MSPE-基础类-1-硬盘技术 .ppt

MSPE培训教材 硬盘技术 1 目录 硬盘的结构及主要技术硬盘接口技术硬盘的种类及发展趋势关于FC和SAS硬盘 2 硬盘结构 图1 硬盘主要组成 3 图2 硬盘结构图 图4 控制电路和读写磁头 图3 多盘片读写示意 硬盘结构组成 4 容量 指硬盘能存储的数据量大小 以字节为基本单位单碟容量 硬盘都是由一个或几个盘片组成的 单碟容量就是指包括正反两面在内的单个盘片的总容量转速 即主轴马达转动速度 单位为RPM RoundPerMinute 即每分钟盘片转动圈数缓存 是硬盘控制器上的一块内存芯片 具有极快的存取速度 它是硬盘内部盘片和外部接口之间的缓冲器 硬盘的主要指标 一 常用指标 常用指标 5 平均访问时间 硬盘磁头找到目标数据所需的平均时间平均寻道时间 磁头寻找目标数据所在磁道所需的平均时间平均潜伏时间 当磁头移动到数据所在的磁道后 等待指定的数据扇区转动到磁头下方的时间数据传输率 内部数据传输率 数据从盘片表面传输到硬盘的缓存的速率外部数据传输率 数据从硬盘的缓存读出到外部总线的速率MTBF MeanTimeBetweenFailure 平均无故障时间 硬盘的主要指标 二 常用指标 6 S M A R T Self Monitoring AnalysisandReportingTechnology 自监测 分析及报告技术 监测磁头 硬盘 马达 电路等部件 然后根据得到的关于各部件运行情况与历史记录的数据进行分析 比较 根据需要会自动向用户发出警告TCQ TaggedCommandQueuing 标记命令队列NCQ NativeCommandQueuing 本机命令队列 是SATA 规范支持的一种新的功能 支持NCQ的硬盘可以对指令进行排队 多达32条指令 重新编排指令执行次序 也可以立即执行指令 可提高硬盘的性能 减少CPU占用率DutyCycle 指硬盘的工作负荷 定义为特定时间段内硬盘用于寻道 读 写操作的时间占总时间的百分比 100 即表示硬盘每天24小时不停在进行读写操作SCT 即S M A R TCommandTransport 该技术在硬盘内部划出一部分扇区做为日志记录 分析SMART命令包含的状态信息 判断硬盘的工作状况从而调节负载 比如数据流量 来保证硬盘可靠性 硬盘的主要技术 7 影响硬盘性能的主要参数 目前的硬盘分为单碟和多碟硬盘两种类型 每张盘片正反两面均可以存放数据 但硬盘每个时刻只允许一个磁头来读写数据 影响硬盘性能的因素主要包括以下几种 硬盘转速 转速是影响硬盘连续IO时吞吐量性能的首要因素 盘片转的越快 数据传输时间就越短 目前硬盘转速最高为15000转每分 寻道速度 寻道速度是影响硬盘随机IO性能的首要因素 随机情况下 磁头臂需要频繁更换磁道 目前高端硬盘的平均寻道速度都在10ms以下 缓存 缓存为硬盘电路板上的一块RAM芯片 硬盘缓存的大小直接影响硬盘的整体性能 接口速度 接口速度是影响硬盘性能的一个最不重要的因素 目前的接口速度在理论上已经满足了硬盘所能达到的最高外部传输带宽 远远大于实际的硬盘内部传输带宽 8 内部传输率和外部传输率 硬盘数据传输率 硬盘数据传输率表现出硬盘工作时数据传输速度 是硬盘工作性能的具体表现 在读取硬盘不同磁道 不同扇区的数据 数据存放的是否连续等因素都会影响到硬盘数据传输率 因为这个数据的不确定性 所以厂商在标示硬盘参数时 更多是采用外部数据传输率 ExternalTransferRate 和内部数据传输率 InternalTransferRate 内部传输率 是指硬盘磁头与缓存之间的数据传输率 简单的说就是硬盘将数据从盘片上读取出来 然后存储在缓存内的速度 内部传输率可以明确表现出硬盘的读写速度 是衡量硬盘性能的真正标准 主流企业级硬盘的内部传输率从70MB s 150MB s不等 外部传输率 是指硬盘缓存和电脑系统之间的数据传输率 也就是通过硬盘接口从缓存中将数据读出交给相应的控制器的速率 9 硬盘接口技术 SCSI和ATA是目前现行的两大主机与外设通信的协议规范 且各自都有自己的物理接口定义 目前硬盘提供的物理接口主要包括以下几种 用于ATA指令系统的并行IDE接口用于ATA指令系统的串行SATA接口用于SCSI指令系统的并行SCSI接口用于SCSI指令系统的串行SCSI SAS 接口用于SCSI指令系统的并且承载于FabreChannel协议的串行FC接口 10 硬盘接口技术发展趋势 SCSI 2SCSI 3 FC AL100MB SperPort FC AL200MB SperPort SynchronousSCSI5MB s FastWideSCSI10 20MB s UltraSCSI20 40MB s Ultra2SCSI40 80MB s Ultra160SCSI160MB s Ultra320SCSI320 MB s SAS300MB sperport SATASATAII SerialATA150MB s SerialATAII300MB s FC AL400MB SperPort 串行 并行 SAS600MB sperport ATA ATA 13 3MB s ATA 2 316 6MB s ATA 433 3MB s ATA 566 6MB s ATA 6100MB s ATA 7133MB s 11 并行传输和串行传输 并行传输 并行传输是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输 并行接口中各位数据都是并行传送的 它通常是以字节 8位 或 16位 为单位进行数据传输 并行传输技术难点不同数据如何同一时序到达提高时钟频率导致相互串扰增加位宽导致成本大幅上升串行传输 