Time: 2020-05-25
Auth: 若尘

Linux 磁盘管理之磁盘理论篇

磁盘简介

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• 作用： 用来存放数据（二进制方式来管理数据）
• 分类
  • 机械硬盘
  • 固态硬盘
• 机械硬盘组成
  • 盘片： 上面布满磁性颗粒，保存写入数据
  • 主轴： 带动盘片转动，转到磁头的下方
  • 读/写磁头： 负责数据的读写
  • 磁头臂： 带动磁头，将磁头移动到指定位置
  • 控制电路： 控制硬盘的速度，磁头臂的移动等等
• 机械磁盘的属性
  • 磁道： 盘片围绕在主轴周围的同心环，编号由外至内从0累加
  • 扇区： 磁道上被分成的更小的单位，也是磁盘中保存数据最小的存储单元，一般大小为512k，也有更大的扇区4K
  • 柱面： 在同一个磁盘中，所有盘片相同位置编号的磁道形成的一个圆柱
• 机械磁盘工作方式
  • 主轴带动盘片做圆周运动，磁头臂带动磁头直径运动

机械硬盘

常用总线协议/磁盘类型

SCSI协议

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• SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）最初是一种为了小型机研制的接口技术，用于主机与外部设备之间的连接（最多可以连接16个设备）
• SCSI 协议是主机与存储磁盘通信的基本协议
• DAS 使用SCSI 协议实现主机服务器与存储设备的互连

并行SCSI 的演变

• （1981年）最初由 Shugart Associates、 NCR开发，名字为SASI
• ANSI 承认其为工业标准
• SCSI 的版本
  • SCSI-1
    • 定义了线缆长度，信号特征，命令和传输模式
    • 使用8 位窄总线，最大传输率为 5MB/s
  • SCSI-2
    • 定义了通用命令集（Common Command Set， 简称CCS）
    • 提高了性能，可靠性，新增了一些特性
  • SCSI-3
    • SCSI最新版本
    • 由多个相关的标准组成，不再是一个大文件

SCSI-3 架构

• SCSI命令协议（应用层）
  • 各类型设备通用的主要命令
• 传输层协议
  • 设备间互连和信息共享的标准规则，scsi-3、fc等等
• 物理层互连
  • 接口细节： 比如电信号传输方法和数据传输模式

SCSI 协议模型

• 主机到存储磁盘间的通信由启动器发起，由目标器接收和处理

SCSI 协议寻址

• 总线号： 区分不同的SCSI 总线
• 设备ID： 区分SCSI 总线上不同的设备
• 逻辑单元号： 区分SCSI 设备中的子设备

ATA 和 SATA

• 高级技术附件（Advanced Technology Attachment）是上世纪90 年代桌面机标准
  • 采用可编程IO 技术，速度和智能性不高
• SATA（Serial Advanced Technology Attachment）是ATA 技术的升级版本，曾是桌面电脑ATA 接口硬盘的主要替代技术
  • 因容量大，价格便宜，在企业级服务器和存储系统中曾广泛的被使用
  • 现在多被更加智能的NL-SAS 接口的硬盘替代

Serial Attached SCSI（串行 SCSI 协议）

• 在企业级存储系统中，SAS（Serial Attached SCSI）接口已经取代并行连接SCSI 和 SATA 接口
• 特点
  • 采用点对点连接方式
  • 高带宽（300M/s，600M/s）
  • 效率高
  • 支持热插拔

I/O（Input/Ouput）操作

• 单个IO
  • 操作系统内核发出一个读IO命令，当控制磁盘的控制器接到这个指令后，控制器会给磁盘发送一个读数据的指令，并同时将要读取数据块的地址传送给磁盘，然后硬盘读取数据传送给控制器，并由控制器返回给操作系统，完成一个IO操作
• 读写IO
  • 写磁盘为写IO，读数据为读IO
• 随机访问(Random Access) 与连续访问(Sequential Access)： 由当此IO 给出的扇区地址与上次IO 结束的扇区地址相差得是否较大决定
• 顺序IO模式(Queue Mode)/并发IO模式(Burst Mode): 由磁盘组一次能执行的IO 命令个数决定
• 完整的IO操作
  • 当控制器对硬盘发出一个IO操作指令的时候，磁盘的磁头臂带动读写磁头离开着陆区，然后移动到要操作初始数据块所在的磁道正上方，此过程为寻道，消耗的时间为寻道时间
  • 磁头等到盘片旋转到初始数据块所在扇区的正上方，此时才能进行数据的读取，这个过程称之为旋转时间
  • 然后读取相应数据，直到完成这次IO所操作的全部数据，这个过程所花费的时间称之为数据传送时间

