華為存儲學習筆記-存儲組件（2）

• 機械硬盤
• • 硬盤結構組件
  • 機械硬盤工作原理
  • 硬盤上的數據組織
  • 硬盤容量
  • 影響硬盤性能的因素
  • 平均訪問時間
  • 數據傳輸速率
  • 硬盤的IOPS和傳輸帶寬
  • 數據傳輸方式
  • 硬盤接口技術

機械硬盤

硬盤結構組件

• 盤片：盤片被磁性材料覆蓋（兩個表面都涂覆磁性材料），盤片上的磁性粒子被極化以表示一個二進制信息單元（或比特）。
• 讀/寫磁頭：負責向盤片讀取和寫入數據。通過磁頭改變盤片表面上極細微的磁性粒子簇的N、S極性加以儲存。
• 磁頭臂：帶動讀/寫磁頭，將磁頭移動到指定的位置。
• 主軸：馬達電機和軸承在其下方，轉動盤片，將盤片上的指定位置移動到讀/寫磁頭下。
• 控制電路：控制硬盤的速度、磁頭臂的移動，向磁頭下發命令等。

機械硬盤工作原理

硬盤的每個盤片都有兩個讀寫磁頭，分別用于盤片的兩個表面的數據的讀寫。

磁頭是利用氣流飄浮在盤片上，并沒有接觸到盤片，因而可以在各軌間高速來回移動。若磁頭距離盤片太高，則讀取的信號會太弱，若距離太低則會磨到盤片表面，因此盤片表面必須相當光滑平整，任何異物和塵埃均會使得磁頭摩擦到磁面而造成數據永久性損壞。

工作原理：

• 起初，讀/寫磁頭停靠在盤片在主軸附件的一個特殊區域，啟停區；
• 主軸連接所有盤片，并連接到一個馬達上。主軸電機以恒定的速度旋轉，帶動盤片旋轉；
• 主軸旋轉時，讀/寫磁頭和盤片間有個很微小的空氣間隙，稱磁頭飛行高度；
• 讀/寫磁頭被安裝在磁頭臂頂端，磁頭臂帶動磁頭移動到需要被寫入或取出數據的盤片位置上方；
• 磁頭在硬盤表面以二進制的形式讀寫數據，讀取的數據儲存在硬盤的flash芯片中，最后傳到程序中運行。

硬盤上的數據組織

• 盤面：硬盤的每一個盤片都有兩個盤面，每個盤面都能存儲數據，成為有效盤片。每一個有效盤面都有一個盤面號，按從上到小的順序從0開始依次編號。在硬盤系統中，盤面號又叫磁頭號，因為每一個有效盤面都有一個對應的讀寫磁頭。
• 磁道（Track）：磁道是在盤片上圍繞在主軸周圍的同心環，數據被記錄在磁道上。磁道從最外圈向內圈從0開始順序編號。硬盤的每一個盤面有300~1024個磁道，新式大容量硬盤每面的磁道數更多，通常用盤片上每英寸的磁道數（TPI，也稱磁道密度）來衡量盤片上磁道排列的緊密程度。磁道是肉眼看不見的，只是盤面上以特殊形式磁化了的一些磁化區。
• 柱面（Cylinder）：在同一個硬盤中所有盤片（包含上下兩個盤面）具有相同編號的磁道形成一個圓柱，稱之為硬盤的柱面。每個柱面上的磁頭由上而下從0開始編號，數據的讀寫按柱面進行，即磁頭讀寫數據時先在同一柱面內從0磁頭開始進行操作，依次往下在同一柱面的不同盤面（即磁頭）上進行操作。只有同一柱面所有的磁頭全部讀寫完成后磁頭才轉移到寫一個柱面，因為選取磁頭只需通過電子切換即可，而選取柱面側必須通過機械切換，即尋道。通常硬盤中磁頭的位置由柱面號來說明，而不是用磁道號來說明。
• 扇區（Sector）：每個磁道被分為更小的單位，稱為扇區，劃分扇區的目的是為了使數據存儲更加條理化。扇區是硬盤中可以單獨尋址的最小存儲單元。不同硬盤磁道的扇區數可以不同。通常情況下，一個扇區可以保存512字節的用戶數據，但也有一些硬盤可以被格式化為更大的扇區大小，如4KB扇區。

硬盤容量

硬盤可以分為單碟盤和多碟盤，前者在盤體內只有一張盤片，后者則有多張。但是硬盤每個時刻只允許一個磁頭來讀寫數據，因此盤片和磁頭再多，也不能提高硬盤的吞吐量和IO性能，只能提高容量。

