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网站开发工资一般多少,百度网盘搜索入口,室内设计品牌,广州seo建站目录 第1章 混沌初开——存储系统的前世今生 开篇#xff1a;记忆的执念 1.1 存储历史#xff1a;为记忆筑巢的五万年长征 1.1.1 史前纪元#xff1a;身体与自然的记忆库 1.1.2 第一代外存#xff1a;把记忆刻进世界 1.1.3 文字纪元#xff1a;标准化编码的革命 1.1…目录第1章 混沌初开——存储系统的前世今生开篇记忆的执念1.1 存储历史为记忆筑巢的五万年长征1.1.1 史前纪元身体与自然的记忆库1.1.2 第一代外存把记忆刻进世界1.1.3 文字纪元标准化编码的革命1.1.4 机械化前夜为机器准备数据1.1.5 电子计算机时代数字存储的奠基1.1.6 个人计算机革命存储民主化1.1.7 固态革命闪存改变一切1.1.8 云时代存储即服务1.1.9 存储进化的五大永恒驱动力1.2 信息、数据和数据存储灵魂、肉体与居所1.2.1 信息难以捉摸的灵魂1.2.2 数据为灵魂打造的精密躯壳编码从信息到数据的“翻译规则”计算机的终极编码二进制1.2.3 数据存储为躯壳建造永恒居所存储的三要素一个完整的存储旅程你发送一条微信1.2.4 三位一体的精妙比喻1.3 用计算机来处理信息、保存数据构建记忆宫殿1.3.1 计算机一座三层记忆宫殿1.3.2 一场完整的借阅之旅你打开一张照片1.3.3 速度鸿沟计算机世界的根本矛盾1.3.4 存储系统的终极使命弥合速度鸿沟1.3.5 从单机到网络存储的维度扩展1.3.6 存储金字塔现代计算的基础架构本章结语我们是记忆的建筑师第1章 混沌初开——存储系统的前世今生开篇记忆的执念想象你正站在一片无际的荒原上手中握着一捧细沙。风起时沙粒从指缝间溜走——这就是最原始的恐惧遗忘。我们人类从诞生之日起就与遗忘进行着一场永恒的战争。存储从来不是冰冷的科技而是温暖的人性。我们渴望记住记住爱人的脸庞记住丰收的喜悦记住祖先的智慧记住“我们是谁”。这本书要讲的就是这场战争中最辉煌的篇章我们如何为记忆打造家园从在岩壁上刻下第一道痕迹到在硅晶片上雕刻亿万星辰。让我们开始这趟穿越万年的旅程。1.1 存储历史为记忆筑巢的五万年长征1.1.1 史前纪元身体与自然的记忆库故事时间三万年前的篝火边夜幕降临部落长老指着星空讲述猎杀猛犸象的故事。孩子们瞪大眼睛听着——记忆存储在人类的语言和大脑中。记忆载体人脑与口述传统存储介质神经元与声波优点高度灵活充满情感致命缺陷极易失真随死亡而消亡那时的人类已经意识到问题老族长去世后哪些植物有毒、何处有水源的秘密也随之消失。于是他们开始寻找“外置硬盘”。1.1.2 第一代外存把记忆刻进世界突破性发明岩画与结绳记事岩画约4万年前在法国肖维岩洞原始人用赭石画下野牛这是人类第一次将记忆从大脑迁移到外部介质但问题来了岩洞不能随身携带且“写入速度”极慢雕刻一幅画需数天结绳记事约1万年前古印加人用不同颜色、不同打结方式的绳子记录税收、法律和历史这引入了几个关键概念编码不同绳结代表不同含义数据结构主绳与分支绳形成层次然而如果没有编织者的口述解释“元数据”后人根本无法读懂此时存储的核心矛盾已经显现如何让存储更便携、更易读、容量更大1.1.3 文字纪元标准化编码的革命革命时刻从象形文字到字母表当苏美尔人在泥板上刻下楔形文字记录谷物收成时一场革命悄然发生标准化编码的威力象形文字一个符号代表一个概念如“太阳”楔形文字/甲骨文符号开始抽象化腓尼基字母表终极突破——用少量符号字母的组合表示无限概念这正对应计算机的二进制0/1思想介质进化竞赛泥板耐用但笨重莎草纸轻便但易碎竹简/木牍折中方案中国使用了近千年羊皮纸昂贵但优质一本《圣经》需要300只羊的皮容量爆炸造纸术与印刷术公元2世纪与11世纪蔡伦改进造纸术介质成本下降百倍毕昇发明活字印刷“数据”与“介质”首次分离想象一下以前每本书都是“手写硬盘”现在有了“可重复使用的模板”知识存储的成本骤降容量骤增欧洲图书馆藏书量百年内增长千倍1.1.4 机械化前夜为机器准备数据19世纪的奇思妙想工业革命需要机器自动化但机器需要“指令”和“数据”。