в какой форме хранится информация в компьютере
Как хранится информация на компьютере
Понимание вопроса организации хранения информации в электронных устройствах является одним из важнейших моментов для тех, кто только начинает изучать компьютер. В этом материале вы узнаете, где и в каком виде хранятся личные данные пользователя, нужные программы и прочая необходимая информация.
Диски
Вся информация пользователя, включая операционную систему, программы, игры, документы и прочие данные, хранится на специальных носителях, называемых дисками. Внутри компьютера, как правило, размещается магнитный (в основном) или твердотельный накопитель, именуемый жестким диском (винчестер). Так же данные могут храниться на всевозможных внешних носителях, к которым относятся гибкие магнитные накопители (дискеты), оптические диски (CD, DVD, Blu-Ray), карты памяти (носители, используемые для хранения данных в цифровых устройствах, например фотоаппаратах, плеерах и т.д.), флэш-диски и прочие. При этом все они предназначены для долговременного хранения информации.
Работа со всеми перечисленными дисками практически однотипна. Каждому носителю или устройству хранения данных, операционной системой присваивается уникальное логическое имя в виде латинской буквы алфавита и двоеточия после нее. Устройствам для работы с дискетами дают имена «A:» и «B:». За ними, начиная с буквы «C», в алфавитном порядке следуют имена жестких дисков, которых может быть несколько. После жестких дисков, так же в алфавитном порядке начинают присваиваться имена для оптических приводов (устройств чтения/записи оптических дисков). Затем следуют названия сетевых дисков и устройств считывания данных с флэш-карт.
Информация, хранящаяся на компьютере, измеряется в байтах. При этом самая маленькая единица измерения данных называется битом. В одном байте содержится 8 бит.
Современные программы и данные пользователей имеют размеры в несколько десятков и сотен тысяч байт, так что в реальных условиях используются гораздо более крупные единицы измерения: килобайты, мегабайты, гигабайты и терабайты.
Единицы измерения информации
Например, данная страница, которую вы читаете, занимает места на жестком диске равным всего Кб. Сами же жесткие диски имеют емкости, начиная от 80 Гбайт, и доходят до 3 Терабайт. Средний объем оперативной памяти у современного компьютера составляет от 2 до 4 Гбайт. Оптические диски могут разместить в себе от 700 Мб до 50 Гб информации в зависимости от типа. Всевозможные карты памяти и флэшки имеют емкости от 512 Мбайт до 128 Гбайт.
Файлы
Основной единицей информации на компьютере является файл. Это некий контейнер, внутри которого хранится какое-то количество информации, объединённое определенной смысловой составляющей. Файл может быть какой-то таблицей, текстом, программой, фотографией, видеороликом, музыкальной композицией и так далее.
Каждый файл имеет собственное имя, которые ему присваивает пользователь в момент его создания и записи на диск. Его имя состоит из двух частей – самого имени (от 1 до 255 символов) и расширения (до четырех символов), разделенных точкой. Например, у файла с названием name.txt, «name» является его именем, а «txt» – расширением. Расширение для файла является необязательным.
Расширения имен файлов, определяют их тип, то есть принадлежности к тем или иным программам, способы создания и назначения. То есть, в большинстве случаев, по расширению файла можно понять, какого рода информацию он содержит. Например:
Папки
Как правило, на жестком диске в процессе эксплуатации компьютера хранится огромное количество всевозможных файлов. Например, только одна операционная система после установки создает на диске несколько тысяч собственных файлов, необходимых ей для корректной работы. А если к ним приплюсовать еще те, которые создаются при установке всевозможных программ и ваши личные данные, то цифра получится очень впечатляющая.
Как вы понимаете, если все эти файлы свалить в одну кучу, то впоследствии найти нужные вам данные было бы практически невозможно. Именно поэтому в компьютерах используется структурированное хранение информации. Суть этого метода в том, что файлы объединяются в отдельные группы по тому или иному признаку. Эти группы получили название Папки или Каталоги. Они так же, как и файлы имеют собственные имена, только без расширений.
Выбор критериев объединения файлов в папки зависит исключительно от ваших целей и пожеланий. Внутри папок, вы можете создавать другие папки, в которых так же можно создавать необходимое количество каталогов. Единственное условие – все объекты, находящиеся в одной папке, должны иметь разные имена. Файлы и каталоги с одинаковыми именами можно хранить в разных папках. Вложенные папки образуют структуру, называемую деревом папок.
