存儲硬盤基礎知識及存儲架構(gòu).ppt

1、存儲技術(shù)與產(chǎn)品基礎,存儲硬盤基礎知識,目錄,硬件結(jié)構(gòu) 工作原理 主要參數(shù) 硬盤接口及發(fā)展介紹 目前主要使用的硬盤及型號編碼 DAS、NAS、SAN,硬件結(jié)構(gòu),主軸馬達 (Spindle Motor),音圈馬達 (Voice Coil Motor),磁頭,基座(Base Plate),磁頭停放區(qū) (Parking Zone),盤片 (Media),傳動部件,接口,硬件結(jié)構(gòu)：玻璃盤片和鋁合金盤片,玻璃盤片 優(yōu)點 存儲密度高,容量大 磁盤壽命長 抗沖擊的可靠性高,缺點: 價格昂貴 要使用磁頭加載/卸載技術(shù),鋁合金盤片 優(yōu)點 技術(shù)成熟 價格便宜,缺點 對沖擊較為敏感 對溫度較為敏感,硬件結(jié)構(gòu)：硬盤磁頭

2、技術(shù),磁頭(Head) 磁道(Track) 柱面(Cylinder) 扇區(qū)(Sector),扇區(qū),1磁道,n磁道,0磁道,硬件結(jié)構(gòu)：磁頭與柱面,硬件結(jié)構(gòu)：硬盤受撞擊,15 of 23,硬件結(jié)構(gòu)：磁道,1磁道,n磁道,硬件結(jié)構(gòu)：扇區(qū),扇區(qū),工作原理,磁盤表面,主軸馬達帶動 磁盤旋轉(zhuǎn),硬盤最基本的功能就是存儲電腦資料, 并且當需要時讀取出來供電腦運算與處理,讀寫磁頭,磁記錄原理,磁記錄原理,硬盤主要參數(shù),容量 轉(zhuǎn)速 緩存 平均訪問時間 尋道時間 內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率 外部數(shù)據(jù)傳輸率,S.M.A.R.T.技術(shù) DFT技術(shù) MTBF AFR,硬盤主要參數(shù)：容量,容量(Capacity) 磁頭(Head) 磁

3、道(Track) 柱面(Cylinder) 扇區(qū)(Sector) 格式化容量 =柱面數(shù) X 每磁道扇區(qū)數(shù) X 磁頭數(shù) X 扇區(qū)字節(jié)數(shù),扇區(qū),1磁道,n磁道,0磁道,硬盤主要參數(shù)：轉(zhuǎn)速,硬盤主軸馬達轉(zhuǎn)速 單位為每分鐘轉(zhuǎn)速 (rpm) 主軸馬達轉(zhuǎn)速越快，就越快存取資料 目前大多數(shù)硬盤主軸馬達轉(zhuǎn)速： 5,400及7,200RPM(ATA), 7,200、10,000、及15000RPM （SCSI）,硬盤主要參數(shù) -緩存,緩存 緩存是硬盤與外部總線交換數(shù)據(jù)的場所 硬盤上的記憶晶片用來暫時存放數(shù)據(jù)以增強硬盤性能 EDO、SDRAM,硬盤主要參數(shù)平均訪問時間,平均訪問時間：硬盤磁頭找到目標數(shù)據(jù)的平均時間

4、。 平均尋道時間：硬盤磁頭從一個柱面移動到另一個柱 面所需要的平均時間。 平均潛伏時間(等待時間)：當磁頭移動到數(shù)據(jù)所在的磁道后，等待目標扇區(qū)可用的平均時間。平均潛伏時間一般取盤片旋轉(zhuǎn)一周所需時間的一半 平均訪問時間 = 平均尋道時間 + 平均潛伏時間,硬盤主要參數(shù)-尋道時間,磁頭尋找資料所在軌道所需的時間 單位為毫秒 (千分之秒) 時間越短表示讀寫資料的速度越快 最大尋道時間： 從最內(nèi)道到最外道或從最外道到最內(nèi)道所需時間 最小尋道時間： 磁頭從所在磁道移動到相鄰磁道所需時間 平均尋道時間=（最大尋道時間+最小尋道時間）/3,讀寫磁頭,硬盤主要參數(shù)-內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率,讀寫磁頭,緩存,數(shù)據(jù)從磁盤表

5、面?zhèn)鬏數(shù)接脖P的緩存的速率 單位為每秒百萬位元 (Mbits/sec),硬盤主要參數(shù)-外部數(shù)據(jù)傳輸率,緩存Cache),數(shù)據(jù)由緩存經(jīng)由介質(zhì)傳輸?shù)较到y(tǒng)主機的速率 單位為 (Mbytes/sec) 一定比內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速率快,介面(Interface),S.M.A.R.T.技術(shù),Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology 最早由Compaq 和 IBM推動, 目的是盡可能預測硬盤的可靠性，在硬盤損壞之前給用戶警告,很多由硬盤部件功能性衰減的問題是可以預測的，通 過以下參數(shù) 磁頭飛行高度 信息輸出效率 旋轉(zhuǎn)啟動時間 尋道失敗率 尋道時間的效率,D

