Linux 磁盤管理之磁盤理論篇

linux 磁盤管理之磁盤理論篇

磁盤簡介

機械硬盤

常用總線協議/磁盤類型

SCSI協議

并行SCSI 的演變

SCSI-3 架構

SCSI 協議模型

SCSI 協議尋址

ATA 和 SATA

Serial Attached SCSI（串行 SCSI 協議）

I/O（Input/Ouput）操作

尋道時間

旋轉時延

數據傳輸時延

IOPS

帶寬（Throughput）

利用率和響應時間

固態硬盤

SLC-MLC-TLC

固態硬盤的磨損

固態硬盤結構

SDD 性能優勢

SSD 功耗優勢

Time: 2020-05-25

Auth: 若塵

linux 磁盤管理之磁盤理論篇

磁盤簡介

作用： 用來存放數據（二進制方式來管理數據）

分類

機械硬盤

固態硬盤

機械硬盤組成

盤片： 上面布滿磁性顆粒，保存寫入數據

主軸： 帶動盤片轉動，轉到磁頭的下方

讀/寫磁頭： 負責數據的讀寫

磁頭臂： 帶動磁頭，將磁頭移動到指定位置

控制電路： 控制硬盤的速度，磁頭臂的移動等等

機械磁盤的屬性

磁道： 盤片圍繞在主軸周圍的同心環，編號由外至內從0累加

扇區： 磁道上被分成的更小的單位，也是磁盤中保存數據最小的存儲單元，一般大小為512k，也有更大的扇區4K

柱面： 在同一個磁盤中，所有盤片相同位置編號的磁道形成的一個圓柱

機械磁盤工作方式

主軸帶動盤片做圓周運動，磁頭臂帶動磁頭直徑運動

機械硬盤

常用總線協議/磁盤類型

SCSI（Small Computer System Interface，小型計算機系統接口）最初是一種為了小型機研制的接口技術，用于主機與外部設備之間的連接（最多可以連接16個設備）

SCSI 協議是主機與存儲磁盤通信的基本協議

DAS 使用SCSI 協議實現主機服務器與存儲設備的互連

（1981年）最初由 Shugart Associates、 NCR開發，名字為SASI

ANSI 承認其為工業標準

SCSI 的版本

SCSI-1

定義了線纜長度，信號特征，命令和傳輸模式

使用8 位窄總線，最大傳輸率為 5MB/s

SCSI-2

定義了通用命令集（Common Command Set， 簡稱CCS）

提高了性能，可靠性，新增了一些特性

SCSI-3

SCSI最新版本

由多個相關的標準組成，不再是一個大文件

SCSI命令協議（應用層）

各類型設備通用的主要命令

傳輸層協議

設備間互連和信息共享的標準規則，scsi-3、fc等等

物理層互連

接口細節： 比如電信號傳輸方法和數據傳輸模式

主機到存儲磁盤間的通信由啟動器發起，由目標器接收和處理

總線號： 區分不同的SCSI 總線

設備ID： 區分SCSI 總線上不同的設備

邏輯單元號： 區分SCSI 設備中的子設備

高級技術附件（Advanced Technology Attachment）是上世紀90 年代桌面機標準

采用可編程IO 技術，速度和智能性不高

SATA（Serial Advanced Technology Attachment）是ATA 技術的升級版本，曾是桌面電腦ATA 接口硬盤的主要替代技術

因容量大，價格便宜，在企業級服務器和存儲系統中曾廣泛的被使用

現在多被更加智能的NL-SAS 接口的硬盤替代

在企業級存儲系統中，SAS（Serial Attached SCSI）接口已經取代并行連接SCSI 和 SATA 接口

特點

采用點對點連接方式

高帶寬（300M/s，600M/s）

效率高

支持熱插拔

I/O（Input/Ouput）操作

單個IO

操作系統內核發出一個讀IO命令，當控制磁盤的控制器接到這個指令后，控制器會給磁盤發送一個讀數據的指令，并同時將要讀取數據塊的地址傳送給磁盤，然后硬盤讀取數據傳送給控制器，并由控制器返回給操作系統，完成一個IO操作