Дерево папок (каталогов)
При такой организации хранения данных, каждый файл, хранящийся на каком-либо носителе информации, имеет свой собственный путь. Путь к файлу – это определенная последовательность вложенных друг в друга папок, начиная с той, в которой пользователь находится в текущий момент. При написании пути имена разных каталогов и собственно файла разделяют символом обратной наклонной черты («\»).
Посмотрите на рисунок, например, если вы находитесь в папке Документы, то путь к файлу Диплом.doc, будет выглядеть так: Документы\Учеба\Диплом.doc
Из понятия вложенности каталогов следует и еще одно важное определение – полное имя файла – путь к файлу от имени диска, на котором он находится. В нашем примере, полное имя файла Документ.xls будет следующим: C:\Документы\Хобби\Документ.xls. Так же полное имя файла называют абсолютным путем к файлу.
Итак, теперь вы знаете, что вся электронная информация (программы, документы, фотографии и прочее) хранится в файлах на специальных носителях – дисках или картах памяти. Для удобства поиска и сортировки данных, файлы объединяют по определенным признакам в группы, называемые папками. Сами же файлы имеют расширения, с помощью которых можно понять, какого типа информация в нем содержится, а названия файлов, лишь часть его полного имени.
Все мы храним информацию в электронном виде, но, к сожалению, не все делают это правильно. Её можно хранить на жёстком диске, внешних накопителях (смартфонах, переносных жёстких дисках, флешках, картах памяти, CD и DVD дисках), а также в облачных хранилищах.
реклама
Итак, представим, что у нас есть первый компьютер, и мы хотим грамотно организовать хранение нашей информации. Первое, о чём следует позаботиться, это хранение паролей. Поскольку форумы, социальные сети, сетевые игры, электронная почта и Ютуб (если вы хотите сохранять историю просмотров и оставлять комментарии), требуют регистрации. Рассмотрим специальные программы для защиты Ваших паролей, причём они защищают их как от взлома, так и от случайной утери.
Например, есть приложения для смартфонов вроде программы «Сейф+» и ей подобных, которые надёжно зашифруют ваши логины и пароли. Можно также воспользоваться более простым способом, создать архив с паролем и хранить его на флешке в укромном месте. Пароли нужно хранить как минимум в двух экземплярах!
Также нам регулярно требуются сканы документов, их лучше хранить также в двух экземплярах, первый на смартфоне, в формате PDF или Jpeg (на карте памяти, на случай поломки смартфона или сдачи его в ремонт). Второй экземпляр на флешке или в облачном хранилище.
реклама
Облачные хранилища это прежде всего Google Диск и Яндекс.Диск. В них можно хранить как текстовые файлы, так и фотографии, музыку, видео. Рассмотрим их подробнее.
Google Диск предоставляет в бесплатное пользование 15 Гб свободного места, если хотите больше, то оформляйте подписку. Не стоит забывать, что компания Гугл (Google) является разработчиком мобильной операционной системы Андроид (Android), и если у Вас на смартфоне стоит одна из его версий, то аккаунт на mail.google.com будет обязательным. Он позволит сохранять в облако записную книжку смартфона и резервные копии приложений типа Ватсап (WhatsApp).
Внимание! Если ваш ребёнок просит сделать ему канал на Ютубе, чтобы стать блогером, то обязательно создавайте для него новый аккаунт! Поскольку если его неожиданно забанят, то Ваши данные останутся в целости и сохранности. Аналогично если Вы сами пишите много комментариев «о накипевшем», пишите их с «чистого» аккаунта.
реклама
Яндекс.Диск может безлимитно загружать фотографии с телефона, и бесплатное место для остальных данных может варьироваться в зависимости от участия в акциях. Например, у меня бесплатный лимит равен 40 Гб, а для новых пользователей доступно только 10Гб.
Когда вы удаляете файлы в программе Яндекс.Диск, они попадают в «Корзину» и хранятся в ней 30 дней. После этого они автоматически удаляются с сервера. Восстановить удаленные с сервера файлы невозможно! Однако восстановить файлы из «Корзины» вполне возможно, но только в веб-интерфейсе Яндекс.Диска. Если вы хотите удалить файл с компьютера, но сохранить на сервере, настройте выборочную синхронизацию.