6、FT技術(shù),DFT（Drive Fitness Test，驅(qū)動器健康檢測） IBM公司為其PC硬盤開發(fā)的數(shù)據(jù)保護技術(shù),通過使用 DFT程序訪問IBM硬盤里的DFT微代碼對硬盤進行檢測。 DFT軟件是一個獨立的不依賴操作系統(tǒng)的軟件，它可以在用戶其他任何軟件失效的情況下運行。,可靠性指標-MTBF,溫度對可靠性指標的影響,通常，硬盤的工作環(huán)境溫度為2540,通常硬盤：2400小時/年（6.5小時/天）（見下表） 商用硬盤：4000小時/年（11小時/天） 高可靠性硬盤：8766小時/年（24小時/天）,上電時間對可靠性指標的影響,Annualized Failure Rate (AFR),MTBF值

7、：數(shù)字游戲？ 舉例：一個失效率是在“一年365天、一天24小時不間斷”循環(huán)工作條件下測出的，另一個是在“每天8小時不間斷”循環(huán)工作條件下測出的，兩款產(chǎn)品的性能高低一下子就比較出來。,AFR，“按年計算的失效率” ，與MTBF不同的是，AFR能夠更合理地反映磁盤驅(qū)動器的失效率。 AFR值是根據(jù)制造商每年回收的不合格產(chǎn)品占年度總產(chǎn)量的比例計算出來的，企業(yè)級磁盤驅(qū)動器產(chǎn)品的AFR值一般都會控制在1%以下,硬盤接口及發(fā)展介紹,ATA接口 SATA接口SCSI接口 SAS接口FC接口,What are IDE？,IDE-IntegratedDriveElectronics 電子集成驅(qū)動器,What ar

8、e ATA？,ATA：AdvancedTechnologyAttachment 高級技術(shù)附加裝置 7個版本： ATA-1-ATA-7（ATA133）速率基本上走到了極限,ATA數(shù)據(jù)傳輸模式,PIO模式：ProgrammingInput/OutputModel 通過CPU執(zhí)行I/O端口指令來進行數(shù)據(jù)的讀寫的數(shù)據(jù)交換模式 DMA模式：DirectMemoryAccess 直接內(nèi)存訪問 不經(jīng)過CPU而直接從內(nèi)存了存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式 UltraDMA：UltraDirectMemoryAccess 高級直接內(nèi)存訪問 增加了CRC（CyclicRedundancyCheck循環(huán)冗余碼校驗）技術(shù)，提高

9、數(shù)據(jù)傳輸過程中的準確,What are SATA？,SATA： Serial AdvancedTechnologyAttachment 串行ATA 這是一種完全不同于并行ATA的新型硬盤接口類型，由于采用串行方式傳輸數(shù)據(jù)而得名。具有結(jié)構(gòu)簡單、支持熱插拔、傳輸速率快的優(yōu)點 2000年Intel聯(lián)合IBM、Maxtor、Seagate等廠商合作開發(fā) 2002年Serial ATA 1.0標準 150MB/s 2005年Serial ATA II 300MB/s,SATA傳輸機制,利用單個路徑串行一位一位傳送數(shù)據(jù)，用另外一條路徑給發(fā)送端返回接收確認的信號 1500MHZ內(nèi)嵌時鐘*1（每個時鐘周期一位

10、）*80% (8b/10b編碼效率/8（每字節(jié)8位)=150MB/s,SATA與PATA對比,What are SCSI？,SCSI：SmallComputerSystemInterface 小型計算機系統(tǒng)接口 。 特點：應用范圍廣、多任務、帶寬大、CPU占用率低，以及熱插拔。 SCSI必須要有專門的SCSI控制器，也就是一塊SCSI控制卡，才能支持SCSI設備,What are SCSI？,80-pin Male SCA Connector,80-pin (SCA) SCSI,SCSI 與ATA 區(qū)別,ATA： 桌面/筆記本 ATA磁盤中，如果用戶提出數(shù)據(jù)傳輸請求，CPU先對該命令作出響應后

11、再傳達給主板南橋或板載磁盤控制芯片上，之后再通過ATA總線將數(shù)據(jù)操作命令傳遞給硬盤的主控芯片。 SCSI： 企業(yè)級 在SCSI系統(tǒng)有一塊專門的SCSI控制芯片。負責管理SCSI總線外，還承擔設備讀寫的控制職能，管理所有SCSI相關的讀寫請求、總線控制和數(shù)據(jù)傳輸職能，CPU要做的工作只是將起始命令傳遞給SCSI控制芯片，之后便可徹底拋開不管做其他事情。,What are SAS？,SAS接口是SCSI的升級，為串行傳輸模式。SAS是一種點對點、全雙工、雙端口的接口，支持在SATA兼容的電纜和連接器上傳輸SCSI協(xié)議,SAS的兩大主要技術(shù),差分信號技術(shù),SAS的兩大主要技術(shù),差分信號技術(shù),SAS的