雅卡尔提花机1804年用穿孔卡片控制织布图案卡片上的孔洞 二进制数据有孔1无孔0这是人类首次创造“纯机器可读”的存储介质穿孔卡片系统的巅峰1890年美国人口普查赫尔曼·何乐礼用穿孔卡片机将处理时间从8年缩短到1年IBM后来垄断了这项技术其80列穿孔卡成为计算机数据存储的标准一直用到1970年代有趣的事实早期计算机程序员真的需要“补洞”来修正数据错误磁带的诞生1928年德国工程师弗莱默发明录音磁带原理塑料带基上的磁性颗粒在磁场作用下排列记录声音波形这是磁存储的黎明虽然记录的是模拟信号但理念用磁状态记录信息将直接催生硬盘1.1.5 电子计算机时代数字存储的奠基从房间大小到掌心之间的惊人演化延迟线存储器1940年代ENIAC计算机使用水银管让声波在其中来回反射来暂存数据就像对着峡谷大喊依靠回声记住喊话内容速度慢不可靠但这是第一步磁芯存储器1950-1970年代一个个微小的磁环直径约1毫米穿在网格状导线上磁化方向代表0或1这是第一种真正实用、随机存取的计算机内存女工们在显微镜下穿磁芯的场景成为计算机史经典画面问题制造困难容量有限1MB需要800万个磁芯硬盘的诞生IBM 350 RAMAC1956年划时代的发明数据5MB相当于一首MP3歌曲体积两个冰箱大小重达1吨结构50张24英寸约61厘米磁碟转速1200转/分成本每月租金3500美元相当于今天3.5万美元关键创新磁头悬浮在高速旋转的盘片上实现随机存取以前的数据如磁带像录音带必须顺序快进现在像黑胶唱片唱针可以直接跳到任何一首歌1.1.6 个人计算机革命存储民主化从企业殿堂走入家庭书房软盘的兴衰1971-1990年代8英寸 - 5.25英寸 - 3.5英寸容量80KB - 1.2MB - 1.44MB每个人都经历过“请插入B盘继续安装”的折磨软盘的那声“咔哒”和读写时的“嘎吱”声是一代人的记忆硬盘的微型化奇迹1980年第一台5.25英寸硬盘5MB售价1500美元1990年代3.5英寸成为主流容量进入GB时代关键进步温彻斯特技术密封防尘MR/GMR磁头读取灵敏度提升PRML信号处理在噪声中更准确读取数据价格曲线每MB成本从1980年的数百美元降至2000年的不足1美分光盘的插曲1980-2000年代CD700MB- DVD4.7GB- Blu-ray25GB原理用激光读取凹坑pit和平地land这是只读存储和离线分发的黄金时代谁没有过用马克笔涂CD划痕试图修复的经历1.1.7 固态革命闪存改变一切当存储摆脱了机械的枷锁闪存的发明1980年代东芝工程师舛冈富士雄发明NOR Flash1984年随后NAND Flash1987年原理浮栅晶体管——栅极被绝缘层包围电子一旦注入就能保留数年这是革命性的没有活动部件安静、省电、抗冲击U盘口袋里的仓库1998年以色列公司M-Systems发明DiskOnKey8MB售价50美元彻底取代了软盘成为数据交换的标准载体SSD的崛起2000年代末至今早期SSD昂贵、容量小、寿命短突破点3D NAND技术2013年从平房2D到摩天大楼3D层数从24层发展到今天的200层性能对比机械硬盘寻道时间约10毫秒相当于眨眼的1/30SSD访问时间约0.1毫秒比眨眼快300倍用户体验的革命电脑从“按开机键→去倒杯咖啡→回来还在启动”变成“瞬间唤醒”1.1.8 