存储系统发展历程及特性总结

持续现代化的 第五代存储助力企业实现数据创新。

1.五代存储的演进

存储系统已经经历了四十余年的发展，IDC根据各个阶段存储的特性，将存储系统的发展历程划分为五个 阶段：

第一代存储：DAS（Direct-Attached Storage）直连存储 ：90年代之前，内部和外部存储设备主要采用直连方式与主机 连接。只有主机才能直接访问这些数据。外部DAS设备通过SCSI、SATA、SAS、FC或iSCSI等接口直接连接主 机。对于少量主机而言，使用外部直连存储系统连接简单、易于配置和管理、费用较低。但这种连接方式，不 利于存储资源的充分利用和主机间的数据共享，在存储系统管理以及维护方面，不能做到集中统一的管理 及调度。

第二代存储：SAN（Storage Area Network）和 NAS（Network Attached Storage）共享网络存储： 90 年代之后，为 了解决外置存储共享等问题，NAS 和 SAN 网络存储开始出现。NAS 通常是指为用户提供文件存储服务的 共享网络存储，支持 NFS、SMB/CIFS 等协议。SAN 存储可以分为两类：FC(Fiber Channel)SAN 存储，以 及 IP（iSCSI 协议）SAN 存储，可以为用户提供数据块服务的共享存储，支持 FC 以及 iSCSI 等协议。FC SAN 的接口带宽速率已经从早期的 2Gb/4Gb/8Gb 发展到现在的 32Gb 和 64Gb，IP SAN 的接口带宽速率也随 着网络速率的提升从千兆到万兆发展到现在的 25Gb、40Gb 和 100Gb 等更高的速率。NAS 和 SAN 共享 网络存储，极大地提高了存储资源的利用率，统一集中管理模式降低了存储运维成本，提供了丰富的企业 级存储解决方案。

第三代存储：统一存储：顾名思义，统一存储最主要的目的是实现融合、统一，简而言之，就是既支持基于文件的NAS存 储，包括SMB/CIFS、NFS等文件协议类型，又支持基于块数据的SAN存储，包括FC、iSCSI等访问协议，并且 可由一个统一界面进行管理。随着虚拟化技术的快速发展，以及非结构化数据的爆炸性增长，企业对基础 架构的快速适应能力、弹性扩展能力以及对不同类型应用的支持提出了更高的要求，统一存储由于可以提 供统一的硬件架构、统一的软件和运维体系等特性而受到用户的青睐，发展非常迅速，到目前为止，统一存 储基本可以说是所有存储厂商的标配产品线。

第四代存储：基于闪存的存储系统：随着计算的高速发展，存储系统在优化与主机的连接方式的同时，对存储系统的性 能提出了更高的需求。从2008年开始有存储厂商尝试利用闪存介质替代部分磁盘介质来提供更高的性能， 但是由于闪存介质价格高昂，闪存介质主要被应用于高端存储系统，配合自动分层软件功能，对数据热度 进行一定的分析以及策略设定，自动地在合适的时间把合适的数据放到合适的存储介质上，在提高性能的 同时有效地降低了成本，同时配置闪存介质和磁盘介质的存储系统通常被称为混合阵列（HFA‒Hybrid Flash Array）。

2010年左右，全闪存阵列（AFA‒All Flash Array）开始出现，存储系统全部配置闪存介质，且存储系统的软 件栈专门针对闪存介质进行了优化，闪存介质主要是以SAS固态硬盘以及Flash NAND模块为主。随着技术 的发展，存储系统软件栈逐步将所有针对磁盘的高级功能拓展到闪存介质上，同时针对闪存介质的特性开 发出很多新的功能，如重复数据消除、压缩等，提高了闪存介质的有效容量，加之闪存介质的价格逐年下 降，到2021年，闪存介质每GB有效容量（按4:1数据缩减比）的价格与SAS磁盘每GB的价格大致相同。根据 IDC的统计，2021年全球全闪存系统AFA占比达40.7%，混合阵列HFA占比达39.8%，超过八成的存储系统 都是内置闪存介质的存储系统。

