DAS技术介绍概述

2.1DAS●直连存储〔DAS〕：是一种存储设备与效劳器直接相连的架构。DAS的存储效劳〔不是文件系统级〕。DAS的例子有：效劳器内部的硬盘，直接连接到效劳器上的磁带库，直接连接到效劳器上的外部的硬盘盒。基于存储设备与效劳器间的位置关系，DAS分为内部DAS和DASDAS：在内部DAS架构中，存储设备通过效劳器机箱内部的并行或串行总线连接到效劳器上。但是，物理的总线有距离限制，只能支持短距离的高速数据传输。此外，很多内部总线能连接的设备数目也有限，并且将存储设备放在效劳器机箱内部，也会占用大量的空间，对效劳器其它部件的维护造成困难。DAS：在外部DAS构造中，效劳器与外部的存储设备直接相连。在大多数状况下，他们之间通过FC协议或者SCSI协议进展通信。与内部DASDASDAS对连接设备的距离和数量的限制。另外，外部DAS还可以供给存储设备集中化治理，更加便利。DAS相对于其它两种存储网络架构来说，初始投资要小得多。我们将在接下来的两章争论另外两种网络存储。DAS配置简洁，而且可以快速部署。DAS的配置通常是通过其相连的效劳器上的工具来进展配置，比方主机的操作系统，对于中小型企业来说，这样的配置和管DAS可能是最简洁的解决方案了，它需要的治理操作很少，对初始配置和操作所要求的硬件和软件也很少。●DAS中的效劳器和存储设备之间的通信承受如IDE/ATA、SATA、SAS、SCSI、FC，这些协议需要硬盘掌握器的支持。存储设备通常也由它支持的协议来命名。●IDE的英文全称为“IntegratedDriveElectronics”，即“电子集成驱动器”，它的本意是指把“硬盘掌握器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。把盘体与掌握器集成在一起的做法削减了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的牢靠性得到了增加，硬盘制造起来变得更简洁，因而硬盘生产厂商不需要再担忧自己的硬盘是否与其它厂商生产的掌握器兼容。IDEATA接口。ATA的英文拼写为“AdvancedTechnologyAttachment”，即“高级技术附加装置”。ATA接口最早是在1986年由康柏、西部数据等几家公司共同开发的，在九十年月初开头应用于台式机系统。●注：这些协议，将在后面的章节进展介绍。其中ATA、SATA、SCSI点学习SCSI协议。FC协议将在后面的章节中介绍。●内部DAS主要是通过主机和主机操作系统来治理，也有使用一些第三方软件来治理的。通过主机来进展设备治理，通常会供给以下特性：硬盘\卷分区及分区治理主机操作系统支持的文件系统布局●外部DAS治理的一个关键特点是主机操作系统不再直接负责一些根底资源的治理，比方LUN●DAS的可扩展性较差。DAS存储设备的可用端口数量通常较少，导致了可以连接到存储上的主机数目受限。同时，DAS设备的带宽有限，这也导致了其处理IO的力量有限。当与DAS设备相连的主机对IODAS设备的IO处理力量上限时，该主机效劳的可用性将会受到影响；同时这还会产生连锁反响，即全部与该DAS相连的主机的性能都会受到影响。●由于DAS共享前端主机端口的力量有限，也导致了DAS的资源DAS统中，要将剩余未用的存储资源重进展安排并不是太简洁，因此导致了存储资源孤岛的产生，有些DAS系统资源过剩，而有些DAS系统资源紧急，但DAS设备之间却不便利进展资源的共享。另外，磁盘利用率、吞吐量以及DAS设备的内存大小，都影响着DAS设备的性能表现。RAID组级别的配置，主机上存储掌握器的协议类型，主机总线效率这些附加因素也会影响存储系统的性能。DAS设备的配置相对于其他存储架构的优势主要表达在，没有存储设备之间互连的简单度和网络延迟。●尽管这些年硬盘接口协议〔SCSI、SATA、SAS〕发生了很多的变化，但是硬盘驱动器的机制并没有太大的变化。说到这一点，我们必需先提一下，正在硬盘存储领域发生的一个大的技术，这种技术就是SSD或称为固态磁盘。●在SSD硬盘中，不再由传统硬盘中的机械部件来关心数据的读写，而且数据也是存放在类似USB闪盘的存储介质上。因此SSD盘，也被称为闪盘。现在，SSD盘的价格还远高于传统的机械硬盘，单个硬盘的容量也低于传统机械硬盘。在本章中的最终一局部，将会具体介绍SSD盘的技术。●首先，让我们来学习了解传统硬盘的构造。●全部机械硬盘的原理一样。盘片被磁性材料掩盖，盘片上的磁性粒子被极化以表示一个二进制信息单元〔或比特〕。使用磁性材料来存储数据历史很久了，这种方式相对廉价，因此相对于其它存储技术而言，这是一种很受欢送的存储大量数据的方式，软盘和磁带也是使用的这种方式。●硬盘的物理和电子组件包括：读/写磁头：负责读和写数据磁头臂：带动读/写磁头，将磁头移动到指定位置盘片：保存写入的数据主轴：转动盘片，将盘片上的指定位置移动到读/写磁头下掌握电路：掌握硬盘的速度，磁头臂的移动，向磁头下发命令等。●磁道是盘片上围绕在主轴四周的同心环，数据就被记录在磁道上。磁道的编号从零开始，从盘片的外边缘开头向内编号。