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

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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

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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

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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

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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/40MB = 0.1

7.1

140

8K/40MB = 0.2

7.2

139

16K

16K/40MB = 0.4

7.4

135

32K

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

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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