硬件分類(計算機專業(yè)的課程按軟硬件分類)

0.1 計算機硬件分類0.1.1 家用臺式電腦介紹

家用電腦，顧名思義，就是專為普通家庭用戶所涉及制造的微型計算機，和其他微型計算機，比如商用電腦相比，在硬件結構和系統、軟件結構上，基本無異，主要功能用途上有所差異。家用電腦主要側重于影音娛樂和游戲方面的應用，同時，也具備一定的學習辦公方面的能力，可以滿足家庭用戶的絕大多數需要。家用電腦的基本組成與辦公室使用的臺式微型計算機沒什么區(qū)別，同樣是馮.諾依曼體系結構，大體上分為三級，輸入設備和輸出設備等幾個部分。

圖0-1 家用臺式機圖示

0.1.2 筆記本電腦介紹

筆記本電腦（NoteBook Computer，簡稱為：NoteBook）,亦稱筆記型、手提或膝上電腦（英語：Laptop Computer?？珊喎Q為Laptop），是一種小型、可方便攜帶的個人電腦。筆記本電腦的重量通常重1-3公斤。其發(fā)展趨勢是體積越來越小，重量越來越輕，而功能越來越強大。像Netbook，也就是俗稱的上網本。筆記本電腦跟PC的主要區(qū)別在于其便攜帶性。

圖0-2 筆記本電腦圖示

0.2 運維與服務器

90%以上的Linux基礎圖書，都只講了Linux基礎以及Linux開發(fā)，而未提及Linux運維這個崗位名詞，其實學Linux最直接目的就是維護Linux服務器，哪怕是開發(fā)人員，學習的目的也是如此，因此本書不會只講解Linux，而是根據企業(yè)Linux運維崗位真正的需求來講解Linux基礎及Linux運維核心知識，使得讀者在學習Linux的同時，可以對未來的企業(yè)里Linux運維工作崗位所需的知識有一個很好的了解，這也是本書區(qū)別于其他Linux基礎書籍的核心所在。

0.2.1 運維人員的核心職責

下面來看一下運維人員的三大核心職責：

企業(yè)數據安全（不丟失、不泄露） 。企業(yè)數據是每個現代IT企業(yè)的生命線，作為Linux運維人員，不但不能丟失任何數據，同時，也不能向外部人員泄露公司的任何有用數據。讀者可以搜索“脫庫事件”以了解當下社會上的企業(yè)數據安全信息。企業(yè)業(yè)務7*24小時運行（永不停機） 。互聯網企業(yè)甚至是傳統企業(yè)（例如，銀行和電信），除了數據安全外，還需要業(yè)務有持續(xù)運行的能力，這對Linux運維人員提出了更高的要求，也是運維人員高薪的原因。如表0-1所列舉的是企業(yè)網站和應用的可用性的衡量標準。表0-1 企業(yè)網站和應用的可用性的衡量標準可用標準描述簡稱可用性級別全年停機時間基本可用性2個999%87.6小時較高可用性3個999.9%8.8小時很高可用性4個999.99%53分鐘極高可用性5個999.999%5分鐘其中，一般中小企業(yè)的業(yè)務持續(xù)可用性級別至少應該是99.9%，中大型企業(yè)應達到99.99%，甚至99.999%。企業(yè)業(yè)務服務效率高（用戶體驗好） 。

一切的企業(yè)工作最終都是為了給用戶提供高效、舒心的服務，如果網站打開的速度很慢，用戶的體驗很差，那么這樣的企業(yè)是沒有任何生命力的，因此Linux運維人員需要不斷地優(yōu)化網站業(yè)務，使得用戶能夠進行高效的訪問，這中能力是決定Linux運維人員是否能拿高薪的必備條件。

注意： 運維人員工作基本原則：簡單，易用，高效，穩(wěn)定，安全。

如果在達到上述三大核心原則的情況下，還能對網站架構不斷地進行優(yōu)化和調整，從而達到節(jié)省服務器數量、IDC和CDN帶寬，甚至能夠使用云計算、容器服務，以及開發(fā)自動化平臺等提高工作效率、節(jié)省企業(yè)人力成本，那這樣的運維工程師簡直堪稱完美，拿到高薪自然也是水到渠成。

0.2.2 運維人員工作的主戰(zhàn)場--服務器0.2.2.1 什么是服務器？

服務器是提供計算和存儲服務的設備（如圖0-3所示），由于服務器需要響應服務請求，并進行處理，因此一般來說，服務器應具備承擔服務并且保障服務的能力。服務器的構成包括處理器、硬盤、內存、系統總線等，這與通用的計算機構架類似，但是由于需要提供高性能高可靠的服務，因此，在處理能力、穩(wěn)定性、可靠性、安全性、可擴展性、可管理性等方面要求較高。