云时代存储即服务从拥有介质到订阅服务理念转变以前我有一块硬盘数据在上面现在我有一个账户数据在“某处”存储与物理位置的解耦技术基础宽带普及上传下载不再痛苦虚拟化技术一个物理硬盘服务数百用户分布式系统数据被复制到多个地理位置的多个硬盘生活化的例子2006年你担心数码照片太多买了500GB移动硬盘备份2016年你的2TB百度网盘自动同步手机照片你甚至不知道数据存在哪个城市的数据中心存储变成了像水电煤一样的基础设施1.1.9 存储进化的五大永恒驱动力纵观这部五万年历史所有技术进步都围绕五个核心目标展开容量更大从一块泥板记录一次交易到一块硬盘装下整个图书馆速度更快从数天刻一幅岩画到每秒传输数GB数据成本更低从用300只羊皮做一本《圣经》到1TB存储不到200元持久性更强从莎草纸几年朽坏到预计可保存数据千年的石英玻璃存储实验便利性更高从必须去特定岩洞查看到全球任何角落随时访问有趣的思想实验如果将所有人类历史数据存储起来需要多少空间截至2020年约64 ZB1 ZB 1万亿GB如果全部用90年代常见的4GB硬盘存储需要160亿块堆起来的高度是珠穆朗玛峰的4000倍如果全部用今天的18TB硬盘只需要3500万块堆起来约7个埃菲尔铁塔高这就是技术进步的意义。1.2 信息、数据和数据存储灵魂、肉体与居所1.2.1 信息难以捉摸的灵魂让我们玩一个游戏。游戏一传话游戏我悄悄对第一个人说“今晚月色真美适合在湖边散步。”经过十个人传话后最后一人听到的可能是“今晚有个光头在湖边鬼鬼祟祟。”发生了什么信息——那个原本的“意思”和“意境”——在传递中扭曲了。信息的本质特征非物质性信息本身没有物理形态夏目漱石让学生翻译“I love you”为“今晚月色真美”这是信息的文化转换同一个信息“危险”可以用文字、图画、尖叫、红灯等多种方式表达依赖语境“苹果”这个信息在水果店和科技公司代表完全不同的事物数据“01100001”在没有编码规则时只是一串无意义的0和1可压缩性“我连续一百天每天早上七点起床”这个信息可以被压缩为“我坚持100天7点早起”信息量不变但表达数据的长度变了价值主观性一张老照片对你来说是珍贵记忆对别人只是普通纸片信息的意义存在于观察者的理解中信息的困境它像一阵风、一个念头、一种感觉无法直接捕捉和保存。我们必须为它制作一副“躯壳”。1.2.2 数据为灵魂打造的精密躯壳现在我要把这个信息固定下来。我写下“今晚月色真美适合在湖边散步。”——这串文字就是数据。数据是信息的物理化、符号化表现。编码从信息到数据的“翻译规则”想象你要给国外的朋友发送“你好”这个信息。你有多种编码方案中文编码直接写汉字“你好”拼音编码写“nǐ hǎo”英文编码翻译成“Hello”莫尔斯电码···· · ·–·· ·–·· –––ASCII编码计算机用01101110 01101001 00100000 01101000 01100001 01101111关键洞察没有编码信息无法成为数据没有解码理解编码规则数据无法还原为信息。计算机的终极编码二进制为什么计算机只用0和1可靠性电子世界最容易区分的两种状态高电压 vs 低电压磁化北极 vs 磁化南极有电子 vs 无电子就像开关只有“开”和“关”几乎不会误判自底向上的构建1位bit一个0或18位 1字节byte可以表示256种状态2⁸用这些字节组合制定编码规则ASCII1字节表示一个英文字符如A01000001Unicode2-4字节表示全球几乎所有字符如“你”11100110 10010000 10010101RGB颜色3字节表示一个像素颜色红绿蓝各1字节现实世界的映射游戏文字、图片、声音、视频...