磁盘与阵列技术

2.1 磁盘HDD(Hard Disk Drive)

1.磁盘依旧占外部存储市场的主流

2.HDD新技术

　　-HAMR技术（热辅助磁记录）：提高单盘存储容量（20TB起）

　　-MACH.2（双驱动臂）：提高读写速度（480MB/s）

3.HDD大容量硬盘未衰反兴

4.磁盘里面的结构

　　磁盘盘片：将硬磁材料涂敷、电镀或沉积在金属或玻璃材质的基板上，是记录二进制信息的载体

　　主轴：将磁盘盘片固定在磁盘内部，在电动马达的驱动下，磁盘盘片以主轴为中心高速转动。（指标是每分钟的转速）

 

 

　　步进电机：控制磁头精确定位到每个磁道

　　传动手臂：

 

　　读写磁头：将电脉冲信号转换成介质上的磁化状态，又将介质的磁化状态转换成电脉冲信号，是电磁转换的“桥梁”（将硬磁材料涂敷、电镀或沉积在金属或玻璃材质的基板上，是记录二进制信息的载体）

　　控制器：控制主轴电机的供电和速度、磁盘与主机CPU的通讯、如何移动激励臂膀以控制读写、读写磁头的转换、数据访问优化等等

5.磁盘的基本操作

　　数据写入：

　　　　通过控制电路，驱动磁头改变盘片上磁性粒子簇的极性来写入数据。

　　数据读取：

　　　　盘片上被极化的磁性粒子与磁头上的磁感应物质相互作用，在磁头上产生感应电压，进一步被转化为能够被计算机处理的二进制信号。

 6.磁盘几何

　　- 每个磁面由许多磁道构成

　　- 每个磁道又被分割为许多扇区

7.格式化磁盘

　　允许控制器为每个区域留出备用的柱面，解释“格式化容量”和“最大容量”之间的差异。

8. 柱面

　　对齐的轨道形成柱面。

 

 

 9.物理地址与逻辑地址

物理地址 = CHS(柱面、磁头、扇区)

逻辑地址= Block#

 

 10.磁盘容量

　　确定容量的技术因素：

　　　　记录密度Recording density (bits/in):磁道一英寸的段中可以放入的位数.

　　　　磁道密度Track density (tracks/in):从盘片中心出发半径上一英寸的段内可以有的磁道数.

　　　　面密度Areal density (bits/in2):记录密度与磁道密度的乘积.

　　注：由于外磁道的长度大于内磁道。现代磁盘不再把内外磁道划分为相同数目的扇区，而是利用外层磁道容量较内层磁道大的特点，将盘面划分成若干条环带。

　　存储容量 ＝ 磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数

11.磁盘定位

　　平均访问时间 = 平均寻道时间 + 平均旋转延迟 + 平均转换时间

　　（一般平均寻道时间是8ms）

　　访问磁盘的时间主要开销是寻道时间和旋转延迟！

　　• 最大旋转延迟

　　　　　Tmax rotation=(1/RPM) * (60secs/1min)

　　• 平均旋转延迟
　　　　　Tavg rotation =(1/2)*Tmax rotation

　　常见参数：

　　

 　　

　　一个400G磁盘的典型参数：

　　　　（1）16,383 柱面，每个柱面24M字节

　　　　（2）8个双面盘，共有16个读写头

　　　　（3）每分钟7200转

　　　　（4）一个读写头每秒可以读写 120 × 1.5 = 80MB/S

　　　　（5）每个磁道的数据位 24/16=1.5MB per track

12.磁盘驱动器性能:数据传输速率

 13.外部设备互连

 

 14.磁盘访问时间

　　（1）IDE总线：66MB/S 是一个比较常见的速度

　　　　　　电子设备会成为66MB/S瓶颈

　　（2）SATA3: 3GB/S

　　　　　　机制会成为180MB/S的瓶颈

　　（3）几个关键点

　　　　· 访问时间是由寻道时延和旋转时延决定的

　　　　· 找到某个扇区上的第一位是最贵的，其余位是免费的

　　　　· 访问8byte，SRAM的访问时间是4ns

　　　　· 访问8byte，DRAM的访问时间是60ns

　　　　· 访问512byte，磁盘要10ms, 因此磁盘的访问速率比DRAM慢2500倍，比SRAM慢40000倍

15.驱动的可靠性:平均无故障时间

  　　  MTBF:Mean Time Between Failure(设备发生故障之前的运行时间)