第五代存储：未来企业级智能存储：数据爆炸式增长，网络威胁无处不在，混合多云是新常态。为了解决这些挑战，企业 必须尽早制定和部署IT战略，这同时也为企业级存储提出了新需求：企业级存储需要升级性能和效率，并 具有企业关键任务应用程序所需的各种高级功能和数据服务，包括安全性、可用性、可扩展性、易用性以及 敏捷性等。第五代存储—未来企业级智能存储—其软件驱动的存储创新，可为企业带来持续现代化的存储 体验，使企业具备更快速的业务交付能力，以更好地迎接下一个挑战。

2.第五代存储的五大特征

持续现代化的第五代存储具有敏捷高速、有效容量、多云就绪、数据护航、AI 赋能五个特性。

特征一：敏捷高速

数据正在成为企业的重要资产，这些数据不仅用于支持传统关键任务应用的运转（如虚拟机、电子医疗病 例、关系数据库、ERP等），还需要满足诸如实时分析软件、人工智能软件等创新应用的发展需求，以帮助企 业获得前沿、可靠的市场洞察，预判业务趋势，进而调整市场战略，提升市场竞争力。IDC 预测，面向实时分 析的延迟敏感型应用程序将成为未来五年增长迅速的存储工作负载。传统业务应用与云原生应用的结合， 将把企业对于存储基础架构的性能需求，提升到一个新的水平。第五代存储凭借其敏捷高速的特性，将在 满足企业不断增长的业务需求方面扮演着关键的角色。

企业需要整合存储，进而高效且具有成本效益地处理混合工作负载，确保面对指数级增长的数 据时具有可伸缩性，满足未来企业新兴工作负载所需的高性能、低延迟等需求。先进的存储体系 架构是性能升级、效率优化、弹性扩展和成本优势的最佳组合，减少存储基础架构多样性所带来 的复杂性，为 IT 提供敏捷高速的能力。第五代存储是具有高度适应性的、自动化的、智能化的和 操作简单的体系架构，不仅可以凭借高灵活性实现本地存储交付，还易被集成到 IT 现有的运行 环境中，确保跨数据中心、边缘和云的全一致性管理，符合混合云趋势下的体验需求。

与机械硬盘相比，闪存驱动器在性能方面有了显著的提升，但通过SATA/SAS接口连接的闪存驱 动器在I/O并行化方面仍受到限制，影响其所能提供的性能。SATA/SAS接口是为传统机械硬盘 设计的而非为高速闪存介质设计的。NVMe协议的出现，为非易失性的高速闪存介质提供了存储 接口规范。NVMe协议能够运行大量并行I/O操作，通过PCIe与主机CPU连接，简化指令集和软件 栈，减少了I/O处理时间和CPU开销，成为实现存储极致性能和低延迟的关键特性。这些特性可 加速现有应用程序的运行，并可支持需要更强实时处理能力的云原生应用程序。此外，通过占用 更小的空间处理更多整合后的工作负载，NVMe阵列可以降低总拥有成本（TCO）。更为重要的是 NVMe打开了发挥下一代存储介质SCM（存储级内存）价值的大门。 SCM能够提供类似DRAM易失性存储的性能，以及类似NAND闪存的持久化特点，但NAND闪存 读延迟会受到大量写操作的影响，SCM驱动器不仅减少了驱动器的读延迟，而且在对驱动器进 行大量写操作的压力下可保持较低的读响应时间。SCM技术在如金融、电信、零售等行业的高实 时分析和高OLTP需求工作负载上予以率先使用。相比于机械硬盘和闪存盘，SCM可实现性能大 幅提升，弥补了闪存驱动器和DRAM之间的性能差距。

目前主机与外部存储设备通常采用FC、iSCSI连接，传输的是SCSI协议。为了实现NVMe协议的 进一步扩展，NVMe over Fabrics （NVMe-oF）逐步发展。 NVMe Over Fabrics 是基于NVMe协议 的最新的主机与外部存储设备的连接方式。主机通过NVMe over Fabric协议连接到使用NVMe 驱动器的全闪存阵列，实现端到端的NVMe，提供了人工智能，机器学习和实时分析都需要的更 低延迟和更高的吞吐量。NVMe Over Fabrics 的传输无关性意味着它可以支持所有传输方式， 目前有几种主流传输方式有：NVMe over TCP，NVMe over FC，RoCEv2，iWARP，InfiniBand等。 根据IDC预测（图7），NVMe over TCP由于其成本、互操作性和易用性等方面优势，未来会成为主 要的传输方式。