一切在计算机中都是0和1的序列你的自拍照 数百万个像素的RGB值 数千万个0和1你听的歌曲 每秒数万次的声波采样值 长长的0和1序列数据的核心特征客观存在数据是物理的、可测量的存储在硬盘上的数据有重量吗有的1TB数据存储在NAND闪存中重量约增加0.0000001克电子注入浮栅导致的质能变化可复制性数据可以被无损复制信息在传递中会扭曲传话游戏数据在复制时可以完全一致CtrlC, CtrlV这是数字存储相比人脑记忆的巨大优势可运算性数据可以被计算机处理计算机不能理解“月色很美”的意境但可以精确统计这句话有多少字符、在文件中出现多少次、压缩后占多少空间1.2.3 数据存储为躯壳建造永恒居所现在我们有了数据那串代表“今晚月色真美”的二进制代码。但它还在内存里一断电就会消失。我们需要一个“家”让它长久安住。存储的本质在物理介质上创建持久的状态来代表数据存储的三要素介质居所的材料磁介质硬盘中的磁粉颗粒磁化方向代表0/1电介质闪存中的浮栅晶体管有/无电子代表0/1光介质光盘中的凹坑与平地反射率不同代表0/1未来可能DNA存储用碱基序列ATCG编码数据写入建造居所硬盘磁头产生磁场改变磁粉方向闪存施加高电压迫使电子穿过绝缘层进入浮栅光盘激光在染料层烧出凹坑读取参观居所硬盘磁头感应磁场变化产生电信号闪存检测浮栅是否有电子影响晶体管导通光盘激光照射检测反射光强度一个完整的存储旅程你发送一条微信让我们跟踪“我想你了”这条信息的全过程阶段一从信息到数据你脑海浮现“我想你了”这个信息神经电信号大脑控制手指在手机上输入这四个汉字手机输入法将其转换为Unicode编码“我”11100110 10001000 10010001“想”11100111 10010111 10010011“你”11100110 10010000 10010101“了”11100110 10001011 10100111加上时间戳、发送者ID等元数据组成一个数据包阶段二数据暂存内存数据包暂存在手机内存RAM中等待网络发送此时如果手机突然断电数据消失信息未送达阶段三数据存储闪存作为“草稿”或“已发送消息”保存到手机闪存SSD的一部分手机存储控制器将二进制数据转换为电压序列对闪存芯片中特定位置的浮栅晶体管注入或清除电子此时即使关机电子也会在浮栅中保留数年阶段四数据网络传输数据通过Wi-Fi/5G发送到腾讯服务器服务器将其写入数据中心的海量硬盘阵列可能同时写入三个不同地理位置的硬盘三重备份可能先写入高速SSD缓存再异步写入大容量HDD阶段五对方接收对方手机从服务器下载数据包解码Unicode还原为汉字“我想你了”显示在屏幕上信息成功传递这个过程中信息经历了编码汉字→Unicode→二进制存储内存暂存→手机闪存→服务器硬盘传输手机→基站→互联网→服务器解码二进制→Unicode→汉字而数据始终保持不变如果传输/存储中任何一位0/1出错就会通过校验码发现并纠错。1.2.4 三位一体的精妙比喻让我们用一个更生动的比喻来总结信息、数据、存储就像一首歌的诞生与流传信息 作曲家心中的旋律和情感存在于贝多芬的脑海中抽象、充满情感、难以直接传递数据 乐谱上的音符和标记贝多芬将脑海旋律编码为五线谱符号精确、客观、可复制但如果你不识谱它只是一堆无意义的点点圈圈存储 承载乐谱的介质手稿纸张易损坏印刷成册可大量分发数字扫描成PDF易于传播和长期保存录入数据库可快速检索完整流程贝多芬创作《命运交响曲》信息产生他写下乐谱信息编码为数据乐谱被印刷出版数据被存储/复制乐团指挥阅读乐谱数据被解码乐团演奏信息被还原和表达听众听到音乐感受到“命运叩门”的震撼信息被接收和理解计算机存储系统的工作就是为全世界的“数字乐谱”建造最安全、最快捷、最经济的“图书馆”。1.3 用计算机来处理信息、保存数据构建记忆宫殿1.3.1 计算机一座三层记忆宫殿想象一座宏伟的图书馆但它不是静态的而是一个永不停歇的生命体。这就是你的计算机或手机。