圖0-3 Dell R730 2U和R620 1U互聯網主流服務器外觀

上述對于服務器的介紹比較復雜，一句話概括：服務器就是一臺特殊的計算機，配置更高，設備更貴更好，主要用在企業(yè)的后臺，為用戶提供各種業(yè)務服務。

服務器的功能：搭建網站（互聯網企業(yè)常見應用）等應用服務所使用的機器，相對于其他臺式機電腦、筆記本電腦來說，使用服務器更加穩(wěn)定可靠，硬件有7*24小時的持續(xù)運行能力。

0.2.2.2 服務器的尺寸

就像筆記本電腦的顯示器按照屏幕大小分為14英寸、15.6英寸等一樣，服務器也是有尺寸的，這個尺寸一般用來描述服務器的高度，即（U）（如圖0-4所示）。

圖0-4 Dell 4U服務器的背面

服務器的尺寸是按U計算的。1U服務器表示服務器的高度是4.45cm（1.75英寸）。

如圖0-5所示，服務器的內部結構和臺式電腦大同小異，基本零部件與臺式電腦一樣必須要有，例如：CPU處理器、內存、硬盤，所不同的是，服務器可以容納的CPU處理器數量更多，風扇也更多，可插拔的數量也可以多很多，在后文為大家詳細講解服務器的內部組件。

圖0-5 Dell 2U服務器的內部結構

關于服務器，如有不了解或者存在疑問的地方，可以咨詢相關的服務器銷售人員，他們一定會很樂意回答。

0.2.3 服務器按外形分類0.2.3.1 機架式服務器

機架式服務器的外形看起來不像計算機，而像“抽屜”（如圖0-6所示），有1U（1U=1.75英寸=44.45毫米）、2U、4U等規(guī)格。機架式服務器一般安裝在標準的19英寸機柜里面，是工作中使用最多的服務器類型。

圖0-6 2U機架式服務器外形

0.2.3.2 刀片服務器

刀片服務器的外觀類似一個箱子里擺放整齊的書（如圖0-7所示）。

所謂刀片服務器（準確地說應叫刀片式服務器），是指在標準高度的機架式機箱內插裝多個卡式服務器單元，以實現高可用行和高密度。每一塊“刀片”實際上就是一塊系統主板。它們可以通過“板載”硬盤啟動自己的操作系統，如Windows8/10、Linux等，類似于一個個獨立的服務器。在這種模式下，每一塊母板運行自己的系統，服務于指定的不同用戶群，相互之間沒有關聯，因此相對于機架式服務器和機柜式服務器，單片母板的性能較低。不過，管理員可以使用系統軟件將這些母板集合成一個服務器集群。在集群模式下，所有的母板都可以連接起來，從而提供高速的網絡環(huán)境，并且它們會共享資源，為相同的用戶群服務。在集群中插入新的“刀片”即可提高整體性能。而由于每塊“刀片”都是熱插拔的，所以，系統可以輕松地進行替換，并且將維護時間減少到最小。

圖0-7 刀片式服務器

0.2.3.3 塔式服務器--更強壯的計算機

塔式服務器（Tower Server）應該是最容易理解的一種服務器結構類型，因為它的外形及結構都跟立式PC差不多（如圖0-8所示）。當然，由于服務器的主板擴展性較強，插槽也多出了若干個，所以外觀會比普通主板大一些，因此塔式服務器的主機機箱也比標準的ATX機箱更大，一般都會預留足夠的內部空間以便日后進行硬盤和電源的冗余擴展。但這種類型服務器也有不少局限性，比如，在需要采用多臺服務器同時工作以滿足較高的服務器應用需求時，由于某個體比較大，占用空間多，也不方便管理，所以會顯得很不適合。

圖0-8 塔式服務器的外部結構

0.3 互聯網公司的服務器品牌

國內互聯網公司使用的服務器品牌很多，從筆者及同行和學員從事的互聯網公司來看，DELL品牌的服務器是最多的，也是性價比較高的，下面把筆者比較了解的品牌整理一個簡表，見表0-2.

