Linux 磁盘治理之磁盘实践篇

磁盘简介

• 作用：用来存放数据（二进制形式来治理数据）

• 分类

  • 机械硬盘
  • 固态硬盘

• 机械硬盘组成

  • 盘片：下面布满磁性颗粒，保留写入数据
  • 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，将磁头挪动到指定地位
  • 控制电路：管制硬盘的速度，磁头臂的挪动等等

• 机械磁盘的属性

  • 磁道：盘片围绕在主轴四周的同心环，编号由外至内从 0 累加
  • 扇区：磁道上被分成的更小的单位，也是磁盘中保留数据最小的存储单元，个别大小为 512k，也有更大的扇区 4K
  • 柱面：在同一个磁盘中，所有盘片雷同地位编号的磁道造成的一个圆柱

• 机械磁盘工作形式

  • 主轴带动盘片做圆周运动，磁头臂带动磁头直径静止

机械硬盘

罕用总线协定 / 磁盘类型

SCSI 协定

• SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）最后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贯（最多能够连贯 16 个设施）
• SCSI 协定是主机与存储磁盘通信的根本协定
• DAS 应用 SCSI 协定实现主机服务器与存储设备的互连

并行 SCSI 的演变

• （1981 年）最后由 Shugart Associates、NCR 开发，名字为 SASI
• ANSI 抵赖其为工业规范

• SCSI 的版本

  • SCSI-1

    • 定义了线缆长度，信号特色，命令和传输模式
    • 应用 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）
    • 进步了性能，可靠性，新增了一些个性

  • SCSI-3

    • SCSI 最新版本
    • 由多个相干的规范组成，不再是一个大文件

SCSI-3 架构

• SCSI 命令协定（应用层）

  • 各类型设施通用的次要命令

• 传输层协定

  • 设施间互连和信息共享的规范规定，scsi-3、fc 等等

• 物理层互连

  • 接口细节：比方电信号传输办法和数据传输模式

SCSI 协定模型

• 主机到存储磁盘间的通信由启动器发动，由指标器接管和解决

SCSI 协定寻址

• 总线号：辨别不同的 SCSI 总线
• 设施 ID：辨别 SCSI 总线上不同的设施
• 逻辑单元号：辨别 SCSI 设施中的子设施

ATA 和 SATA

• 高级技术附件（Advanced Technology Attachment）是上世纪 90 年代桌面机规范

  • 采纳可编程 IO 技术，速度和智能性不高

• SATA（Serial Advanced Technology Attachment）是 ATA 技术的降级版本，曾是桌面电脑 ATA 接口硬盘的次要代替技术

  • 因 容量大，价格便宜，在企业级服务器和存储系统中曾宽泛的被应用
  • 当初多被更加智能的 NL-SAS 接口的硬盘代替

Serial Attached SCSI（串行 SCSI 协定）

• 在企业级存储系统中，SAS（Serial Attached SCSI）接口曾经取代并行连贯 SCSI 和 SATA 接口

• 特点

  • 采纳点对点连贯形式
  • 高带宽（300M/s，600M/s）
  • 效率高
  • 反对热插拔

I/O（Input/Ouput）操作

• 单个 IO

  • 操作系统内核收回一个读 IO 命令，当管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，而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，实现一个 IO 操作

• 读写 IO

  • 写磁盘为写 IO，读数据为读 IO
• 随机拜访(Random Access) 与间断拜访(Sequential Access)：由当此 IO 给出的扇区地址与上次 IO 完结的扇区地址相差得是否较大决定
• 程序 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

• 残缺的 IO 操作

  • 当控制器对硬盘收回一个 IO 操作指令的时候，磁盘的磁头臂带动读写磁头来到着陆区，而后挪动到要操作初始数据块所在的磁道正上方，此过程为 寻道 ，耗费的工夫为 寻道工夫
  • 磁头等到盘片旋转到初始数据块所在扇区的正上方，此时能力进行数据的读取，这个过程称之为 旋转工夫
  • 而后读取相应数据，直到实现这次 IO 所操作的全副数据，这个过程所破费的工夫称之为 数据传送工夫

寻道工夫

• 全程寻道工夫：磁头横跨整个磁盘的宽度所用的工夫（着陆区 –> 最外层 0 磁道）
• 均匀寻道工夫：个别为全程寻道工夫的 1 /3
• 道间寻道工夫：磁头在相邻磁道之间所用的工夫

旋转时延

• 决定于主轴的转动速度
• 均匀旋转动提早：齐全旋转用时的一半

5400 rpm 的磁盘均匀旋转时延：5.5ms
15000 rpm 的磁盘的均匀旋转时延：2.0ms

数据传输时延

• 数据传输时延决定于数据传输速度，即单位工夫内传输的数据量
• 外部传输速度：数据从盘片扇区上传送到硬盘上的外部缓存的速度
• 内部传输速度：接口的标称速度

IOPS

• IOPS 是IO 零碎每秒所执行 IO 操作的次数，是一个重要的用来掂量零碎 IO 能力的参数，对于单个磁盘，计算其实现一次 IO 所须要的工夫来推算其 IOPS

  • IOTime = 寻道工夫 + 60s/ 转速 /2 + IOChunkSize/ 传输速度
  • IOPS = 1/IOTime = 1 / (寻道工夫 + 60s/ 转速 /2 + IOChunkSize/ 传输速度)

• 当单次 IO 越小的时候，单次 IO 所消耗的工夫也越少，相应的 IOPS 也就越大

带宽（Throughput）

• 带宽是指磁盘在理论应用的时候从磁盘系统总线上流过的数据量，也称为磁盘的理论传输速率

  • 带宽 = IOPS * IO 大小

利用率和响应工夫

固态硬盘

• 价格逐步降落，容量越来越大，固态硬盘（SSD）变得越来越风行

• SSD 原理

  • 应用 flash 技术存储信息

  • 外部没有机械构造

    • 耗电量更小
    • 散热小
    • 乐音小
• 基于 SSD 的应用频率，其使用寿命无限

• SSD 的 3 中次要的类型

  • 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

SLC-MLC-TLC

• 在 SLC 中，每个存储单元 (cell) 只存 1bit 数据：0 或 1
• 在 MLC 中，每个存储单元 (cell) 可存 2bit 数据：00, 01, 10, 11
• 在 TLC 中，每个存储单元 (cell) 可存 3bit 数据：000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111

固态硬盘的磨损

• 对 SSD 盘的可靠性影响最大的其抗磨损能力，即其 cell 能被擦写的次数
• 企业级的 SCL、MLC 和 TLC 在抗磨损方面的区别显著

类型 | 容量 | 可擦写次数 | 单位容量价格

SLC | 小 | 约 100,000 | 高
eMLC(企业级别) | 中等 | 约 30,000 | 中等
cMLC(消费者) | 中等 | 5000~10,000 | 低
TLC | 大 | 500~1,000 | 很低

固态硬盘构造

• 无高速旋转部件，性能高、功耗低
• 多通道并发，通道内 Flash 颗粒复用时许
• 反对 TCQ/NCQ，一次响应多个 IO 申请
• 典型响应工夫低于 0.1ms

SDD 性能劣势

• 响应工夫短

  • 机械硬盘的机械个性导致大部分工夫节约在寻道和机械提早上，数据传输效率收到重大制约

• 读写效率高

  • 机械硬盘在进行随机读写曹祖时，磁头不停的挪动，导致读写效率低下
  • 而 SSD 通过外部控制器计算出数据的寄存地位，间接进行存取操作，故效率高

SSD 功耗劣势