UIT存儲基礎培訓課件

UIT存儲基礎技術中心郭鐳第三章

存儲介質硬盤技術磁帶技術硬盤讀寫數(shù)據(jù)原理磁存儲技術的工作原理是通過改變磁粒子的極性來在磁性介質上記錄數(shù)據(jù)。在讀取數(shù)據(jù)時，磁頭將存儲介質上的磁粒子極性轉換成相應的電脈沖信號，并轉換成計算機可以識別的數(shù)據(jù)形式。磁存儲設備是利用一層亞微米量級的表面磁介質作為記錄信息的媒體，以磁介質的兩種不同剩磁狀態(tài)或不同剩磁方向變化的規(guī)律來表示二進制數(shù)字信息，磁表面存儲器的信息記錄和輸出過程都是電、磁信息轉換的過程，是通過磁頭和運動著的磁介質來實現(xiàn)的。硬盤主要物理結構盤片馬達(motor)底座（Base）磁頭PCB及RV傳感器硬盤接口盤片Platter磁盤驅動器的主要組件之一是盤片，其盤片構成材料是鋁合金或者是玻璃，表面覆蓋著磁記錄層。硬磁盤盤片直徑小型化的同時，面密度也在不斷提高。目前硬盤的面密度已經(jīng)超過每平方英寸100GB。磁頭Head硬磁盤驅動器的磁頭是浮動磁頭，工作過程中磁頭與盤面不接觸，兩者之間有一個很小的間隙。當磁盤高速旋轉時，由于空氣的粘滯性，附著在盤面上的空氣在磁頭和盤面之間形成了一層空氣墊，托住磁頭。主軸Spindle和主軸電機Motor硬盤驅動器由主軸帶動盤片旋轉，其轉速很高，目前一般為5400r/min、7200r/min。高速硬盤一般是15000r/min，用于服務器和高速磁盤陣列。主軸電機一般為無刷直流電機，采用流體動壓軸承以達到極小的徑向偏擺，從而保證極小的磁道偏擺，利于磁頭對磁道的跟蹤。硬盤主要物理結構

Aharddriveplatterbeingaccessedbyanactuatorarm.磁盤驅動器在存取工作過程中，首先要把磁頭移動到目標磁道，這個過程稱為尋道。到達目標磁道后，還要通過伺服跟蹤系統(tǒng)使磁頭動態(tài)保持在目標磁道的中心，這個過程叫磁道跟蹤。在尋道過程中，首先執(zhí)行尋道命令，把磁頭當前所處磁道距目標磁道的距離計算出來，裝入差值計數(shù)器中，然后根據(jù)差值的正、負和大小來驅動磁頭運動。為了提高尋道速度，一般把控制分成兩個階段來進行。第一階段是“粗控”階段，作用是速度控制。當目標磁道和當前磁道之差大于零時，采用速度控制，目的在于盡快找到目標磁道。當找到了目標磁道后，才進入“精控”階段。“精控”階段的作用是位置控制，保證磁頭牢牢盯住目標磁道，所以又稱跟蹤控制方式。當訪問某一個扇區(qū)時，磁頭須從當前所處的磁道運動到指定的目標磁道，再等待被訪問的扇區(qū)旋轉到磁頭下。所有盤面上的磁頭裝在同一個小車上作同步運動，即每一瞬間各盤面上的磁頭均處于各自同一序號的磁道上，這些序號相同的磁道組成了一個柱面，與磁道編號一樣，零磁道所在的柱面為零柱面，1號磁道所在的柱面為1號柱面，依次類推。訪問時，先要選擇柱面，其次要選擇磁頭（也就是選擇盤面）和扇區(qū)。所以，尋址用的地址信息應該有柱面號、磁頭號和扇區(qū)號。硬盤的讀寫工作DataRate:Innervs.OuterTracksTokeepthingssimple,originallysamenumberofsectorspertrackSinceoutertracklonger,lowerbitsperinchCompetitiondecidedtokeepbitsperinch(BPI)highforalltracks

