, покрытые магнитным носителем, с головками дисков, которые считывают и записывают данные на носитель. Жесткие диски широко используются в персональных компьютерах, серверах и корпоративных системах хранения данных, но их быстро вытесняют твердотельные накопители, которые обеспечивают превосходную производительность, обеспечивают большую надежность, потребляют меньше энергии и занимают меньше места. Они также начинают достигать ценового паритета с жесткими дисками, хотя этого еще не произошло.

Внешний жесткий диск

Большинство твердотельных накопителей хранят данные на микросхемах энергонезависимой флэш-памяти. В отличие от вращающихся дисков, твердотельные накопители не имеют движущихся частей и все чаще встречаются во всех типах компьютеров, несмотря на то, что они дороже жестких дисков. Некоторые производители также поставляют устройства хранения данных, в которых используется флэш-память на серверной части и высокоскоростной кэш-память, например DRAM, на внешней стороне.

В отличие от жестких дисков, флэш-накопители не используют движущиеся механические части для хранения данных, что обеспечивает более быстрый доступ к данным и меньшую задержку по сравнению с жесткими дисками. Флэш-память является энергонезависимой, как и жесткие диски, что позволяет данным сохраняться в памяти, даже если система хранения теряет питание, но флэш-память еще не достигла того же уровня надежности, что и жесткий диск, что приводит к гибридным массивам, которые объединяют оба типа носителей. (Стоимость является еще одним фактором при разработке гибридных хранилищ.) Однако, когда речь идет о долговечности твердотельных накопителей, типы рабочих нагрузок и устройства NAND также могут играть важную роль в долговечности устройства, и в этом отношении твердотельные накопители могут значительно отличаться от одного устройства к другому.

С 2011 года все больше предприятий внедряют массивы all-flash на основе технологии флэш-памяти NAND в качестве дополнения или замены массивов жестких дисков. Организации также начинают использовать устройства SCM, такие как твердотельные накопители Intel Optane, которые обеспечивают более высокую скорость и меньшую задержку, чем хранилища на основе флэш-памяти.

Твердотельный накопитель Optane на базе Intel 3D XPoint

Когда-то внутренние и внешние оптические накопители широко использовались в потребительских и бизнес-системах. На оптических дисках может храниться программное обеспечение, компьютерные игры, аудиоконтент или фильмы. Их также можно использовать в качестве вторичного хранилища для любого типа данных. Тем не менее, достижения в области технологий жестких дисков и твердотельных накопителей, а также распространение потоковой передачи через Интернет и флэш-накопителей с универсальной последовательной шиной (USB) уменьшили зависимость от оптических накопителей. Тем не менее, оптические диски гораздо более долговечны, чем другие носители данных, и их производство недорого, поэтому они до сих пор используются для аудиозаписей и фильмов, а также для долгосрочного архивирования и резервного копирования данных.

Различные форматы оптических носителей

Карты флэш-памяти

встраиваются в цифровые камеры и мобильные устройства, такие как смартфоны, планшеты, аудиомагнитофоны и медиаплееры. Флэш-память также используется на картах Secure Digital, CompactFlash, MultiMediaCard (MMC) и USB-накопителях.

Флэш-память

Физические магнитные гибкие диски в наши дни используются редко, если вообще используются. В отличие от старых компьютеров, новые системы не оснащены дисководами для гибких дисков. Использование гибких дисков началось в 19 в.70-х, но диски были сняты с производства в конце 1990-х. Иногда вместо 3,5-дюймовой физической дискеты используются виртуальные дискеты, что позволяет пользователям монтировать файл образа так же, как диск A: на компьютере.

Поставщики корпоративных хранилищ предлагают интегрированные системы NAS, помогающие организациям собирать большие объемы данных и управлять ими. Аппаратное обеспечение включает в себя массивы хранения или серверы хранения, оснащенные жесткими дисками, флэш-накопителями или их гибридной комбинацией. Система NAS также поставляется с программным обеспечением ОС для хранения данных для предоставления услуг данных на основе массива.

Схема массива хранения

Многие корпоративные массивы хранения поставляются с программным обеспечением для управления хранением данных, которое предоставляет средства защиты данных для архивирования, клонирования или управления резервным копированием, репликацией или моментальными снимками. Программное обеспечение также может обеспечивать управление на основе политик для управления размещением данных для их распределения по уровням во вторичном хранилище данных или для поддержки плана аварийного восстановления или долгосрочного хранения. Кроме того, многие системы хранения теперь включают функции сокращения объемов данных, такие как сжатие, дедупликация данных и тонкое выделение ресурсов.

Общие конфигурации хранения

Во многих современных бизнес-системах хранения используются три основных варианта: хранилище с прямым подключением (DAS), NAS и сеть хранения данных (SAN).

Корпоративный массив хранения FlashBlade компании Pure Storage

Простейшей конфигурацией является DAS, которая может быть внутренним жестким диском на отдельном компьютере, несколькими дисками на сервере или группой внешних дисков, которые подключаются непосредственно к серверу через такой интерфейс, как интерфейс малых компьютеров (SCSI). Serial Attached SCSI (SAS), Fibre Channel (FC) или Internet SCSI (iSCSI).

NAS — это файловая архитектура, в которой несколько файловых узлов совместно используются пользователями, как правило, в локальной сети на основе Ethernet (LAN). Система NAS имеет несколько преимуществ. Для этого не требуется полнофункциональная операционная система корпоративного хранилища, устройствами NAS можно управлять с помощью утилиты на основе браузера, а каждому сетевому узлу назначается уникальный IP-адрес, что упрощает управление.

С масштабируемым NAS тесно связано хранилище объектов, которое устраняет необходимость в файловой системе. Каждый объект представлен уникальным идентификатором, и все объекты представлены в одном плоском пространстве имен. Хранилище объектов также поддерживает широкое использование метаданных.

Сеть SAN может охватывать несколько центров обработки данных, которым требуется высокопроизводительное блочное хранилище. В среде SAN блочные устройства отображаются для хоста как локально подключенное хранилище. Каждый сервер в сети может получить доступ к общему хранилищу, как если бы это был диск с прямым подключением.

Современные технологии хранения

Достижения в области флэш-памяти NAND в сочетании с падением цен в последние годы проложили путь к программно-определяемым системам хранения. Используя эту конфигурацию, предприятие устанавливает недорогие твердотельные накопители на серверы на базе x86, а затем использует стороннее программное обеспечение для хранения данных или пользовательский код с открытым исходным кодом для применения управления хранением.

Express с энергонезависимой памятью (NVMe) — это стандартный отраслевой протокол, разработанный специально для твердотельных накопителей на основе флэш-памяти. NVMe быстро становится протоколом де-факто для флеш-накопителей. Флэш-память NVMe позволяет приложениям напрямую взаимодействовать с центральным процессором (ЦП) через каналы PCIe Interconnect Peripheral Component Interconnect Express (PCIe), минуя необходимость передачи наборов команд SCSI через адаптер сетевой хост-шины.

NVMe может использовать преимущества технологии SSD так, как это невозможно с интерфейсами SATA и SAS, которые были разработаны для более медленных жестких дисков. По этой причине NVMe over Fabrics (NVMe-oF) был разработан для оптимизации связи между твердотельными накопителями и другими системами через сетевую структуру, такую ​​как Ethernet, FC и InfiniBand.