2.2磁盘阵列RAID Arrays

1.背景

　　（1）计算机系统总体性能的提高很不匹配
　　　　· 处理器和主存性能改进快
　　　　· 辅存性能改进慢

　　（2）廉价磁盘冗余阵列（Redundant Array of Inexpensive Disks，RAID）

　　　　UC, Berkeley：David A. Patterson
　　　　RAID0~RAID6

　　

 2.RAID基本思想

　　将多个具有独立操作的廉价磁盘按某种方式组织成一个磁盘阵列(Disk Array)，以增加容量，利用类似于主存中的多体交叉技术，将数据存储在多个盘体上，让这些盘并行工作来提高数据传输速度，并采用冗余(redundancy)磁盘技术来进行错误恢复(error correction)以提高系统可靠性(reliability)。

　　· RAID是一组物理盘，操作系统将其视为单个逻辑盘

　　· 独立冗余磁盘阵列RAID：Redundant Arrays of Independent Disks，独立磁盘构成的具有冗余能力的阵列

3.NRAID

　　(1) NRAID：Non-RAID

　　(2) 所有磁盘的容量组合成一个逻辑盘，没有数据块分条(no block stripping)

　　　　· NRAID不提供数据冗余
　　　　·要求至少一个磁盘

　　

 4.JOBD:Just a Bunch of Disks(磁盘簇)

　　（1）一个在底板上安装的、带有多个磁盘驱动器的附件，与RAID阵列不同，没有前端逻辑来管理磁盘上的数据分布

　　（2） 磁盘控制器把每个物理磁盘看作独立的磁盘单独寻址，因此每个磁盘都是独立的逻辑盘

　　（3） JBOD也不提供数据冗余

　　（4）要求至少一个磁盘

5.RAID组成

　　

 

 

 6.数据组织:条带（stripe）

 

　　(1)stripe是由多个磁盘上的stripes构成的数据条带

　　(2)stripe的width是指数据被划分为了多少个并发的stripes

　　(3)性能分析-条带：

　　　　· strip/block size可调：带宽和吞吐率的折中
　　　　· Small size ： 高传输速度
 　　　   · Large size ： 并发I/O

　　

7.RAID 冗余技术

　　(1)镜像

　　

 　　　　通过镜像来实现冗余，保存在磁盘A的内容，也保存在B中。

　　(2)副本

　　

 　　用一个磁盘专门用来保存前面几个磁盘的副本

8.磁盘级别

　　(1)RAID0:条带阵列，无容错

　　 

 　　(2)RAID1: 磁盘阵列

　　

 

　　优点:高数据可用性和高I/O率(小块)。

　　缺点:可用存储容量为50%。

　　性能:提高读性能，但降低写性能。

　　数据保护:改进了raid0的容错能力。

　　应用:会计，支付，金融和需要高可靠性的应用。

 　　(3)RAID 0+1

　　

 

 

　　 (4)RAID 1+0

　　

 重点：

　　RAID 0+1 和 RAID 1+0 又有什么区别呢？
　　· RAID 0+1是先让磁盘组内的成员组成RAID 0条带化，然后磁盘组之间为RAID 1镜像关系。　　　　

　　· RAID 1+0是先让磁盘组内的成员组成RAID 1互为镜像，然后磁盘组之间RAID 0条带化。

　　· 除了构成先后的差别外，主要的区别还表现在容错性上。RAID 0+1 的损坏一块磁盘之后，所在的RAID 0组即认为损坏，RAID 0+1 实际上已经退化为一个RAID 0 的结构，此时，上面那组RAID 0随便坏一块，整个RAID就崩溃了。