(“constantbitdensity”)MorecapacityperdiskMoresectorspertracktowardsedgeSincediskspinsatconstantspeed,outertrackshavefasterdatarateBandwidthoutertrack1.7xinnertrack!外部邊緣外部中間中心內部中間內部邊緣磁道平面圖訪問速度慢慢快硬盤的基本參數(shù)容量硬盤的容量MB或GB為單位。容量指標還包括硬盤的單碟容量單，是指包括正反兩面在內的單個盤片的總容量。單碟容量越大，單位成本越低，平均訪問時間也越短。轉速轉速(Rotationalspeed)是指盤片每分鐘轉動的圈數(shù)RPM（RoundPerMinute)。平均訪問時間平均訪問時間(AverageAccessTime)是指磁頭從起始位置到達目標磁道位置，并且從目標磁道上找到要讀寫的數(shù)據(jù)扇區(qū)所需的時間。平均訪問時間體現(xiàn)了硬盤的讀寫速度，它包括平均尋道時間+平均等待時間。平均尋道時間(AverageSeekTime)是指硬盤的磁頭移動到盤面指定磁道所需的時間，一般8ms以內。平均等待時間是指磁頭已處于要訪問的磁道，等待所要訪問的扇區(qū)旋轉至磁頭下方的時間。平均等待時間為盤片旋轉一周所需的時間的一半，一般應在4ms以下。傳輸速率傳輸速率(DataTransferRate)硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率是指硬盤讀寫數(shù)據(jù)的速度，單位為兆字節(jié)每秒（MB/s）。硬盤數(shù)據(jù)傳輸率又包括了內部數(shù)據(jù)傳輸率和外部數(shù)據(jù)傳輸率。內部傳輸率(InternalTransferRate)也稱為持續(xù)傳輸率(SustainedTransferRate)，它反映了硬盤緩沖區(qū)未用時的性能。內部傳輸率主要依賴于硬盤的旋轉速度。外部傳輸率（ExternalTransferRate）也稱為突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率（BurstDataTransferRate）或接口傳輸率，它標稱的是系統(tǒng)總線與硬盤緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸率，外部數(shù)據(jù)傳輸率與硬盤接口類型和硬盤緩存的大小有關。緩存硬盤緩存的目的是為了解決系統(tǒng)前后級讀寫速度不匹配的問題，以提高硬盤的讀寫速度。常用指標硬盤的主要技術S.M.A.R.TSelf-Monitoring,AnalysisandReportingTechnology，自監(jiān)測、分析及報告技術，監(jiān)測磁頭、磁盤、馬達、電路等部件，然后根據(jù)得到的關于各部件運行情況與歷史記錄的數(shù)據(jù)進行分析、比較，根據(jù)需要會自動向用戶發(fā)出警告TCQTaggedCommandQueuing，標記命令隊列NCQNativeCommandQueuing，本機命令隊列，是SATAⅡ規(guī)范支持的一種新的功能，支持NCQ的硬盤可以對指令進行排隊（多達32條指令），重新編排指令執(zhí)行次序，也可以立即執(zhí)行指令，可提高硬盤的性能，減少CPU占用率DutyCycle指硬盤的工作負荷，定義為特定時間段內硬盤用于尋道、讀/寫操作的時間占總時間的百分比。100%即表示硬盤每天24小時不停在進行讀寫操作SCT即S.M.A.R.TCommandTransport，該技術在硬盤內部劃出一部分扇區(qū)做為日志記錄，分析SMART命令包含的狀態(tài)信息，判斷硬盤的工作狀況從而調節(jié)負載（比如數(shù)據(jù)流量）來保證硬盤可靠性ATA/IDE接口硬盤Power連接器主/從盤