讀寫IO

寫磁盤為寫IO，讀數據為讀IO

隨機訪問(Random Access) 與連續訪問(Sequential Access)： 由當此IO 給出的扇區地址與上次IO 結束的扇區地址相差得是否較大決定

順序IO模式(Queue Mode)/并發IO模式(Burst Mode): 由磁盤組一次能執行的IO 命令個數決定

完整的IO操作

當控制器對硬盤發出一個IO操作指令的時候，磁盤的磁頭臂帶動讀寫磁頭離開著陸區，然后移動到要操作初始數據塊所在的磁道正上方，此過程為尋道，消耗的時間為尋道時間

磁頭等到盤片旋轉到初始數據塊所在扇區的正上方，此時才能進行數據的讀取，這個過程稱之為旋轉時間

然后讀取相應數據，直到完成這次IO所操作的全部數據，這個過程所花費的時間稱之為數據傳送時間

尋道時間

全程尋道時間： 磁頭橫跨整個磁盤的寬度所用的時間（著陸區 --> 最外層0磁道）

平均尋道時間： 一般為全程尋道時間的1/3

道間尋道時間： 磁頭在相鄰磁道之間所用的時間

旋轉時延

決定于主軸的轉動速度

平均旋轉動延遲： 完全旋轉用時的一半

5400 rpm的磁盤平均旋轉時延： 5.5ms

15000 rpm的磁盤的平均旋轉時延： 2.0ms

數據傳輸時延

數據傳輸時延決定于數據傳輸速度，即單位時間內傳輸的數據量

內部傳輸速度： 數據從盤片扇區上傳送到硬盤上的內部緩存的速度

外部傳輸速度： 接口的標稱速度

IOPS

IOPS是IO系統每秒所執行IO操作的次數，是一個重要的用來衡量系統IO能力的參數，對于單個磁盤，計算其完成一次IO所需要的時間來推算其IOPS

IOTime = 尋道時間 + 60s/轉速/2 + IOChunkSize/傳輸速度

IOPS = 1/IOTime = 1 / (尋道時間 + 60s/轉速/2 + IOChunkSize/傳輸速度)

當單次IO越小的時候，單次IO所耗費的時間也越少，相應的IOPS也就越大

帶寬（Throughput）

帶寬是指磁盤在實際使用的時候從磁盤系統總線上流過的數據量，也稱為磁盤的實際傳輸速率

帶寬 = IOPS * IO大小

利用率和響應時間

固態硬盤

價格逐漸下降，容量越來越大，固態硬盤（SSD）變得越來越流行

SSD原理

使用flash 技術存儲信息

內部沒有機械結構

耗電量更小

散熱小

噪音小

基于SSD的使用頻率，其使用壽命有限

SSD的3中主要的類型

SLC（Single Level Cell）： 單層式存儲單元

MLC（Multi Level Cell）： 多層式存儲單元

TLC（Triple Levle Cell）： 三層式存儲單元

SLC-MLC-TLC

在SLC 中，每個存儲單元(cell)只存1bit數據： 0或1

在MLC 中，每個存儲單元(cell)可存2bit數據： 00, 01, 10, 11

在TLC 中，每個存儲單元(cell)可存3bit數據： 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111

固態硬盤的磨損

對SSD 盤的可靠性影響最大的其抗磨損能力，即其cell能被擦寫的次數

企業級的SCL、MLC和TLC 在抗磨損方面的區別明顯

固態硬盤結構

無高速旋轉部件，性能高、功耗低

多通道并發，通道內Flash顆粒復用時許

支持TCQ/NCQ，一次響應多個IO請求

典型響應時間低于0.1ms

SDD 性能優勢

響應時間短

機械硬盤的機械特性導致大部分時間浪費在尋道和機械延遲上，數據傳輸效率收到嚴重制約

讀寫效率高

機械硬盤在進行隨機讀寫曹祖時，磁頭不停的移動，導致讀寫效率低下

而SSD 通過內部控制器計算出數據的存放位置，直接進行存取操作，故效率高

SSD 功耗優勢

Linux TCP/IP

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