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