Переносные жёсткие диски, у меня их целых три, рационально использовать для хранения сеймейных фото- и видеоархивов, установочных файлов программ, которые могут пригодиться в любой момент, но занимают много места. Я, например, самый ёмкий жёсткий диск (объёмом на 1Тб) использую для хранения мультиков и детских фильмов.
реклама
Также есть сетевые хранилища, которые представляют из себя корпус из пластика или металла, в котором содержатся как минимум пара жёстких дисков и специальная плата с операционной системой. Фактически это автономный компьютер и его можно подключать в локальную или глобальную сеть для получения общего доступа нескольким пользователям. Эти хранилища стоят довольно дорого, но имеют свои преимущества. Например, не нужно бояться, что Вас могут забанить за резкий комментарий под роликом на Ютубе, или что Вы потеряете пароль от вашей учётной записи. Также сетевые диски позволяют создавать Рэйд (RAID) массивы, их существует несколько видов, но наиболее популярный так называемый «зеркальный», в котором вся информация, записываемая на один жесткий диск, автоматически дублируется и на второй.
В современных ПК зачастую отсутствует DVD привод, но зато обычно есть картридер для чтения карт памяти всевозможных форматов. Поэтому содержимое дисков плавно перекочевало на флешки. Так появились загрузочные USB, с которых можно устанавливать Windows и запускать тестовые утилиты для диагностики жёсткого диска и оперативной памяти, а также можно запустить антивирус для лечения ПК от вирусов. Кстати, среди утилит зачастую есть и программа для сброса забытого пароля у операционной системы, я сам ей пользовался ещё будучи студентом, когда младшая сестра установила пароль на компьютере и благополучно его забыла.
Для самых ленивых есть даже образы дисков с операционной системой и основными программами, включая полный комплект Майкрософт Офиса (Microsoft Office), но тут стоит учитывать, что это пиратские версии программ и они работают не всегда корректно.
Очень полезная вещь – портативные (portable) версии программ, которые можно запускать с флешки и при желании переносить на ПК обычным копированием. Так меня часто выручает portable версия браузера Мозилла Фаерфокс (Mozilla Firefox), которая позволяет мне пользоваться браузером со всеми вкладками и закладками на любом компьютере, с любой версией Виндовс.
Вторая по полезности portable программа – почтовое приложение Мозилла Тандебёрд (Mozilla Thunderbird), позволяющая работать с почтой сразу из нескольких почтовых ящиков. У меня она долгое время была на флешке и получала почту сразу с шести е-мейлов нажатием одной кнопки! Если Вы торговый представитель или юрист, то возможность носить на флешке всю вашу почту поможет сэкономить уйму времени.
И напоследок небольшой совет для меломанов, у которых есть редкие музыкальные CD диски. Если Вы хотите перенести свою музыку на ПК, то самый простой вариант – найти эту музыку в Интернете. Зачастую она будет доступна на различных сайтах (где за просмотр рекламы можно слушать музыку), в разном качестве звучания. Если её в глобальной сети нет, то отчаиваться не стоит, есть программы, называемые аудио-грабберы (Audiograbber), способные переносить музыкальные треки на жёсткий диск ПК. Кстати копировать музыку с аудио дисков умеет стандартный медиаплеер в Windows XP.
Хранение данных. Или что такое NAS, SAN и прочие умные сокращения простыми словами
TL;DR: Вводная статья с описанием разных вариантов хранения данных. Будут рассмотрены принципы, описаны преимущества и недостатки, а также предпочтительные варианты использования.
Зачем это все?
Хранение данных — одно из важнейших направлений развития компьютеров, возникшее после появления энергонезависимых запоминающих устройств. Системы хранения данных разных масштабов применяются повсеместно: в банках, магазинах, предприятиях. По мере роста требований к хранимым данным растет сложность хранилищ данных.
Надежно хранить данные в больших объемах, а также выдерживать отказы физических носителей — весьма интересная и сложная инженерная задача.
Хранение данных
Под хранением обычно понимают запись данных на некоторые накопители данных, с целью их (данных) дальнейшего использования. Опустим исторические варианты организации хранения, рассмотрим подробнее классификацию систем хранения по разным критериям. Я выбрал следующие критерии для классификации: по способу подключения, по типу используемых носителей, по форме хранения данных, по реализации.
