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Linux 入门篇 —— Linux 磁盘管理之磁盘理论篇

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发布于: 2021 年 03 月 01 日
Linux入门篇 —— Linux 磁盘管理之磁盘理论篇

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-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



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