新的工作负载接连上线、现有工作负载不断变化，同时云原生应用也正在以指数级的速度发展， 这要求存储系统具备可升级、可扩展的性能优势。第五代存储的软件架构内置人工智能，可实现 自动化，可以根据企业不断变化的需求而改变，具备性能优势的同时拥有灵活的扩展能力。同 时，创新的软件形态可以交付更多新的企业级特性和功能，进而释放更多的价值，通过按需非中 断的软件升级，企业可以充分利用第五代存储不断更新能力图谱，实现无感的IT能力升级，无缝 提高工作负载性能，使企业可以在业务在线的情况下更快实现数据变现，提升企业市场份额。

总的来说，第五代存储以数据为中心、智能且适应性强的体系架构，利用最新的存储介质和访问协议，支持 端到端NVMe，最大程度提高应用程序性能并消除瓶颈。通过软件驱动的创新为企业带来持续现代化的存 储体验，支持云原生应用程序的需求，满足企业不断变化的数字化转型发展需求。

特征二：有效容量

随着5G、人工智能、机器学习、区块链、虚拟现实、增强现实、物联网、边缘计算等新兴技术的快速发展，数据 总量呈现出爆发式增长。 IDC数据显示，2020年创造和复制的数据量达64.2ZB，在2020-2025年预测期内， 全球创建和复制数据量将实现23%的复合年增长率（CAGR）。数据可被存放在核心（包括传统的和云数据 中心），边缘（包括基站和分支机构）以及终端（包括个人电脑、智能手机和物联网设备）等位置。IDC数据显 示，目前企业数据主要存储在云和传统的数据中心中。但企业在IT方面的投资并没有跟随数据的增长按比 例增加，同时数据中心中存储基础架构占用的空间以及能耗越来越大，存储管理成本显著增加。要想减少 存储基础架构在数据中心中占用的空间、减少电力和冷却的能耗，减少存储基础架构的碳排放，减少存储 基础架构的总体拥有成本，第五代存储性能无损的数据缩减技术可发挥关键作用。

第五代存储基于硬件提升性能，让现有存储系统性能无损，以更节省能耗的AFA阵列来替换 HDD阵列，提高存储密度，达到节能减排的目标。从固态存储AFA基础性能角度来讲，AFA提供了 比HDD快几十倍甚至上百倍的性能，也提供了更高的可靠性。闪存的成熟为企业带来了显著的 降本效果，数据缩减技术进一步降低了存储的成本。根据IDC统计，固态硬盘每GB的价格在 2015-2020年期间，平均每年的降幅将达到25%，未来五年将继续保持这一趋势。

数据中心是能耗密集型产业，在实现节能减排的道路上任重道远。伴随“碳中和”、“碳达峰”目标 的提出，推进数据中心绿色革命，降低二氧化碳排放量，已经成为未来数据中心发展的“风向标” 和确定趋势。2021年发布的《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G等新型基础设 施绿色高质量发展实施方案》中明确要求，到2025年，数据中心运行电能利用效率和可再生能源 利用率明显提升，全国新建大型、超大型数据中心平均电能利用效率降到1.3以下，国家枢纽节 点进一步降到1.25以下，绿色低碳等级达到4A级以上。为改变数据中心高能耗的现状，数据中心 需重视“开源节流”，一方面强化资源复用，另一方面重视创新节能技术的使用。IT设备系统所产 生的功耗是数据中心总功耗的主要构成部分，优化架构运行模式，提升效率，找到存储等数据处 理环节存在的优化空间，对减少数据中心的能源消耗将起到正向推进作用。

总的来说，第五代存储硬件加速的数据缩减功能，提供了性能无损的有效容量，且所有的数据服务都可用。 减少了所需闪存驱动器的数量、机房空间及能耗，在降低存储基础架构TCO的同时，助力企业实现低碳绿 色且可持续发展的数据中心建设。

特征三：多云就绪

数字经济深化发展以及全球新冠肺炎疫情的蔓延牵引计算范式发生转移，助推企业云需求的增长，云计算 走向多云、混合云时代。IDC预测，到 2022年，全球超过90%的企业将依靠本地/专用私有云、多个公有云和 传统数据中心的组合来满足其基础架构需求。

