存储技术入门，这些硬件应该首先有所了解

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发布于: 2021 年 05 月 24 日

作为软件工程师是否有必要了解一下硬件，存在很大的争议，有些认为有必要，有些人认为没有必要。本号以为作为后端工程师，不至于面面俱到，但我们最起码应该懂一些硬件基本内容。这样在软件开发过程中视野会更宽阔一些。

存储开发工程师更是如此了，因此我们开篇先介绍一下存储技术相关的硬件，毕竟人类认识事物的规律是从具体到抽象嘛。理解了硬件及常见的拓扑连接，这样在软件开发的时候才能更有感觉。

对于传统数据中心的硬件架构，简化后的架构由服务器、交换机和存储设备构成。这三部分称为计算节点、交换节点和存储节点。对于云环境来说，其实也是包括这三部分，只不过计算节点通常是虚拟机或者容器集群，交换节点则是虚拟交换机，存储节点则是分布式的存储集群。下面我们按照上述三者的顺序介绍一下具体的硬件。

服务端硬件总览

我们所说的后端开发其实就是服务端，以某宝为例可能就是其后台服务。这些后台服务通常运行在一个数据中心，有很多服务器构成。除了服务器之外还有很多配套的设备。等一下,什么是服务器？

好吧，让我们慢慢道来。如果我们去数据中心，一进去的感觉应该是这个样子的。

图 1 数据中心

这一排排的就是机柜，我们平时所谓的服务器、交换机和存储等设备都放在这里面。这张图并不能看到实际的设备。我们先给一张总图，具体如图 2 所示，这张图包含我们平时使用的最近的设备。如图所示包括服务器、光纤交换机、磁盘阵列和磁带库等。其中上层的设备是服务器，中层的设备是光纤交换机，下层的设备是存储设备，包含磁盘阵列和磁带库。

图 2 物理连接图

如果我们简化一下，做成逻辑图如图 3 所示。可以看到服务器通过 HBA 卡和光纤交换机相连，而存储设备也通过 HBA 卡和光纤交换机相连；服务器之间通过以太网交换机互联。

图 3 物理连接图

上述只是一个简单的拓扑结构，实际数据中心要复杂的多，除了包含上述设备外，还包括核心路由器、核心交换机、防火墙和负载均衡器等等设备。这还不包括上述机柜、无烟灭火器和 UPS 等辅助设备。本文先介绍主要内容，后续再介绍其它设备。

服务器

服务器是一种计算设备，其构成包括处理器、硬盘、内存、系统总线等，和通用的 PC 机其实没什么本质区别，但是由于需要提供高可靠的服务，因此在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面要求较高。

下面这个是塔式服务器，从起外观来看跟我们家里的台式机并没有太大的区别。

图 4 塔式服务器正面

我们在看一它的内部，可以看到里面有 CPU 和内存条等组件，只不过更复杂一些，本图中就包含 2 颗 CPU 和 22 条内存。由于塔式服务器占用空间较大，因此在数据中心用的比较少了。

图 5 塔式服务器内部

下图是机架服务器，它可以想抽屉一样插入机柜中，计算密度比塔式服务器高很多。这个是目前比较主流的服务器。

图 6 机架服务器内部

还有一种密度更高的服务器，成为刀片服务器。这种服务器组成一组，放在一个框里面，可以整框使用。如图所示为整框的刀片服务器，其中竖条是计算单元，可以单独拿出来。

图 7 刀片服务器正面

交换机

交换机分是一种连接设备，用于实现多个设备之间的互联互通。最为常见的是以太网交换机，另外还有专门用于存储领域的光纤交换机。当前现在也有基于光纤的以太网交换机（例如万兆交换机），但存储光纤交换机和万兆光纤交换机还是不同的，主要差异是通信协议。

如图 8 所示的是用于存储的光纤交换机。这个是 24 口的交换机，还有 48 口等其他规格的。

图 8 光纤交换机

下面这个是以太网交换机，就是我们平时所说的交换机。

图 9 以太网交换机

交换机介绍完了，那怎么连接起来呢？网线就不用介绍，下面我们看看光纤线。

图 10 光纤线

其实除了上面介绍的以太网交换机和光纤交换机外，还有其它类型的交换机，比如 PCI-e 交换机和 IB 交换机等，本文暂时不做介绍。

适配卡

进行设备之间连接，除了上述交换机和线之外，还需要另外一样设备，成为适配卡。网卡其实也可以理解为适配卡的一种，除此之外还有 FC-HBA 和 SAS-HBA，也就是光纤卡和 SAS 卡。

如图是光纤卡的实物图，这里是 4 口的光纤卡，也就是可以同时插 4 条线。最早的光纤卡只有一个接口，后来出现了 2 口和 4 口的光纤卡。

图 11 光纤卡

如图 12 是 SAS 卡的实物图，SAS 连接通常是磁盘阵列控制器与 JBOD 之间的连接方式。

图 12 SAS 卡

磁盘阵列存储

磁盘阵列是存储装置，目前常见的存储装置有 SAN、NAS 和统一存储，统一存储是在一个设备中同时具备 SAN 和 NAS 的功能。从外观上来看，三者并没有本质的区别，样子跟机架式服务器很像。如图 13 是一个磁盘阵列的正面图。NAS 是网络连接存储，它可以通过以太网接入用户的网络空间，因此这里不做过多介绍。

这里重点介绍一下 SAN，也就是存储区域网络。这种存储设备需要专门的存储网络，也就是上文介绍的光纤网络（当然目前有基于 iSCSI 的 SAN，也就是 IP-SAN，可以通过以太网接入）。SAN 设备通常除了存储功能外，还有很多附加功能，从而实现对数据的可靠保护。通过存储网络建立服务器与存储设备的连接之后，在服务器上就可以看到存储设备划分的空间，其形式就是一个磁盘，跟本地磁盘没有任何差异。

图 13 磁盘阵列 SAN 正面

如图 14 是磁盘阵列的后端，可以看出该设备包含的接口有 FC 接口、千兆口、万兆口和 SAS 口。其中前三者用于和服务器相连，也就是组成 FC-SAN 或者 IP-SAN，而后者则与 JBOD 相连。

图 14 磁盘阵列 SAN 背面

我们从图 13 可以看出该设备有一些磁盘，但数量并不多。因此可能存在扩展空间的情况，这个时候就用到了 JBOD。JBOD（Just a Bunch Of Disks，磁盘簇）是在一个底板上安装的带有多个磁盘驱动器的存储设备。通常又称为 Span。和 RAID 阵列不同，JBOD 没有前端逻辑来管理磁盘上的数据分布，相反，每个磁盘进行单独寻址，作为分开的存储资源。JBOD 的磁盘资源会映射给磁盘阵列的控制器，从而实现统一的管理。