硬盤容量 = 柱面數磁頭數扇區數*扇區大小，單位為MB或GB，影響硬盤容量的因素有單碟容量和碟片數量。

由于CPU和硬盤之間存在巨大的速度差異，為解決硬盤在讀寫數據時CPU的等待問題，在硬盤上設置適當的高速緩存，以解決二者之間速度不匹配的問題，硬盤緩存與CPU上的高速緩存作用一樣，是為了提高硬盤的讀寫速度。

影響硬盤性能的因素

• 轉速：指硬盤盤片轉動圈數/分鐘，單位rpm。讀寫數據時，磁頭不會動，靠盤片的轉動來感應讀取數據，因此盤片轉得越快，數據傳輸時間就越短。在連續IO情況下，磁頭臂尋道次數少，因此要提高吞吐量或IOPS值，轉速就是首要影響因素。
• 尋道速度：隨機IO情況下，磁頭臂需要頻繁更換磁道，用于數據傳輸的時間相比較于換道消耗的時間來說是很少的，因此若磁頭臂能夠以很高的速度更換磁道，那么就會提升隨機IOPS值。
• 單碟容量：單碟容量越高，證明相同空間內的數據量越大，即數據密度越大。在相同轉速和尋道速度條件下，具有高數據密度的硬盤會顯示出更高的性能。
• 接口速度：目前的接口速度在理論上都已滿足硬盤所能達到的最高外部傳輸帶寬。在隨機IO環境下，接口速度顯得更加不重要，因此瓶頸幾乎都在尋道速度上。

平均訪問時間

• 平均尋道時間：指硬盤的磁頭從初始位置移動到盤面指定磁道所需的時間，是影響硬盤內部數據傳輸率的重要參數。這個時間越小越好。
• 平均等待時間：指磁頭已處于要訪問的磁道，等待所要訪問的扇區旋轉至磁頭下方的時間。平均等待時間通常為盤片旋轉一周所需時間的一半，因此硬盤轉速越快，等待時間就越短。

數據傳輸速率

數據傳輸速率：硬盤的數據傳輸率是指硬盤讀寫數據的速度。數據傳輸率包括外部數據傳輸率和內部數據傳輸率兩個指標，單位MB/s。

• 內部傳輸率：也稱為持續傳輸率（Sustained Transfer
  Rate），指磁頭讀寫硬盤時的最高速率。不包括尋道以及等待扇區旋轉磁頭下所耗費的時間的影響。它是一種理想情況，即假設磁頭讀寫的時候不需要換道，也不專門讀取某個扇區，只在一個磁道上連續的循環讀寫這個磁道的所有扇區，此時的速率就叫做硬盤的內部傳輸速率。
• 外部傳輸率：也稱為突發數據傳輸率（Burst Data Transfer Rate）或接口傳輸率。它指的是系統總線與硬盤緩沖區之間的數據傳輸率，與硬盤接口類型和硬盤緩存的大小有關。

硬盤的IOPS和傳輸帶寬

IOPS計算方法：由尋道時間、旋轉延遲和數據傳輸時間三部分構成。

• 尋道時間：尋道時間越短，I/O操作越快，目前硬盤的平均尋道時間一般在3-15ms。
• 旋轉延遲：指盤片旋轉將請求數據所在扇區移至度寫磁頭下方所需要的時間。旋轉延遲取決于硬盤轉速，通常使用硬盤旋轉一周所需時間的1/2表示。如7200rpm的硬盤平均旋轉延遲大約是60*1000/7200/2=4.17ms，而轉速為15000rpm的硬盤其平均旋轉延遲約2ms。
• 數據傳輸時間：指完成傳輸所請求的數據所需要的時間，它取決于數據傳輸率，其值等于數據大小除以數據傳輸率，比如IDE/ATA能達到133MB/s，SATA
  II可達到300MB/s的接口數據傳輸率。
• 隨機IO情況下，磁頭臂需要頻繁更換磁道，用于數據傳輸的時間相對于換道消耗的時間來說是很少的，不在同一個數量級上。因此可忽略數據傳輸時間。

理論上可以計算出硬盤的最大IOPS，即IOPS=1000ms/（尋道時間+旋轉延遲），忽略數據傳輸時間。如假設硬盤平均物理尋道時間為3ms，硬盤轉速為7200,10K，15K rpm，則硬盤的IOPS理論最大值分別為：140,167和200。