企业上云要优先考虑应用和数据。为追求数字基础设施最优化部署，企业根据不同业务和应用 需求，将工作负载分布到传统数据中心、私有云和公有云等多元环境，私有云和公有云往往不会 局限在同一个地理位置或同一个云服务提供商，企业因此需要应对更大的复杂性和异构性。 混合IT架构部署的大背景下，第五代存储多云就绪，利用软件定义架构、容器以及微服务架构等 技术的支持，帮助企业充分发挥多云环境中的数据优势，同时构建更加开放的API生态系统，以 便对混合IT架构进行更好的连接，确保企业数据可以在合适的时间被存放在合适的地方，并满 足工作负载服务级别的要求。

随着企业数字化业务愈发多元，边缘计算的应用场景正在逐渐增加，以满足企业对于低延时，高 安全等业务发展需要。IDC预测，在2019-2024年，新建在核心的存储容量将保持27.4%的年复合 增长率，在边缘侧部署的存储容量将以23.8%的复合增速增长。核心和边缘的新建存储容量占 比将从2019年的46.6%增长到2024年的68.9%。边缘计算发挥着重要作用，它将数据和存储资 源移动到更靠近数据产生的位置，从而减少了关键信息移动所需的距离和时间，支持以更快地 访问并降低数据移动所需的成本，基于更快的数据洞察使企业在更短的时间内开发出先进的创 新产品和服务，以实现业务突破，获得竞争优势。但边缘环境也面临着空间和资源紧张、技术人 员缺乏等挑战。

伴随数据来源趋于广泛，数据形态趋于多样，数据基础架构面向“云-边-端”的模式演进，第五代 存储需要能够支持无处不在的部署模式，满足企业对于可靠、可持续的数据服务的需求，支持跨 架构、跨域的传输与存储，尤其为边缘解决方案提供了易于管理、可扩展、安全并满足企业网络 和数据保留要求的存储基础架构。

DevOps在快速创建和迭代应用、实现系统灵活部署和变更、保证交付质量和规范等方面具备明 显优势，这已经成为市场共识，并且在数字化程度较高的企业中得到广泛应用。伴随企业加快数 字化转型，对提高业务敏捷性的需求尤为迫切，更多规模更大、监管更严格的传统行业企业正在 加速向DevOps迈进，这将带来更广泛的DevOps市场需求。 IDC预计，到2025年全球使用现代开发工具开发的新逻辑应用程序将达到7.5亿个。DevOps自 动化是一个巨大的趋势，越来越多的工作负载将被转移到公有云中。此外，IT团队正试图通过提 供自动化的流程和工具，将IT基础架构作为代码提供，从而实现无缝的DevOps自动化。

第五代存储为开发者提供了灵活、自动化和安全的DevOps就绪的平台，让DevOps团队可以通 过云的敏捷性在本地轻松交付IT。第五代存储支持领先的容器编配平台（如Kubernetes），企业 可以专注于管理容器，而不是基础架构。第五代存储可以简化和优化容器编排工具的部署和应 用开发流程来控制IT数据和成本。企业因此能够控制数据隐私、资源成本，并遵守治理要求；通 过简化云操作，企业可以灵活地在一个DevOps就绪的平台上运行多个容器编排平台，可以无缝 地采用多个云容器编排平台，并消除影子IT，推进应用程序的现代化；通过允许快速提供计算和 存储资源，并提供基础架构作为代码，降低DevOps流程自动化门槛，使开发人员成为业务的创 新引擎，从而加速创新。

通过新产品新服务、创新业务模式以及更深层次的业务关系来创造商业价值，实现持续的收入 增长并构建市场竞争新壁垒，已经成为数字经济时代企业的核心诉求。为更好满足不断涌现的 新业务模式和频繁变化的服务形态，数字基础设施弹性逐步上升为企业IT策略的根本性原则， 企业正在寻求构建更多层次的可见性、跨平台控制、高级别数据管理以及横跨边缘到核心的连 续性数据保护能力。IDC研究显示，全球超过60%的企业有意转向更加弹性的IT投资策略。 面对数据驱动的高速发展的数字经济，企业需要敏捷和韧性，才能适应未来。一切即服务，则正 是企业应该掌握的适应未来的技术战略。当今领先的IT企业正日益转向“即服务”，以布局未来。 IDC预测，到2024年，有一半的数据中心基础架构会使用“即服务”的消费方式。面对数字化企业 间的激烈竞争，为了加快技术数字应用的落地，强化自身服务输出能力，企业需要以即服务的模 式引入数字化转型的方案。 第五代存储通过提供数据存储即服务帮助企业实现“降本增效”。面对企业随着业务规模不断变 化的、复杂的数据存储需求，第五代存储数据存储即服务提供了可扩展和弹性的存储资源，用于 企业内部部署。