12、兩大主要技術(shù),串行總線技術(shù),SAS的擴展性,Edge Expander：連接64個SAS/串行ATA存儲設備 Fanout Expander：連接64個“Edge Expander,SAS系統(tǒng)的極限容量就是“64644096”個終端設備,What are FC？,FC-AL(光纖通道仲裁環(huán)Fibre Channel Arbitrated Loop)，是一種雙端口的串行存儲接口，支持全雙工工作方式。利用類似于SATA/SAS所用的4芯連接，提供一種單環(huán)拓撲結(jié)構(gòu)，一個控制器能訪問126個硬盤,40-pin Male FC-SCA II Connector,典型連接方式,各接口的對比,各種類型應用,

13、das、nas、san架構(gòu)介紹,DAS架構(gòu) NAS架構(gòu)SAN架構(gòu) DAS 、 NAS 、 SAN 、區(qū)別,Yesterdays View,Centralizing Information,Centralizing Information = Value,分布式存儲,集中存儲,存儲行業(yè)應用,對數(shù)據(jù)安全性要求很高的企業(yè) 典型行業(yè): 電信、金融和證券， 典型業(yè)務: 計費 對數(shù)據(jù)存儲性能要求高的企業(yè) 典型行業(yè): 電視臺、交通部門和測繪部門 典型業(yè)務: 音頻/視頻、石油測繪和地理信息系統(tǒng)等 在系統(tǒng)級方面具有很強的容量(動態(tài))可擴展性和靈活性的企業(yè) 典型行業(yè): 各中大型企業(yè) 典型業(yè)務: ERP系統(tǒng)、CRM

14、系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng) 具有超大型海量存儲特性的企業(yè) 典型行業(yè): 圖書館、博物館、稅務和石油 典型業(yè)務: 資料中心和歷史資料庫,存儲行業(yè)應用,具有本質(zhì)上物理集中、邏輯上彼此獨立的數(shù)據(jù)管理特點的企業(yè) 典型行業(yè): 銀行、證券和電信， 典型業(yè)務: 銀行的業(yè)務集中和移動通信的運營支撐系統(tǒng)(BOSS) 實現(xiàn)對分散數(shù)據(jù)高速集中備份的企業(yè) 典型行業(yè): 各行各業(yè)， 典型業(yè)務: 企業(yè)各分支機構(gòu)數(shù)據(jù)的集中處理 數(shù)據(jù)在線性要求高的企業(yè) 典型行業(yè): 商業(yè)網(wǎng)站和金融， 典型業(yè)務: 電子商務 實現(xiàn)與主機無關的容災的企業(yè) 典型行業(yè): 大型企業(yè) 典型業(yè)務: 數(shù)據(jù)中心,DAS、NAS、SAN發(fā)展,DAS-直聯(lián)存儲,NAS-附網(wǎng)存儲

15、,SAN-區(qū)域存儲,Direct Attached Storage,問題 有限的距離 有限的連接磁盤驅(qū)動器數(shù)量 有限的冗余,SCSI,Direct Attached Storage,直接連接存儲難以實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化 計算資源 存儲資源 帶寬,我們需要網(wǎng)絡連接模式以提高存儲系統(tǒng)利用率,What is NAS?,What is NAS?,Network Attached Storage 網(wǎng)絡附加存儲 專注與網(wǎng)絡文件共享 支持的協(xié)議包括 CIFS, NFS and HTTP NAS是網(wǎng)絡技術(shù)在存儲領域的延伸和發(fā)展 異構(gòu)平臺文件數(shù)據(jù)的共享 簡單的安裝和使用,Quick Reference Local Ar

16、ea Network (LAN) Wide Area Network (WAN) Common Internet File System (CIFS) Network File System (NFS) Hyper Text Transfer Protocol (HTTP),Storage Model for NAS,LAN or WAN TCP/IP,File/record layer,bytes-files-logical drives,Block layer,Storage devices (disks, ),DAS Storage,Application NFS/CIFS/HTTP,N

17、AS Appliance,Storage Area Network 存儲區(qū)域網(wǎng)絡,SAN “SAN”是一個由光纖交換機構(gòu)成并具有良好系統(tǒng)設計的高智能網(wǎng)絡, 這一網(wǎng)絡可以提供企業(yè)級的性能, 擴展能力, 可管理能力, 可靠性和可用能力,Storage Area Network,Storage Area Network （ SAN）,提高存儲設備利用率,存儲區(qū)域網(wǎng)絡(SAN) 僅需20%的備用空間 可立即按需提供存儲容量 SAN連接存儲設備可以有效減少備用空間 整和UNIX與NT存儲增長需求,直接連接存儲(DAS) 服務器直接連接 可能有超過50%的存儲設備閑置，以備擴容之需(空白空間) 管理成本5至6倍于購買成本,NT,UNIX,NT,“讓我們的存儲發(fā)揮更大作用”,提高企業(yè)信息的可用性,存儲區(qū)域網(wǎng)絡(SAN) 與基于網(wǎng)絡或直接連接式的備份，SAN可令備份操作更快完成 企業(yè)應用程序可更快速恢復服務 縮短意外服務中斷時間，盡快恢復遺失或損壞的數(shù)據(jù) 提高企業(yè)生產(chǎn)力,