По способу подключения есть следующие варианты:
подключение дисков в сервере
дисковая полка, подключаемая по FC
По типу используемых накопителей возможно выделить:
Если рассматривать форму хранения данных, то явно выделяются следующие:
По реализации достаточно сложно провести четкие границы, однако можно отметить:
RAID контроллер от компании Fujitsu
пример организации LVM с шифрованием и избыточностью в виртуальной машине Linux в облаке Azure
Давайте рассмотрим более детально некоторые технологии, их достоинства и недостатки.
Direct Attached Storage — это исторически первый вариант подключения носителей, применяемый до сих пор. Накопитель, с точки зрения компьютера, в котором он установлен, используется монопольно, обращение с накопителем происходит поблочно, обеспечивая максимальную скорость обмена данными с накопителем с минимальными задержками. Также это наиболее дешевый вариант организации системы хранения данных, однако не лишенный своих недостатков. К примеру если нужно организовать хранение данных предприятия на нескольких серверах, то такой способ организации не позволяет совместное использование дисков разных серверов между собой, так что система хранения данных будет не оптимальной: некоторые сервера будут испытывать недостаток дискового пространства, другие же — не будут полностью его утилизировать:
Конфигурации систем с единственным накопителем применяются чаще всего для нетребовательных нагрузок, обычно для домашнего применения. Для профессиональных целей, а также промышленного применения чаще всего используется несколько накопителей, объединенных в RAID-массив программно, либо с помощью аппаратной карты RAID для достижения отказоустойчивости и\или более высокой скорости работы, чем единичный накопитель. Также есть возможность организации кэширования наиболее часто используемых данных на более быстром, но менее емком твердотельном накопителе для достижения и большой емкости и большой скорости работы дисковой подсистемы компьютера.
Storage area network, она же сеть хранения данных, является технологией организации системы хранения данных с использованием выделенной сети, позволяя таким образом подключать диски к серверам с использованием специализированного оборудования. Так решается вопрос с утилизацией дискового пространства серверами, а также устраняются точки отказа, неизбежно присутствующие в системах хранения данных на основе DAS. Сеть хранения данных чаще всего использует технологию Fibre Channel, однако явной привязки к технологии передачи данных — нет. Накопители используются в блочном режиме, для общения с накопителями используются протоколы SCSI и NVMe, инкапсулируемые в кадры FC, либо в стандартные пакеты TCP, например в случае использования SAN на основе iSCSI.
Давайте разберем более детально устройство SAN, для этого логически разделим ее на две важных части, сервера с HBA и дисковые полки, как оконечные устройства, а также коммутаторы (в больших системах — маршрутизаторы) и кабели, как средства построения сети. HBA — специализированный контроллер, размещаемый в сервере, подключаемом к SAN. Через этот контроллер сервер будет «видеть» диски, размещаемые в дисковых полках. Сервера и дисковые полки не обязательно должны размещаться рядом, хотя для достижения высокой производительности и малых задержек это рекомендуется. Сервера и полки подключаются к коммутатору, который организует общую среду передачи данных. Коммутаторы могут также соединяться с собой с помощью межкоммутаторных соединений, совокупность всех коммутаторов и их соединений называется фабрикой. Есть разные варианты реализации фабрики, я не буду тут останавливаться подробно. Для отказоустойчивости рекомендуется подключать минимум две фабрики к каждому HBA в сервере (иногда ставят несколько HBA) и к каждой дисковой полке, чтобы коммутаторы не стали точкой отказа SAN.
Недостатками такой системы являются большая стоимость и сложность, поскольку для обеспечения отказоустойчивости требуется обеспечить несколько путей доступа (multipath) серверов к дисковым полкам, а значит, как минимум, задублировать фабрики. Также в силу физических ограничений (скорость света в общем и емкость передачи данных в информационной матрице коммутаторов в частности) хоть и существует возможность неограниченного подключения устройств между собой, на практике чаще всего есть ограничения по числу соединений (в том числе и между коммутаторами), числу дисковых полок и тому подобное.
Network attached storage, или сетевое файловое хранилище, представляет дисковые ресурсы в виде файлов (или объектов) с использованием сетевых протоколов, например NFS, SMB и прочих. Принципиально базируется на DAS, но ключевым отличием является предоставление общего файлового доступа. Так как работа ведется по сети — сама система хранения может быть сколько угодно далеко от потребителей (в разумных пределах разумеется), но это же является и недостатком в случае организации на предприятиях или в датацентрах, поскольку для работы утилизируется полоса пропускания основной сети — что, однако, может быть нивелировано с использованием выделенных сетевых карт для доступа к NAS. Также по сравнению с SAN упрощается работа клиентов, поскольку сервер NAS берет на себя все вопросы по общему доступу и т.п.