寻道时间

• 全程寻道时间： 磁头横跨整个磁盘的宽度所用的时间（着陆区 --> 最外层0磁道）
• 平均寻道时间： 一般为全程寻道时间的1/3
• 道间寻道时间： 磁头在相邻磁道之间所用的时间

旋转时延

• 决定于主轴的转动速度
• 平均旋转动延迟： 完全旋转用时的一半

5400 rpm的磁盘平均旋转时延： 5.5ms
15000 rpm的磁盘的平均旋转时延： 2.0ms

数据传输时延

• 数据传输时延决定于数据传输速度，即单位时间内传输的数据量
• 内部传输速度： 数据从盘片扇区上传送到硬盘上的内部缓存的速度
• 外部传输速度： 接口的标称速度

IOPS

• IOPS是IO系统每秒所执行IO操作的次数，是一个重要的用来衡量系统IO能力的参数，对于单个磁盘，计算其完成一次IO所需要的时间来推算其IOPS
  • IOTime = 寻道时间 + 60s/转速/2 + IOChunkSize/传输速度
  • IOPS = 1/IOTime = 1 / (寻道时间 + 60s/转速/2 + IOChunkSize/传输速度)

单个IO大小	寻道时间(ms)	旋转延迟(ms)	c传输时延(ms)	IO服务时间(ms)	IOPS
4K	5	2	4K/40MB = 0.1	7.1	140
8K	5	2	8K/40MB = 0.2	7.2	139
16K	5	2	16K/40MB = 0.4	7.4	135
32K	5	2	32K/40MB = 0.8	7.8	128

• 当单次IO越小的时候，单次IO所耗费的时间也越少，相应的IOPS也就越大

带宽（Throughput）

• 带宽是指磁盘在实际使用的时候从磁盘系统总线上流过的数据量，也称为磁盘的实际传输速率
  • 带宽 = IOPS * IO大小

利用率和响应时间

固态硬盘

• 价格逐渐下降，容量越来越大，固态硬盘（SSD）变得越来越流行
• SSD原理
  • 使用flash 技术存储信息
  • 内部没有机械结构
    • 耗电量更小
    • 散热小
    • 噪音小
• 基于SSD的使用频率，其使用寿命有限
• SSD的3中主要的类型
  • SLC（Single Level Cell）： 单层式存储单元
  • MLC（Multi Level Cell）： 多层式存储单元
  • TLC（Triple Levle Cell）： 三层式存储单元

SLC-MLC-TLC

• 在SLC 中，每个存储单元(cell)只存1bit数据： 0或1
• 在MLC 中，每个存储单元(cell)可存2bit数据： 00, 01, 10, 11
• 在TLC 中，每个存储单元(cell)可存3bit数据： 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111

固态硬盘的磨损

• 对SSD 盘的可靠性影响最大的其抗磨损能力，即其cell能被擦写的次数
• 企业级的SCL、MLC和TLC 在抗磨损方面的区别明显

类型	容量	可擦写次数	单位容量价格
SLC	小	约100,000	高
eMLC(企业级别)	中等	约30,000	中等
cMLC(消费者)	中等	5000~10,000	低
TLC	大	500~1,000	很低

固态硬盘结构

• 无高速旋转部件，性能高、功耗低
• 多通道并发，通道内Flash颗粒复用时许
• 支持TCQ/NCQ，一次响应多个IO请求
• 典型响应时间低于0.1ms

SDD 性能优势

• 响应时间短
  • 机械硬盘的机械特性导致大部分时间浪费在寻道和机械延迟上，数据传输效率收到严重制约
• 读写效率高
  • 机械硬盘在进行随机读写曹祖时，磁头不停的移动，导致读写效率低下
  • 而SSD 通过内部控制器计算出数据的存放位置，直接进行存取操作，故效率高

SSD 功耗优势