表0-2 服務器品牌簡表

服務器品牌

說明

DELL戴爾服務器

互聯網公司應用最廣

HP惠普服務器

部分互聯網公司應用

IBM服務器

較高端的服務器，有些傳統大型企業(yè)會用，百度也在使用IBM服務器

浪潮

國產服務器，傳統企業(yè)、學校用

華為

國產服務器

聯想

國產服務器，用戶較廣、雜

需要說明的是，現在越來越多的企業(yè)直接購買云服務器了，因此，服務器硬件也逐漸的落寞。隨著云的發(fā)展，中小企業(yè)直接購買硬件的機會越來越少了，各類硬件工程師的崗位和前景越來越不明朗了，建議這部分人群加速轉行到Linux運維或者Python開發(fā)領域（在這兩個領域，他們之前用到的技術都可以疊加到Linux運維商。

0.4 服務器品牌詳解及對應型號0.4.1 Dell服務器

如表0-3所示的是Dell服務器生產與使用的時間，以及對應的U數，讀者可以參考。

表0-3 Dell服務器生產與使用的時間及對應的U數

主流應用時間段

1U的主流型號

2U的主流型號

2010年以前

1850、1950

2850、1950

2010~2013年

R410、R610

R710

2014~2016年

R420/430 R620/630

R720/730

2017-2018年

R440 R640

R740

提示：以Dell機架式服務器為例，R2X0到R6X0基本都是1U的，R7X0或R8X0是2U的，R9X0是4U的。其中，"X"表示1-3這幾個數字，個別可以有4。 下面推薦一些查詢DELL服務器配置的方式：

DELL服務器的配置官網：www.dell.com/zh-cn/work/…。中關村在線：rver.zol.com.cn/。咨詢服務器的銷售人員。圖0-9至圖0-12以Dell R720 2U 服務器為例說明了服務器外部結構。

圖0-9 Dell R720服務器常用接口說明

圖0-10 Dell R720液晶屏幕顯示IP地址

圖0-11 Dell R720正面圖

圖0-12 Dell R720正面加上蓋子后的圖

0.4.2 IBM服務器

IBM服務器的型號及對應的U數見表0-4.

表0-4 IBM服務器型號及對應的U數

服務器尺寸

服務器型號

1U

3550/M3 3550/M5

2U

3650/M3/M4/M5

4U

3850

8U

3950

IBM服務器質量好，但價格貴，互聯網公司不太常用，僅作了解即可。

目前來看，“IOE”代表了全球三個領域里最好的品牌，即IBM服務器、Oracle（甲骨文數據庫）和Emc（存儲廠商設備），但互聯網公司從2010年起就在提倡去IOE，代表企業(yè)為阿里巴巴集團，企業(yè)去IOE的本質是企業(yè)變大以后，購買IOE的成本開銷會成倍增加，而且IOE的設備都是黑盒運行，并不能為企業(yè)完全掌控，受限于廠商。

0.5 服務器（電腦）核心零部件介紹

圖0-13為拆開蓋子后的Dell服務器內部結構圖，讀者可以通過此圖了解下Dell服務器的內部結構信息，其中對相關區(qū)域做了簡單標記。

圖0-13 Dell服務器的內部結構圖

0.5.1 電源

電源相當于人體的心臟，需保障電力供應，如果要買服務器，請選擇質量好的電源。

在生產中，若是單個服務器負責核心業(yè)務，那么最好使用雙電源，分別接機房A、B線路。如果服務器是集群中的一臺（若干機器做一件事），那么可以不用雙電源。除此之外，運維工作就不用過多考慮電源的其他問題了。

電源的代表圖片見圖0-14和圖0-15.

圖0-14 Dell服務器可插拔電源的“苗條”和“富態(tài)”兩種外形

圖0-15 臺式電腦和筆記本電腦的電源

0.5.2 CPU處理器

CPU處理器相當于人體的大腦，負責整個計算機的運算和控制，是影響服務器性能效率的最核心部件（如圖0-16所示）。

CPU常見的種類分為精簡指令集和復雜指令集兩類，具體說明如下。

精簡指令集的CPU設計代表有SUN公司的SPARC系列和ARM系列等，這類CPU的設計特點是指令集精簡，每個指令執(zhí)行的時間很短，操作很簡單、效率較高。

圖0-16 CPU外形示例

復雜指令集的設計代表有大家熟知的Intel志強系列（XEON）（應用廣泛）和AMD系列（應用不多）等，。這類CPU的設計特點是指令數量多、指令集復雜，且執(zhí)行的時間較長，但能處理的事物更多、更豐富。

Intel、AMD被稱為x86架構的CPU，主要用于PC或DELL等常見品牌的系列服務器上。

服務器CPU的顆數，我們稱為路數。例：DELL R630雙路1U服務器、DELL R720雙路2U服務器、DELL R830四路2U服務器。

CPU一般通過頻率吉赫茲（GHz）表示性能的好壞，頻率越高速度越快，簡單的說，CPU頻率就是用來表示CPU每秒鐘工作次數的，例如筆者所用電腦的CPU是：Intel(R) Core(TM) I7-6700HQ CPU @ 2.60GHz (8 CPUs)， ~2.6Hz。