　　· 相对来说，RAID 1+0 就不会有这个问题，只要同一个RAID 1组内硬盘不全部损坏，整个RAID就不会有问题，在图中可以认为，只要右上角的那块磁盘不坏，整个RAID就不会崩溃。

 　　(5)  RAID3: 带奇偶校验码的并行传送

        RAID 3总是在所有磁盘上读取和写入完整的数据条纹。至少需要3块盘（2块盘没有校验的意义）。将数据存放在n+1块盘上，有效空间是n块盘的总和，最后一块存储校验信息。数据被分割存储在n块盘上，任一数据盘出现问题，可由其他数据盘通过校正监测恢复数据（可以带伤工作），换数据盘需要重新恢复完整的校验容错信息。对阵列写入时会重写校验盘的内容，对校验盘的负载较大，读写速度相较于Raid0较慢，适用于读取多而写入少的应用环境，比如数据库和web服务器。使用容错算法和分块的大小决定了Raid3在通常情况下用于大文件且安全性要求较高的应用，比如视频编辑、硬盘播出机、大型数据库等。

　　stripe size = logic block size of file system

　　（6）RAID4: 带奇偶校验码的独立磁盘结构

　　提供了非常好的读性能，但单一的校验盘往往成为系统性能的瓶颈。对于写操作，RAID4 只能一个磁盘一个磁盘地写，并且还要写入校验数据，因此写性能比较差。而且随着成员磁盘数量的增加，校验盘的系统瓶颈将更加突出。正是如上这些限制和不足，所以不推荐 RAID4 在实际应用。RAID4和RAID3很象，不同的是，它对数据的访问是按数据块进行的，也就是按磁盘进行的，每次是一个盘。在图上可以这么看，RAID3是一次一横条，而RAID4一次一竖条。它的特点的RAID3也挺象，不过在失败恢复时，它的难度可要比RAID3大得多了，控制器的设计难度也要大许多，而且访问数据的效率不怎么好。 

　　

　　(7) RAID5:分布式奇偶校验的独立磁盘结构

　　奇偶校验值，其它的意思也相同。RAID5的读出效率很高，写入效率一般，块式的集体访问效率不错。因为奇偶校验码在不同的磁盘上，所以提高了可靠性，允许单个磁盘出错。RAID 5也是以数据的校验位来保证数据的安全，但它不是以单独硬盘来存放数据的校验位，而是将数据段的校验位交互存放于各个硬盘上。这样，任何一个硬盘损坏，都可以根据其它硬盘上的校验位来重建损坏的数据。硬盘的利用率为n-1。 但是它对数据传输的并行性解决不好，而且控制器的设计也相当困难。RAID 3 与RAID 5相比，重要的区别在于RAID 3每进行一次数据传输，需涉及到所有的阵列盘。而对于RAID 5来说，大部分数据传输只对一块磁盘操作，可进行并行操作。在RAID 5中有“写损失”，即每一次写操作，将产生四个实际的读/写操作，其中两次读旧的数据及奇偶信息，两次写新的数据及奇偶信息。 RAID-5的话，优点是提供了冗余性（支持一块盘掉线后仍然正常运行），磁盘空间利用率较高（N-1/N），读写速度较快（N-1倍）。但当掉盘之后，运行效率大幅下降。

 

 

 特点：

　　·块大小调整为典型的I/O对齐到单个磁盘上。

　　·每个条带有一个校验块，但是不同条带位置不同，在相邻条带间循环分布，从而避免校验写的瓶颈

 

 （8）RAID6:带有两种分布存储的奇偶校验码的独立磁盘结构

　　名字很长，但是如果看到图，大家立刻会明白是为什么，请注意p0代表第0带区的奇偶校验值，而pA代表数据块A的奇偶校验值。它是对RAID5的扩展，主要是用于要求数据绝对不能出错的场合。当然了，由于引入了第二种奇偶校验值，所以需要N+2个磁盘，同时对控制器的设计变得十分复杂，写入速度也不好，用于计算奇偶校验值和验证数据正确性所花费的时间比较多，造成了不必须的负载。我想除了军队没有人用得起这种东西。

 

　　（9）RAID技术比较

 

　　（10）技术选择路线