第一层冥想室CPU角色图书馆的“首席学者”特点思维极快每秒可思考数十亿次但记忆力极差只能记住正在思考的那一丁点内容他不能直接阅读书库存储里的书必须让助手内存把书搬过来工作方式从“今日待办清单”程序指令读取一条任务如果需要数据就大喊“我需要《用户数据库》第305页”然后等待助手把书页送来第二层阅览室内存/RAM角色学者的“个人工作台”特点明亮宽敞学者可以同时摊开很多书页存取速度快学者一伸手就能拿到但空间有限只能放当前正在用的书晚上闭馆断电时工作台会被彻底清空容量比喻1980年代一张小茶几64KB放不下一本小说今天一个篮球场16GB可同时摊开8000本小说第三层主书库存储系统角色图书馆的“永恒档案馆”特点浩瀚如海收藏所有书籍但位置偏远取书需要时间闭馆时书籍安然无恙这就是本书的主角从单个硬盘到分布式云存储的整个体系1.3.2 一场完整的借阅之旅你打开一张照片让我们跟随学者CPU完成一次完整的数据处理流程场景你双击“毕业合影.jpg”第一步申请借阅用户请求鼠标点击被操作系统捕获操作系统检查这个文件在哪里在“图书馆目录”文件分配表中查到文件名毕业合影.jpg位置D盘从第80547扇区开始连续2048个扇区大小8MB第二步书库取书存储系统→内存操作系统向硬盘控制器发出指令“请从80547扇区开始读取2048个扇区”硬盘磁头开始行动机械硬盘为例寻道磁臂移动到对应磁道约3-15毫秒相当于学者等待图书管理员爬梯子找书旋转等待盘片旋转目标扇区转到磁头下约2-8毫秒相当于等转盘转到正确位置数据传输磁头读取磁性变化转换为电信号约0.1毫秒相当于快速扫描书页数据通过SATA/USB接口传输到内存的某个空闲区域注意这是复制不是移动。书库里的书还在原处第三步学者研读CPU处理图像查看软件的程序代码已经在内存中CPU开始工作解码JPEG压缩格式将压缩的数据还原将颜色值转换为屏幕能显示的RGB格式应用颜色校正、缩放等处理所有处理都在内存中进行CPU频繁从内存读取数据、处理、写回内存第四步展示成果输出处理完成的图像数据被发送到显卡显卡进一步处理最终输出到屏幕你看到了照片第五步保存修改写回存储如果你用美图软件给照片加了滤镜CPU在内存中生成新的图像数据点击“保存”时操作系统请求将内存中新数据写回硬盘硬盘控制器找到空闲扇区或覆盖原扇区磁头改变磁粉方向将新数据“刻录”上去关键点这个写入比读取更慢因为磁化需要更精确的控制1.3.3 速度鸿沟计算机世界的根本矛盾现在你看到了问题所在各层速度对比近似值让你感受差距CPU处理一个指令0.3纳秒1纳秒十亿分之一秒比喻眨一次眼的时间CPU可执行约10亿次操作从内存读取数据100纳秒比CPU慢300倍但还在可接受范围从SSD读取数据100微秒1微秒百万分之一秒比内存慢1000倍从机械硬盘读取数据10毫秒1毫秒千分之一秒比SSD慢100倍比CPU慢3000万倍这就是著名的“存储墙”问题学者的思维如闪电但每次思考都需要等图书管理员从遥远的书库取书而管理员骑着自行车往返。更糟的是“距离惩罚”访问延迟随距离增加L1缓存在CPU内部0.5纳秒L2缓存CPU芯片上7纳秒内存主板插槽上100纳秒SSD通过SATA接口100微秒10万纳秒机械硬盘10毫秒1000万纳秒网络存储千兆局域网1毫秒起云存储跨城市50毫秒以上数据访问时间与人类感知的对照CPU访问寄存器1秒想象中访问内存1分钟访问SSD2.7小时访问机械硬盘11.5天访问互联网另一端的数据超过1年现在你理解了为什么计算机会“卡顿”当需要的数据不在内存中CPU这个“闪电学者”就不得不陷入漫长的等待。1.3.4 存储系统的终极使命弥合速度鸿沟因此整个存储技术发展的历史就是一部如何让“书库”尽可能靠近“学者”的奋斗史。