Linux 磁盘管理之磁盘理论篇

磁盘简介作用： 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最新版本

由多个相关的标准组成，不再是一个大文件

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

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-1

SCSI-2

SCSI-3

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

IOPSIOPS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IOPSIOTime = 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)IOPS4K524K/40MB = 0.17.1140

8K528K/40MB = 0.27.2139

16K5216K/40MB = 0.47.4135

32K5232K/40MB = 0.87.8128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原理耗电量更小

散热小

噪音小

使用flash 技术存储信息

内部没有机械结构

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 | 500010,000 | 低

TLC | 大 | 5001,000 | 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