【网络工程师软考版】计算机组成原理
将此博客当作学习笔记,持续更新,欢迎指正。参考书目《网络工程师教程(第五版)》
所涉及内容包括:
1、硬件组成 | 2、存储器与芯片计算 |
3、指令集CISC和RISC | 4、输入输出系统I/O |
5、RAID技术 | 6、存储系统 |
3、指令集CISC和RISC
RISC(Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机)
基本思想:通过减少指令总数和简化指令功能,降低硬件设计的复杂度,使指令能单周期执行,并通过优化编译提高指令的执行速度,采用硬布线控制逻辑优化编译程序。
由于指令格式整齐划一 —> 控制器可以设计得比较简单,芯片设计复杂度会更低。
CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)
基本思想:进一步增强原有指令的功能,用更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能,实现软件功能的硬件化,导致机器的指令系统越来越庞大而复杂。
CPI(Clock cycle Per Instruction):表示每条计算机指令执行所需的时钟周期。->用于衡量计算机性能。
PCI:本地总线标准。
MIPS(Million Instructions Per Second):每秒能处理的百万级指令数。->用于衡量计算机性能。
MFLOPS(Million Floating-point Operations per Second,每秒百万个浮点操作):衡量计算机系统的技术指标,不能反映整体情况,只能反映浮点运算情况。
5、RAID技术
独立磁盘冗余阵列/磁盘阵列(Redundant Arrays of Independent Disks,RAID)
将多块独立的磁盘(按不同的方式)组合成一个磁盘组(逻辑硬盘)。
用户可以对其进行分区、格式化等,多个磁盘驱动器可以同时传输数据,可以增加存储的I/O性能,磁盘上存储的数据一旦发生损坏后,利用备份信息可以使损坏的数据得以恢复,从而保障了数据的安全性。
功能
1、通过对磁盘上的数据进行条带化(Stripe),实现对数据成块存取,减少磁盘的机械寻道时间,提高了数据存取速度。
2、通过对一个阵列中的几块磁盘同时读取,减少了磁盘的机械寻道时间,提高数据存取速度。
3、通过镜像或者存储奇偶校验信息的方式,实现了对数据的冗余保护。
分类
RAID 0(Stripe或Striping-条带化)
把连续的数据分散到多个磁盘上存储。系统有数据请求就可以被多个磁盘并行地处理,每个磁盘执行属于它自己的那部分数据请求。—> 并行操作可以充分利用总线的带宽
优点—> 磁盘利用率100%,存取性能最高
缺点—> 没有冗余,可靠性最差
适用于:无故障的迅速读写,要求安全性不高,如图形工作站等
RAID 1(Mirror或Mirroring-镜像)
宗旨—>最大限度地保证用户数据的可用性和可修复性
将用户写入硬盘的数据百分比地自动复制(使用Disk Mirror(硬盘镜像)技术)到另外一个硬盘上
—> 磁盘利用率50%
例如,读取数据时,系统先从RAID 1的源盘读取数据,如果读取数据成功,则系统不去管备份盘上的数据;如果读取数据失败,则系统自动转而读取备份盘上的数据,不会造成用户工作任务的中断。
注意:应当及时地更换损坏的磁盘并利用备份数据重新建立Mirror。
优点 —> 靠性高
缺点 —> 磁盘空间利用率低(50%),存储成本高。
只需2个或2N个磁盘数
适用于:随机数据写入,要求安全性高,如服务器、数据库存储领域
RAID 5(一块打散的验证盘+多块数据盘)
采用分布式校验盘的做法,将校验盘打散在RAID组的每块磁盘上 —> 仍然是一块校验盘
每个Stripe都有一个校验segment,但是不同Stripe的校验segment分布在不同的磁盘上,在相邻Stripe之间循环分布。
磁盘利用率(n-1)/n,没有特定的校验盘,校验数据分散存放在各个盘上。
*而RAID 3是有特定的校验盘。
需要3个或更多磁盘
适用于:随机数据传输,要求安全性高,如金融、数据库、存储等
存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案
不对存储数据进行备份,而是把数据和相对应的奇偶校验信息存储到组成RAID 5的各个磁盘上,并且奇偶校验信息和相对应的数据分别存储于不同的磁盘上。
当RAID 5的一个磁盘数据发生损坏后,可以利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息去恢复被损坏的数据。
但,磁盘组中最多允许坏一块硬盘,否则数据无法恢复。
*能够为数据提供安全保障,但保障程度比Mirror低,而磁盘空间利用率比Mirror(RAID 1),存储成本相对较低。
eg1. 某单位计划购置容量需求为60T的存储设备,配置一个RAID组,采用RAID 5冗余,并配置一块全局热备盘,至少需要几块单块容量为4T的磁盘?