企業(yè)級常見的物理服務器配置包括如下兩種。

一般企業(yè)里的服務器，CPU個（顆）數為24顆，單個（顆）CPU是四核。內存總量一般是16256GB（32GB、64GB較常見）。用于虛擬化的宿主機（例如，應用vmware（虛擬化軟件）、KVM的主機），CPU顆數可達4-8顆，內存總量一般48GB128GB，常規(guī)企業(yè)可以同時啟動610個虛擬機，甚至更多，主要是根據業(yè)務需求決定虛擬機的配置大小。

圖0-17 服務器CPU風扇

CPU長時間運行會發(fā)熱，因此需要有降溫的設備，即CPU風扇或散熱片（如圖0-17和圖0-18所示），散熱片主要是金屬銅或者鋁制的，目的是將熱量快速傳導出去。

在企業(yè)級系統運維中，選擇CPU硬件配置，以及監(jiān)測和優(yōu)化服務器系統CPU性能，是運維人員的常見工作之一。CPU的優(yōu)化是一個復雜的工作，需要長期的實踐和反復觀察，由于這部分內容難度很大且復雜，筆者在后期出版的系列高級技術圖書中會加重筆墨，讀者可以重點關注。

圖0-18 服務器CPU上附帶的散熱片以及翻開的CPU圖片示意圖

0.5.3 內存

內存（RAM）是CPU和磁盤之間的緩沖設備（如圖0-19所示），是臨時存儲器（用于存放數據），若斷電，數據就會丟失。

圖0-19 服務器內存展示

程序運行的時候，一般會被調度到內存中執(zhí)行，服務器關閉或程序關閉之后，數據自動從內存中釋放掉。

0.5.3.1 程序和進程的基本概念

這里簡單介紹下程序和進程的區(qū)別，具體見表0-5.

表0-5 程序、進程、守護進程間的區(qū)別

例稱

實際名稱

實際含義說明

影片

程序

C/Python/Java,代碼文件

放片

進程

正在運行的各類程序（放在內存里執(zhí)行）

沒完沒了地放片

守護進程

持續(xù)保持運行著的程序

0.5.3.2 企業(yè)案例：提升用戶體驗的網站解決方案

（1）門戶（大網站）極端案例：大并發(fā)寫入案例（搶紅包、微博）

遇到高并發(fā)、大數據量“寫”數據的極端情況時，系統會將數據先寫到內存中，在數據積累了一定的量后，再定時或者定量地寫到磁盤中以減輕磁盤的壓力，減少磁盤I/0（Input/Output，磁盤的輸入/輸出），最終再將數據加載到內存中以對外提供訪問，目的還是減輕對磁盤的訪問壓力，相關流程如圖0-20所示。

高并發(fā)數據存儲方式

圖0-20 企業(yè)高并發(fā)業(yè)務寫入流程圖

這種狀況的特點具體如下。

優(yōu)點是寫數據到內存時，性能高，速度快（適用于微博，微信，SNS（社交網），秒殺等場景）。缺點是可能會丟失一部分在內存中還沒有來得及存入磁盤的數據。解決數據丟失的方法具體如下。在服務器主板上安裝蓄電池，在斷電后宕機前瞬間將內存數據回寫到磁盤。UPS（一組蓄電池）不間斷供電（IDC數據中心機房一般都會用UPS持續(xù)供電）。UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply） ，即不間斷電源，是將蓄電池（多為鉛酸免維護蓄電池）與主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成市電的系統設備。選雙路電的機房，使用雙電源、分別接不同路的電，以及服務器放到不同的機柜中，將企業(yè)業(yè)務放置到不同的地區(qū)（異地）。柴油發(fā)電機+池罐，機房一般會與附近的加油站簽訂緊急供油協議。

（2）中小型企業(yè)案例

對于并發(fā)訪問（可簡單理解為同時訪問數量）不是很大、數據量也不是特別大的網站，若是業(yè)務讀多寫少，則會先將數據寫入到磁盤中，然后通過程序把寫到磁盤的數據讀入到內存中，再對外通過讀取內存提供訪問服務（如果0-21所示）。絕大多數企業(yè)的業(yè)務邏輯還是讀請求（例如：瀏覽頁面）多于寫請求（例如：寫文章、發(fā)朋友圈）。