數據傳輸方式

并行傳輸：

• 并行傳輸的傳輸效率高，但是傳輸距離不長，傳輸頻率不高；
• 在長距離上，使用多條線路要比使用一條單獨線路昂貴；
• 長距離傳輸要求較粗的導線，以便降低信號的衰減，但把它們捆到一條單獨電纜中相當困難；
• 長距離傳輸時，受導線電阻或其他因素影響，每條線上的數據到達對方的速度不同，從而導致接收方必須等8條線上的所有數字都到達后，才能發起下一輪傳送。
• 傳輸頻率太高時，電路高速震蕩的時候，數據線之間會產生很大的干擾，因此并行傳輸的頻率不能太高。

串行傳輸：

• 串行傳輸在效率上顯然比并行傳輸低得多，但是可以通過提高傳輸頻率來搞傳輸速度，總體來說串行傳輸反而比并行傳輸的總體速率更快。
• 串行傳輸用于遠距離傳輸，目前如PCI接口都轉向串行傳輸方式。PCIE接口就是典型的串行傳輸方式，其單條線路傳輸速率高達2.5Gb/s。

硬盤接口技術

按接口將硬盤分為IDE、SCSI、SATA、SAS、FC硬盤等。該方式最常見，但是這種分類方式下硬盤的差別不只是接口，還有機械底盤。

IDE和SATA硬盤都采用ATA系的機械底盤，適用于單任務處理。

SCSI、SAS、FC硬盤都采用SCSI系的機械底盤，能更好地滿足服務器多任務的需要。

兩者對比：

• ATA系硬盤面對大數據吞吐量的服務時，速度不如SCSI系硬盤；
• 面對多任務數據讀取，硬盤磁頭頻繁來回擺動，導致硬盤過熱是ATA系硬盤比較嚴重的問題。
• SCSI系機械底盤可靠性比ATA系的機械底盤高。

IDE硬盤接口：

• ATA接口發展到今，推出多個不同版本，分別是：ATA-1（IDE）、ATA-2（EIDE Enhanced IDE/Fast
  ATA、ATA-3（FastATA-2）、ATA-4（ATA33）、ATA-5（ATA66）、ATA-6（ATA100）、ATA-7（ATA133）。
• ATA接口具有以下優缺點：
  ? 優點： 價格低廉、兼容性非常好；
  ? 缺點： 速度慢、只能內置使用、對接口電纜的長度有很嚴格的限制

SATA硬盤接口：

• 在數據傳輸的過程中，數據線和信號線獨立使用，并且傳輸的時鐘頻率保持獨立，因此與PATA相比，SATA的傳輸速率可以達到并行的30倍。
• 優點：
  ? SATA接通常為7+15針，采用單通道，傳輸速率要比ATA更快。
  ? SATA對指令及數據封包采用CRC循環冗余校驗技術，保障數據傳輸可靠性。
  ? SATA具有比ATA更好的抗干擾能力。

SCSI硬盤接口：

• SCSI英文全稱：Small Computer System
  Interface，它出現的原因主要是因為原來的IDE接口的硬盤轉速太慢，傳輸速率太低，因此高速的SCSI硬盤出現。其實SCSI并不是專為硬盤設計的，實際上它是一種總線型接口，獨立于系統總線工作。

• 優點：
  ? 適應面廣，在一塊SCSI控制卡上就可以同時掛接15個設備 ；
  ? 高性能（具有多任務、CPU占用率低、轉速快及傳輸率高等特點）；
  ? 具有外置和內置兩種 ，支持熱插拔。

• 缺點：
  ? 價格昂貴，安裝設置復雜。

SAS硬盤接口：

• SAS和Serial ATA(SATA)硬盤相同，都是采用串行技術以獲得更高的傳輸速度，并通過縮短連結線改善內部空間等。
• SAS是并行SCSI接口之后開發出的全新接口，此接口的設計是為了改善存儲系統的效能、可用性和擴充性，并且SAS可以向下兼容SATA，二者的兼容性主要體現在物理層和協議層的兼容。
• 優點：
  ? SAS在傳輸速率、抗干擾性方面強于SCSI，實現更長的連接距離。
• 缺點：
  ? SAS接口硬盤價格相對更高。

FC硬盤接口：

• FC和SCSI接口一樣，最初也不是為硬盤設計開發的接口技術，而是專門為網絡系統設計的，但隨著存儲系統對速度的需求，才逐漸應用到硬盤系統中。
• 優點：
  ? 具有很好的升級性 ，可以用非常長的光纖電纜，可超過10公里；
  ? 具有非常高的帶寬；
  ? 具有很強的通用性 。
• 缺點：
  ? 價格非常昂貴；
  ? 組建復雜。

總結

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