跳線40-pin連接器ATA(Advanced

Technology

Attachment)高級技術附加ATA硬盤是傳統(tǒng)的桌面級硬盤，主要應用于個人PC機，也經(jīng)常稱為IDE(Integrated

Drive

Electronic)硬盤ATA接口為并行ATA技術，正在被串行ATA（SATA）所替代SCSI接口硬盤SCSI(SmallComputerSystemInterface)小型計算機系統(tǒng)接口SCSI硬盤并發(fā)處理性能優(yōu)異，常應用于企業(yè)級存儲領域SCSI硬盤采用并行接口，接口速率發(fā)展到320MB/s，已經(jīng)達到極限，正在被SAS（SerialAttachedSCSI）硬盤所替代80-pin公接頭FC接口硬盤采用FC-AL(FiberChannelArbitratedLoop，光纖通道仲裁環(huán))接口模式FC-AL是一種雙端口的串行存儲接口FC-AL支持全雙工工作方式FC-AL提供一種單環(huán)拓撲結構，一個控制器能訪問126個硬盤SAS接口硬盤介紹SAS串行連接SCSI(SerialAttachedSCSI) SAS是一種點對點、全雙工、雙端口的接口SAS專為滿足高性能企業(yè)需求而設計，并且兼容SATA硬盤，為企業(yè)用戶帶來前所未有的靈活性保留了SCSI技術良好的可測性和可靠性點對點串行連接方式提供更高的帶寬:單接口3Gb/6Gb/12Gb相對于SCSI更優(yōu)異的信號和數(shù)據(jù)完整性靈活性—兼容SAS和SATA可擴展性—尋址范圍寬，通過擴展器可以支持更多設備可靠性和可用性—全雙工接口支持冗余路徑更長的電纜連接，更小尺寸，更容易的連接方式，更多選擇SAS/SATA接口兼容性SASSATASATASASPluggable?KeywayPortBSATA/SAS快速比較CriteriaSATASASDataRates150-300MB/Sec300-600MB/SecMTBF500-600Khrs1.2MhrsCableLength1m10mCost/MB$.01-$.02$.05-$.08(Est)RotationalSpeed5.4or7.2KRPM10-15kRPMBuffer8MB64MB企業(yè)存儲介質分級策略“Onlyasmallpercentageofdatashouldbemaintainedonthehighestcost,highperformancedevices.Therestismigratedtolessexpensivestoragewhereitisimmediatelyavailablewhenneeded.”EMCWhitepaperApril2005HighcapacityLowcost-per-gigabyteHighreliabilityOptimizedfornearlineapplicationsTransactionalReferenceDataStaging&

spoolingArchiveOnLineOffLineNearLinePerformanceAvailabilityAccesstimeCostperTerabyteCapacityRetention企業(yè)級Nearline與Online硬盤區(qū)別NearlineStorage7,200rpmSATAOnlineStorage15,000rpmSAS/FC成本容量負載可靠性擴展性性能耗電機械部分更大的磁鐵堅固外殼空氣控制設備更高尋道速度更多磁頭更多盤片更小盤片直徑更高轉速電子部分DualprocessorsDualportTwicethefirmwareCommandschedulingSuperiorerrorcorrectionSmartalgorithmsPerform.optimizationDataintegritychecks不同類型硬盤的需求變化硬盤規(guī)格的發(fā)展變化硬盤容量的發(fā)展容量FC&SAS硬盤100GB300GB750GB

1TB400GB500GB750GB1000GBSATA硬盤500GB

1.5B2TB73GB146GB300GB450GB600GB1.5TB2TB256GB250GBSSD固態(tài)硬盤多種多樣的磁帶技術磁帶介質類型DAT(DigitalAudioTape)4mmDLT(DigitalLinearTape)、SDLT1/2英寸

AIT、SAIT3590LTO（LinearTapeOpen）

Ultrium/Accelis

DTF9840Mammoth8mm螺旋掃描技術磁帶盒采用雙軸結構磁帶部分纏繞到有傾角的旋轉磁鼓上數(shù)據(jù)磁軌是根據(jù)8mm磁帶的邊緣按一定角度寫入產(chǎn)品:SonyAIT,S-AIT線性掃描技術磁帶盒采用單軸結構電機高速拉動磁帶通過磁頭磁軌平行于磁帶邊緣寫入數(shù)據(jù)磁軌會以往返的形式在磁帶上來回寫入產(chǎn)品LTO,SDLT,9840,3590P-BOTL-EOTLengthoftape磁帶技術的發(fā)展GenerationNativeCapacityDatarateGen1Gen2Gen3HHGen3Ge