低并發(fā)數據存儲方式

圖0-21 中小型企業(yè)訪問量低的讀寫流程示意

注意： 用于99%的網站以及企業(yè)業(yè)務都是以讀取為主，寫入為輔的，讀寫比例一般可能大于10:1，所以并發(fā)寫入一般都不是大問題。這里提到的把數據寫入內存一般是由Memcached或Redis等高效的內存級別軟件來實現的，各類關系型數據庫一般也都提供了讀寫緩存的功能。

0.5.3.3 企業(yè)Linux面試題：計算機操作系統中緩沖區(qū)（buffer）和緩存區(qū)（cache）什么區(qū)別？

對于新手，可參考如下說明來理解或解答。

（1）緩沖區(qū)（buffer）

將數據寫入內存，這個數據的內存空間在Linux系統里一般被稱為緩沖區(qū)（buffer），例如，寫入到內存緩沖區(qū)，即寫緩沖。

為了提高寫操作性能，數據在寫入最終介質或下一層級介質之前會合并放入緩沖區(qū)中。這樣會增加數據持久寫的延時，因為第一次寫入緩沖區(qū)后，在向下寫入數據之前，還要等待后續(xù)的寫入，以便湊夠數據或者定時寫入到永久存儲介質中。

（2）緩存區(qū)（cache）

從內存里讀取數據，這個存數據的內存空間在Linux系統里一般稱為緩存區(qū)（cache），例如，從內存緩存區(qū)讀取，即讀緩存。

操作系統用緩存緩存提高文件系統的讀性能和內存分配性能，應用程序使用緩存也是為了提升讀訪問效率。將經常訪問的操作結果保存在緩存中可備隨時使用，而非總是執(zhí)行讀磁盤以獲取數據等開銷較高的操作。

記住一句話：緩存無處不在，無論是電腦硬件、操作系統，還是企業(yè)網站集群及其他業(yè)務系統！

0.5.4 磁盤0.5.4.1 磁盤基礎知識

磁盤 是永久存放數據的存儲器（如圖0-22、圖0-23和圖0-24所示），不過，磁盤上也是有緩存的（芯片）。

圖0-22 有不同接口類型的硬盤圖

圖0-23 企業(yè)級硬盤外觀與硬盤架子及SSD硬盤外觀

圖0-24 企業(yè)級硬盤從服務器插拔瞬間

常用的磁盤（硬盤）都是3.5英寸的，常規(guī)的機械硬盤，讀取（性能不高）性能比內存差很多，所以，在企業(yè)中，我們才會將大量的數據緩存到內存中，寫入到緩沖區(qū)中，這是當今互聯網網網站必備的解決網站訪問速度慢的方案。

磁盤的接口包括IDE、SCSI、SAS、SATA等種類，其中IDE、SCSI已退出歷史舞臺。

磁盤的類型又分為機械磁盤和SSD固態(tài)硬盤兩種。

性能與價格排序（從高到低）：SSD（固態(tài)硬盤）>SAS>SATA。

0.5.4.2 磁盤的相關的單位

現在生產的單塊磁盤容量越來越大，體積卻越來越小，速度也越來越快，其中，常見的有300GB、600GB、1TB、3TB、4TB等規(guī)格。

注意：對于工業(yè)級（企業(yè)級）硬盤計算：以1000為單位進行換算，即1TB=1000GB。有關數據單位的換算，見0.7.3節(jié)。

0.5.4.3 計算機與服務器各硬件I/0對比

I/O即input/output 輸入/輸出，一般翻譯為讀寫。衡量磁盤讀寫速度的單位是iops，即 input/output per cond（每秒的輸入輸出）。

1s=1000ms（毫秒）=1000 000us（微秒）=1000 000 000ns（納秒）

通過圖0-25不難發(fā)現，CPU速度最快，其次是內存，最慢的就是硬盤和網卡了，圖0-25可以幫助讀者理解不同設備的性能差距，將來做運維工作的時候，可從速度慢、瓶頸大的進行改進和轉化。

0.5.4.4 小結

圖0-25 計算機各級設備I/O性能基本對比

企業(yè)級硬盤適合7*24小時持續(xù)使用，一般較貴，和筆記本電腦以及家用臺式機電腦的硬盤有區(qū)別（工業(yè)級和家用）。對于企業(yè)高并發(fā)網站來講，系統都會盡量讓用戶從內存中讀取數據，而不是硬盤。企業(yè)運維和架構師做網站優(yōu)化，以及服務器、軟件優(yōu)化的核心本質，幾乎都是在調整硬盤和內存之間的使用比例。圖0-26所示的是緩存在服務器各硬件之間的速度和大小對比另類維度圖解，從上到下由高速到低速，容量從小到大。