串行传输是数据在传输中只有1个数据位在设备之间进行的传输 对任何一个由若干位二进制表示的字符 串行传输都是用一个传输信道 按位有序的对字符进行传输 图5 IDE硬盘线缆 图6 SATA硬盘线缆 12 硬盘类型及接口图示 13 容量 FC硬盘 100GB 300GB 750GB 1000GB 146GB 300GB SAS硬盘 250GB 400GB 500GB 1TB 2TB SATA硬盘 73GB 146GB 500GB 73GB 300GB 146GB 2007 SCSI硬盘 73GB 450GB 300GB 450GB 硬盘发展历史及趋势 2003 2004 2001 2008 2002 2008 2010 600GB 2010 600GB 6Gb s 2005 3TB 2009 100GB 200GB 400GB SSD硬盘 2009 2011 2012 4TB 2012 2TB 3TB 14 ATA IDE接口硬盘简介 ATA AdvancedTechnologyAttachment 高级技术附加装置ATA硬盘是传统的桌面级硬盘 主要应用于个人PC机 也经常称为IDE IntegratedDriveElectronics 硬盘ATA接口为并行ATA技术 下一代的产品是串行ATA SATA 15 SCSI接口硬盘介绍 SCSI SmallComputerSystemInterface 小型计算机系统接口SCSI硬盘并发处理性能优异 常应用于企业级存储领域SCSI硬盘采用并行接口 接口速率目前发展到320MB s 基本已经达到极限 已经逐渐被其串行版本SAS SerialAttachedSCSI 硬盘所替代 16 FC接口硬盘介绍 FC硬盘采用FC AL FiberChannelArbitratedLoop 光纤通道仲裁环 接口模式FC AL是一种双端口的串行存储接口 目前能够提供400MB s速率FC AL支持全双工工作方式FC AL利用类似SATA SAS所用的4芯连接 提供一种单环拓扑结构 一个控制器能访问126个硬盘 17 SATA接口硬盘介绍 SATA SerialATA SerialAdvancedTechnologyAttachment 串行ATASATA采用串行方式进行数据传输 接口速率比IDE接口高 最低为150MB s 并且第二代 SATA 300MB s接口硬盘已经广泛使用 规划内的最高速率可达600MB sSATA硬盘采用点对点连接方式 支持热插拔 即插即用 18 SATA 技术 SATAII有以下五个主要特性 更高的端口传输率 300MB s 本机命令队列 NCQ 组件管理 EnclosureManagement 比如风扇控制 温度控制 新硬盘指示 坏硬盘指示 硬盘状态指示等端口复用 PortMultiplier 允许多个硬盘连接到同一端口可向上兼容SAS技术 19 SAS硬盘技术 20 先进的硬盘接口继承SCSI的稳定可靠性全双工 点对点数据传输3 0 6 0Gbps接口传输速率双端口冗余备份多种速率类型支持15 000 10 000 7 200rpm三种速率良好的兼容性SATA硬盘兼容SSD硬盘的主要接口方式服务器 存储阵列均可使用 SAS线缆接口 SAS硬盘 硬盘接口 SAS技术优点 性能 SAS技术单通道可提供6 0Gb s的传输率 采用SAS4路宽端口技术 单条链路即可达24Gb s SAS技术本身也已规划到12Gb的速率兼容性 SAS连接器可以同时支持SATA和SAS硬盘可扩展性 通过Expander可以扩展到超过16000个设备支持世界范围唯一的设备ID号 提高了设备寻址能力支持更长距离的电缆 在无光纤传输能力的情况下 电缆长度可以到10米灵活性 SAS可以使用现有的SCSI命令集 保护企业现有SCSI软件的投资 继承了SCSI的高可用性 并在SCSI命令排队方面进行了优化SAS完全承袭了SCSI的优势 采用串行技术性能得到进一步提升 同时还考虑了向下兼容SATA的问题 因此用户可以根据不同的需求和承受能力 灵活选择SAS和SATA进行组合来构建存储系统 21 机械硬盘各类接口间的对比 SATA 接口硬盘支持NCQ SATA 不支持 22 SSD硬盘介绍 SSD SolidStateDisk 硬盘泛指由控制单元和固态存储单元 DRAM或Flash芯片 组成的存储设备 目前支持SATA FC SAS接口 VS 相比机械硬盘 SSD优点如下 数据存取速度快 在密集的IO读写和低延迟方面与传统硬盘对比性能优异 故障率低 内部不存在任何机械部件 内部全部采用闪存芯片绿色环保 工作时静音 发热量小 散热快重量更轻 有利于移动设备的携带 23 SSD的分类 SLC单层式储存 MLC多层式储存 10万次全写操作 每天350GB数据更新可使用5年高可靠性 MTBF为2百万小时高性能 读性能达到250MB s 写性能130MB s重量87克左右 最大功耗2W SSD分SLC和MLC两种 主要差别在于擦写次数和性能 1万次全写操作 每天20GB数据更新可以使用5年可靠性较低 MTBF为1 2百万小时写性能较低 读性能250MB s 写性能50MB s重量2 5寸87克左右 1 8寸40克左右 最大功耗2W容量一般比SLC要大近一倍 24 SSD应用环境 存储的SafeCache空间 数据库环境 高性能集群系统的共享数据盘 SSD应用环境 目前SSD盘价格较高 容量较小 SSD目前更适合随机读比例较高 响应时间要求苛刻的应用场合 包括 25 基于SSD的分级存储 26 以SSD为核心的分层存储 提高资源整体利用效率用少量的SSD盘提升存储阵列的整体性能 SSD 5 SAS 5 SATA 典型应用 SSD用作缓存SSD作为所有卷