总的来说，第五代存储多云就绪，能帮助企业利用其多云环境中的数据优势，发挥边缘价值，满足以容器、 DevOps等云原生技术的需求，并且提供了灵活的消费模式，帮助企业将数据转换成智能化能力，基于数据 创新产生新的价值，以获得领先的竞争优势。

特征四：数据护航

数据是企业重要的资产，数据保护已成为各行各业关注的重点。维持网络安全日益成为企业的首要任务。 随着法律法规的日趋严格，以及网络安全威胁日益凸显，攻击数量增多，攻击面不断扩大，解决不断变化的 安全需求的必要性显而易见。攻击者不断地寻找和利用新技术来渗透 IT 基础架构，以突破现有的安全措 施。除了外部威胁之外，还有潜在的内部威胁，这些威胁严重影响着企业的经济发展和社会声誉。数据泄露 可能会对所有行业的各种规模的企业产生持久的负面影响。IDC 2022 年中国未来数字化基础架构预测认 为，到 2023 年，随着网络安全隐患的不断增加，大规模数据面临风险，大多数最高层领导者将实施与数据 可用性、数据保护和数据治理相关的 KPI，这些 KPI 对企业来说至关重要。第五代存储以数据为核心，在数 据整个生命周期管理过程中，通过数据加密、备份与恢复、数据管理等技术手段确保企业的数据高可用性 和安全性。

单一的数据备份解决方案已经不能完全满足企业对数据的保护需求，特别是企业重要数据和核心数据。第 五代存储在最基本的网络防御措施（防火墙、访问控制、入侵检测等）基础之上，对企业数据进行更深层次 的分级分类保护，增加一系列的保护手段，建立起现代化“三位一体”数据防护体系，以实现对所有数据都 要备份、对重要数据进行容灾、对核心数据进行隔离保护。 当数据被存储在系统中后，数据的复制与保护就成了建立数据避风港的关键。首先所有的数据都应该有本 地备份，它是整个“三位一体”数据保护体系的基础；其次对企业重要的应用和数据进行容灾，这对于防范 数据中心级的灾难是必要的；最后企业的核心数据需要采用最高等级的网络隔离保护。

在数据本地备份方面，第五代存储能够通过更高的重复数据删除比以及私有协议在备份效率和安全方面 实现能力提升，并且通过丰富完整的指令集更好地支持多任务并行处理，确保数据管理的稳定性和高效 性。在数据容灾方面，第五代存储可面向核心、边缘和多云环境，全面覆盖所有工作负载，实现可靠、快速、 低成本恢复，形成平台化的解决方案，进而构建一致性的保护机制，为重要数据提供可靠的异地容灾，防止 站点故障。最后，减少关键备份数据与病毒的接触永远是数据保护最有效的方法，第五代存储在数据安全 备份之后切断数据访问路径，彻底阻断勒索软件接触的可能，保证备份数据拷贝副本不可加密、不可篡改、 不可删除。

除了上述的“三位一体”的数据保护，随着网络攻击的复杂性和数据量的剧增，存储的安全性还需要扩展到 操作系统和应用程序之外，包括底层的硬件和固件。

总的来说，第五代存储结合数据保护技术，可提供安全可靠的存储解决方案，例如具有数据隔离和不可变 性的气隙隔离（Air Gap）技术，以及持续的勒索软件异常检测功能，帮助企业降低业务风险，保护企业的数 据和操作免受网络威胁，并让企业可以从勒索软件等网络威胁中恢复数据资产，为企业数据资产保驾护 航，推动安全地创新。