已知RAID 5的磁盘利用率为(n-1)/n
可列公式——> (n-1)*4T = 60T ——> n=16块
依题另需一块热备盘,16+1=17块
当磁盘容量不一致的几块磁盘组成RAID组时,会以最小的磁盘为基准。
eg2.同一RAID组内有四块磁盘,磁盘大小分别为40G、60G、80G、80G,以RAID 5方式构成RAID组时,实际可用磁盘空间为?
40G*3 = 120G
RAID 6(二块打散的验证盘+多块数据盘)
RAID 5以及之前的RAID级别,最多有一块校验盘 —> 最多允许坏掉一块磁盘
为了提高冗余度 ——> 在RAID 5的基础上增加一块校验盘
RAID 6 —> 两块校验盘和多块数据盘,两块校验盘打散分布式存储在每一块磁盘上。
磁盘利用率 (n-2)/n
需要4个或更多磁盘
*通过不同数学算法,计算出两种不同的校验数据,分别存入两个校验Segment,保证在同时坏掉两块盘的情况下,通过联立这两个数学关系等式来求出丢失的数据,进行数据恢复。
RAID 10(RAID 0 + RAID 1)- 先镜像再条带化
与RAID 1一样,通过数据的100%备份功能提供数据安全保障 —> 磁盘利用率50%,存储成本高
适用于:银行、金融、商业超市、仓储库房、各种档案管理。
只需4个或2N个磁盘
*RAID 01(RAID 1 + RAID 0)- 先条带化再镜像 ——> 磁盘利用率50%
RAID总结
RAID级别 | RAID 0 | RAID 1 | RAID 5 | RAID 10 |
别名 | 条带 | 镜像 | 分布奇偶位条带 | 镜像阵列条带 |
容错性 | 无 | 有 | 有 | 有 |
冗余类型 | 无 | 复制 | 奇偶校验 | 复制 |
热备盘选项 | 无 | 有 | 有 | 有 |
读性能 | 高 | 低 | 高 | 中间 |
随机写性能 | 高 | 低 | 低 | 中间 |
连续写性能 | 高 | 低 | 低 | 中间 |
需要的磁盘 | 一个或多个 | 只需2个或2N个 | 3个或更多 | 只需4个或2N个 |
可用容量 | 总的磁盘的容量 | 只能用磁盘容量的50% | (n-1)/n的磁盘容量, n为磁盘数 | 只能用磁盘容量的50% |
典型应用 | 无故障的迅速读写,要求安全性不高,如图形工作站 | 随机数据写入,要求安全性高,如服务器、数据库存储领域 | 随机数据传输,要求安全性高,如金融、数据库、存储等 | 要求数据量大,安全性高,如银行、金融等领域 |
6、存储系统
DAS(Direct Attached Storage - 直连方式存储)
*也称为SAS(Server Attached Storage,服务器附加存储)
直连方式存储 —> 存储设备是通过电缆(通常是SCSI接口电缆)直接连接服务器
DAS依赖于服务器,其本身是硬件的堆叠,不带有任何存储操作系统。
不能提供跨平台文件共享功能,各系统平台下文件需分别存储。
NAS(Network Attached Storage - 网络附加存储)
存储系统不再通过I/O总线附属于某个特定的服务器或客户机,而是直接通过网络接口与网络直接相连,用户通过网络来访问。
NAS中的存储信息都是采用RAID方式进行管理的。
常见方式
1、NAS软件+磁盘阵列(或分布式存储)
NAS软件安装在服务器上,服务器连接磁盘阵列,直接管理磁盘阵列的LUN,根据业务需求创建多个专属文件系统,通过NFS或CIFS协议对用户提供共享服务,用户通过网络驱动器映射或Mount方式添加NAS的文件系统。
2、NAS一体机,磁盘阵列机头包含NAS功能
带有瘦服务的存储设备,其作用类似于一个专用的文件服务器。
SAN(Storage Area Network - 存储局域网)
是一种高速的、专门用于存储操作的网络。(独立于计算机局域网LAN)
SAN将主机和存储设备连接在一起,能够为其上的任意一台主机和任意一台存储设备提供专用的通信通道
主要采用数据块的方式进行数据和信息的存储,目前主要使用于以太网(IP SAN)和光纤通道(FC SAN)两类环境中。
光纤通道(FC SAN)
可以为存储网络用户提供高速、高可靠性以及稳定安全性的传输。
若拓扑图中有光纤交换机 —> 可考虑FC SAN
以太网(IP SAN)
成本低于FC SAN
优势 ——> 成本低廉,可以实现远程存储,性价比高
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完全备份
差异备份
增量备份