已经发明的聪明策略缓存Cache——在学者手边放个书架原理预测学者接下来需要什么书提前从书库取出放在身边小书架现实CPU缓存L1/L2/L3、硬盘缓存、数据库缓存、网页缓存效果如果预测准确速度提升百倍预取Prefetching——提前猜测并准备硬盘不是一次只读你需要的那一页而是把后续几十页都读出来因为数据通常连续存储程序文件、视频文件就像图书管理员看到你借了《三国演义》第一册主动把第二册也拿来分层存储——不同距离的书架高频使用的书放阅览室内存较少用的放就近书库SSD几乎不用的放远藏书库机械硬盘历史档案放异地仓库磁带/冷存储自动搬运工存储管理软件根据使用频率移动书籍并行存取——多个管理员同时工作RAID技术把一本书拆成几部分同时从多个硬盘读取多通道内存同时读写多根内存条多核CPU多个学者同时工作改变存储介质——让书库本身更快从机械硬盘管理员骑车到SSD管理员用传送门从SATA接口单车道到NVMe接口八车道高速公路这就是为什么换SSD能让旧电脑“焕发青春”1.3.5 从单机到网络存储的维度扩展早期的计算机存储、计算、内存都在一个机箱里。但需求推动进化进化阶段一外置存储问题服务器机箱塞不下更多硬盘方案用线缆连接外部硬盘柜就像图书馆主楼放不下在隔壁建了附属书库进化阶段二网络存储问题多台服务器需要共享数据方案SAN存储区域网络——专门为存储数据建设的高速公路NAS网络附加存储——提供文件级访问的“共享文件夹服务器”就像多家图书馆共建一个中心书库通过专用通道借阅进化阶段三云存储理念存储即服务你不再关心书库在哪里、如何建造你只关心我需要存书时就有空间取书时快速拿到像使用电力一样使用存储能力按需付费1.3.6 存储金字塔现代计算的基础架构今天的数据中心存储被组织成一个精妙的多层金字塔[ CPU ]| -- 纳秒级访问[ 内存 ] (DRAM16-1024GB易失性)| -- 微秒级访问[ 闪存层 ]├── NVMe SSD (高性能1-10TB)├── SATA SSD (容量型1-100TB)| -- 毫秒级访问[ 磁盘层 ]├── SAS HDD (企业级1-20TB)├── SATA HDD (近线10-20TB)| -- 秒级访问[ 磁带/光盘层 ] (归档PB级离线)| -- 分钟级访问[ 云存储层 ] (异地几乎无限按需)每一层都有不同的成本每GB价格从内存的$5到磁带的$0.01速度访问延迟从纳秒到分钟用途从CPU缓存到百年归档智能存储系统的任务自动将数据放在合适的层级让1%最热的数据享受80%的资源达到性能与成本的最佳平衡。本章结语我们是记忆的建筑师从在洞穴壁上刻下第一头野牛到在云中存储整个文明的知识人类的存储史就是一部对抗遗忘、延续存在的史诗。当你下一次保存文件时不妨想一想你正在将脑海中的信息一个想法、一份情感通过操作系统和软件的编码转换为数据0和1的序列这些数据正通过复杂的存储栈最终在某个物理介质上留下物理痕迹可能是磁粉方向的改变可能是浮栅中电子的注入这个痕迹可以留存数年、数十年甚至更久存储系统就是我们为数字时代的记忆建造的宫殿。它必须坚固数据不丢失宽敞容量足够大快捷存取速度快智慧知道什么放哪里经济成本可承受在接下来的章节中我们将深入这座宫殿的每一个角落看看“砖瓦”如何制造硬盘、SSD原理学习“建筑结构”如何设计RAID、文件系统探索“宫殿群”如何互联SAN、NAS、云了解如何保护宫殿免受灾害备份、容灾最终理解如何建造面向未来的“智能记忆城市”从下一章开始我们将走进IO输入/输出的世界看看数据如何在计算机的内部高速公路上飞驰。准备好我们要从哲学思考进入工程实践了。思考题供读者反思你最重要的数字记忆是什么它现在存储在哪里在手机里电脑里网盘里还是多个地方都有如果这些存储介质突然全部失效你会失去什么这种可能性让你感到不安吗想象一下50年后的存储技术我们可能用什么方式保存记忆DNA量子还是某种尚未想象到的方式存储不只是技术它是我们数字生命的延续。而理解存储就是理解我们如何在数字时代确证自己的存在。