Unified storage
Универсальные системы, позволяющие совмещать в себе как функции NAS так и SAN. Чаще всего по реализации это SAN, в которой есть возможность активировать файловый доступ к дисковому пространству. Для этого устанавливаются дополнительные сетевые карты (или используются уже существующие, если SAN построена на их основе), после чего создается файловая система на некотором блочном устройстве — и уже она раздается по сети клиентам через некоторый файловый протокол, например NFS.
Software-defined storage — программно определяемое хранилище данных, основанное на DAS, при котором дисковые подсистемы нескольких серверов логически объединяются между собой в кластер, который дает своим клиентам доступ к общему дисковому пространству.
Наиболее яркими представителями являются GlusterFS и Ceph, но также подобные вещи можно сделать и традиционными средствами (например на основе LVM2, программной реализации iSCSI и NFS).
N.B. редактора: У вас есть возможность изучить технологию сетевого хранилища Ceph, чтобы использовать в своих проектах для повышения отказоустойчивости, на нашем практическим курсе по Ceph. В начале курса вы получите системные знания по базовым понятиям и терминам, а по окончании научитесь полноценно устанавливать, настраивать и управлять Ceph. Детали и полная программа курса здесь.
Пример SDS на основе GlusterFS
Из преимуществ SDS — можно построить отказоустойчивую производительную реплицируемую систему хранения данных с использованием обычного, возможно даже устаревшего оборудования. Если убрать зависимость от основной сети, то есть добавить выделенные сетевые карты для работы SDS, то получается решение с преимуществами больших SAN\NAS, но без присущих им недостатков. Я считаю, что за подобными системами — будущее, особенно с учетом того, что быстрая сетевая инфраструктура более универсальная (ее можно использовать и для других целей), а также дешевеет гораздо быстрее, чем специализированное оборудование для построения SAN. Недостатком можно назвать увеличение сложности по сравнению с обычным NAS, а также излишней перегруженностью (нужно больше оборудования) в условиях малых систем хранения данных.
Гиперконвергентные системы
Подавляющее большинство систем хранения данных используется для организации дисков виртуальных машин, при использовании SAN неизбежно происходит удорожание инфраструктуры. Но если объединить дисковые системы серверов с помощью SDS, а процессорные ресурсы и оперативную память с помощью гипервизоров отдавать виртуальным машинам, использующим дисковые ресурсы этой SDS — получится неплохо сэкономить. Такой подход с тесной интеграцией хранилища совместно с другими ресурсами называется гиперконвергентностью. Ключевой особенностью тут является способность почти бесконечного роста при нехватке ресурсов, поскольку если не хватает ресурсов, достаточно добавить еще один сервер с дисками к общей системе, чтобы нарастить ее. На практике обычно есть ограничения, но в целом наращивать получается гораздо проще, чем чистую SAN. Недостатком является обычно достаточно высокая стоимость подобных решений, но в целом совокупная стоимость владения обычно снижается.
Облака и эфемерные хранилища
Логическим продолжением перехода на виртуализацию является запуск сервисов в облаках. В предельном случае сервисы разбиваются на функции, запускаемые по требованию (бессерверные вычисления, serverless). Важной особенностью тут является отсутствие состояния, то есть сервисы запускаются по требованию и потенциально могут быть запущены столько экземпляров приложения, сколько требуется для текущей нагрузки. Большинство поставщиков (GCP, Azure, Amazon и прочие) облачных решений предлагают также и доступ к хранилищам, включая файловые и блочные, а также объектные. Некоторые предлагают дополнительно облачные базы, так что приложение, рассчитанное на запуск в таком облаке, легко может работать с подобными системами хранения данных. Для того, чтобы все работало, достаточно оплатить вовремя эти услуги, для небольших приложений поставщики вообще предлагают бесплатное использование ресурсов в течение некоторого срока, либо вообще навсегда.
Из недостатков: могут заблокировать аккаунт, на котором все работает, что может привести к простоям в работе. Также могут быть проблемы со связностью и\или доступностью таких сервисов по сети, поскольку такие хранилища полностью зависят от корректной и правильной работы глобальной сети.
Заключение
Надеюсь, статья была полезной не только новичкам. Предлагаю обсудить в комментариях дополнительные возможности систем хранения данных, написать о своем опыте построения систем хранения данных.