特征五：AI赋能

存储系统管理工作需要在数据迁移、负载平衡和解决性能问题等环节花费大量时间。企业迫切需要掌握与 管理容量和性能资源相关的开销情况，以及自动地、智能地监控存储和迁移工作负载以获得最佳资源利用 率的能力。第五代存储是高度智能化的存储系统，具有高度优化的I/O处理能力，可以智能、最优地处理存 储资源的管理、调配和利用；配置大量高速缓存和多I/O路径，以满足性能密集型应用的需求；确保数据的 完整性，同时解决隐私和合规方面的挑战。第五代存储从性能、可扩展性、可用性、数据服务等方面进行设 计，为企业现代数据中心提供快速、智能、高效、可靠的存储解决方案。

在AI/ML技术的帮助下，第五代存储拥有更多主动型管理和自适应服务能力。第五代存储内置的人工智能/机器学习引擎，可以根据工作负载IO特性，自适应地将数据存放到合适的存储介质 上，使自主存储成为可能。 存储系统通过内置AI/ML算法实现存储介质自动分层管理，基于设定 的目标和策略，对数据类型和访存特点进行全面分析，实现数据与介质在时间、空间上的智能化 匹配，达到NVMe SSD和SCM等先进存储技术的最优配置，避免活跃数据压缩，优化存储空间效 率，并且根据目标工作负载和应用程序的性能需求，提供差异化的SLA保证。

存储管理和资源调配历来是一个耗时且成本高昂的过程。随着云计算的发展，基础架构组件的 数量也在不断增加，每天都有更多的应用发布到生产环境中，而且基础架构本身也要被不断地 使用、扩展和移除。管理现今这样大规模的基础架构会变得越来越困难。基础架构即代码（IaC） 可以帮助企业管理 IT 基础架构需求，同时提高一致性并减少错误和手动配置。第五代存储是可 编程的架构，通过与VMware和领先的DevOps以及开放管理框架的广泛生态系统的集成实现 了存储工作流的自动化。在容器化和DevOps这两个新兴领域，第五代存储为企业提供了 VMware （vRO Plugin）、Kubernetes （CSI Driver）和Ansible（Ansible Module）等插件。

在数字化转型过程中，企业正在逐步从传统基础架构转向包含本地、托管云环境、私有云环境和 公有云环境的动态组合的现代化基础架构。与原有基础架构相比，现代化IT基础架构每年会成 倍产生大量IT运营数据。传统IT管理解决方案无法跟上数据量增长的步伐：它们无法智能地从 如此大量的相关数据中筛选出重要事件；无法将来自不同但相互依赖的环境的数据关联；无法 提供实时洞察和预测性分析，以支持IT运营团队快速响应问题，满足用户对服务级别的期望。

第五代存储的AIOps正在变革基础架构管理规则，有效减轻企业IT负担并提升数字基础设施运 维管理效率。第五代存储在自动化的数据采集和浅层次的数据分析之外，依靠深度学习算法进 一步实现自适应提取运维数据中蕴含的代表性信息，可以围绕设定目标进行自我迭代调整，摆 脱对人工特征设计与诊断工程经验的依赖，帮助企业完成数字基础设施性能优化、动态预警及 修复、主动型规划等IT运维目标。通过实时预测性分析，第五代存储可以动态调整设备端口、带 宽、缓存等一系列存储资源利用策略，实现集群工作负载自动均衡，主动避免资源争用，以低成 本提供目标系统性能；基于深度学习技术的故障检测模型，第五代存储可以从运维数据中发现 新的相关性，建立更准确的性能影响趋势分析，及时检测服务异常，加快故障排除和修复，在数 据采集、分析、迁移等阶段降低对前端业务的干扰，合理避免系统降级服务，并获得洞察和建议， 以提高基础设施性能；第五代存储还可以基于系统多维度数据进行短期和长期容量预测及成本 分析，主动识别失控查询等突发性数据空间占用情况，实现最大化资源整合并指导系统存储容 量规划。

总的来说，第五代存储内置的机器学习引擎使其成为自主存储；其可编程的架构使IT能够实现基础架构管 理的自动化；第五代存储 AIOps将基础架构的遥测数据与人工智能/机器学习技术相结合，以提供高级洞 察，供IT管理员采取行动或监控，提供了对整个IT环境的分析、理解和预测，为实现自动化基础架构运维迈 出了重要的一步。