我们用盘片上每英寸的磁道数〔TPI〕〔也称为磁道密度〕来衡量盘片上磁道排列的严密程度。●每个磁道被分成更小的单位，称为扇区。扇区是磁盘中可以单独寻址的最小存储单元。磁道和扇区构造是由硬盘制造商使用格式化硬盘的工具写在盘片上的。不同硬盘磁道的扇区数可以不同。第一台个人电脑的磁盘每个磁道有17个扇区。而如今的磁盘单个磁道上的扇区要多得多。依据物理磁盘的尺寸和盘片的记录密度不同，盘片上的磁道数可能有数千个之多。●通常状况下，一个扇区可以保存512字节的用户数据，但也有一些磁盘被可以被格式化为更大的扇区大小，如4KB扇区。●柱面：在同一个磁盘中全部盘片〔包含上下两个盘面〕具有一样编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。明显，磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。不过，磁盘中磁头的位置由柱面号来说明的，而不是用磁道号来说明。●较早的驱动器使用物理地址来对磁盘上某一位置进展定位，如文中左图所示，物理地址由柱面号、磁头号和扇区号〔Cylinder，head，Sector，缩写为CHS〕组成。因此，主机操作系统不得不记录每个磁盘正在使用的和未被使用的扇区的地图。后来，主机操作系统使用规律块〔LBA〕来寻址，LBA供给线性的地址来访问数据的物理块〔文中右图〕，因而可以简化寻址所示。由磁盘掌握器将LBA转换到一个CHS地址，而主机除了给出LBA地址外，仅需要知道的磁盘的容量大小，也就是磁盘中有多少个扇区即可。LBA与物理扇区的映射比例是1：1。硬盘的容量=柱面数×磁头数×扇区数×512〔字节数〕。8个磁头，每磁道8个扇区，4个柱面的磁盘的示意图。这意味着该磁盘总共有8×8×4=256个数据块，所以该盘的规律块号的范围从0到255，每个规律块具有其自己的唯一的地址。假设每个512500GB盘，其规律块个数将达9.76亿块。●单个IO操作：操作系统内核发出的一个读IO的命令，当掌握磁盘的掌握器接到这个指令后，掌握器就会给磁盘发出一个读数据的指令，并同时将要读取的数据块的地址传递给磁盘，然后磁盘会将读取到的数据传给掌握器，并由掌握器返回给操作系统，完成一个读IO的操作；同样的，一个写IO的操作也类似，掌握器接到写的IO操作的指令和要写入的数据，并将其传递给磁盘，磁盘在数据写入完成之后将操作结果传递回掌握器，再由掌握器返回给操作系统，完成一个写IO的操作。单个IO操作指IO或者是读IOIO操作花费的时间，称为IO响应时间也被称为IO延时，包括IO操作在磁盘掌握器的IO等待队列中所花费的等待时间。●随机访问(RandomAccess)与连续访问(SequentialAccess)：IO的扇区地址和上次IO给出扇区地址相差比较大，这样的话磁头在两次IO操作之间需要作比较大的移动动作才能重开头读/写数据。相反的，假设当次IO给出的扇区地址与上次IO完毕的扇区地址全都或者是接近的话，那磁头就能很快的开头这次IO操作，这样的多个IO操作称为连续访问。因此尽管相邻的两次IO操作在同一时刻发出，但假设它们的恳求的扇区地址相差很大的话也只能称为随机访问，而非连续访问。●挨次IO(QueueMode)/IO(BurstMode掌握器可能会一次对磁盘组发出一连串的IO命令，假设磁盘组一次只能执行一个IO命令时称为挨次IO；当磁盘组能同时执行多个IO命令时，称为并发IO。并发IO只能发生在由多个磁盘组成的磁盘组上，单块磁盘只能一次处理一IO●单个IO的大小，由于文件系统缓存、IO合并等因素，每次单独IO的。它主要取决于系统对于数据读写效率的推断。●磁盘是影响存储系统整体性能的机械部件，本节将争论影响磁盘性能的各种因素。●对于磁盘来说，一个完整的IO操作是这样进展的：当掌握器对IO的时候，磁盘的磁头臂带读/写磁头离开着陆区，移动到要操作的初始数据块所在磁道的正上方，这个过程被称为寻道(Seeking)，对应消耗的时间被称为寻道时间(SeekTime)；但是找到对应磁道还不能马上读取数据，这时候磁头要等到磁盘盘片旋转到初始数据块所在的扇区落在读/写磁头正下方之后，才能开头读取数据，在这个等待盘片旋转到可操作扇区的过程中消耗的时间称为旋转时延(RotationalDelay)；接下来随着盘片的旋转，磁头不断的读/写相应的数据块，直到完成这次IO所需要操作的全部数据，这个过程称为数据传送(DataTransfer)，对应的间称为传送时间(TransferTime)。完成这三个步骤之后，对于磁盘来说，一次IO操作也就完成了。留意，这个IO操作过程，未包括磁盘掌握器与操作系统内核交互的时间，不包括IO在掌握器等待队列中的等待时间。●磁盘效劳时间就是磁盘完成一个I/O恳求的总时间。由上面的描述，我们看到影响磁盘效劳时间的参数包括：寻道时间、旋转时延和数据传送时间。●寻道时间描述读/写磁头横跨盘片径向运动〔沿盘片的半径方向移动〕，移动到要操作的初始数据块所在的磁道位置的时间。换言之，这就是移动磁头臂和磁头到正确的磁道上所需的时间。寻道时间越短，I/O操作的速度越快。●考虑到被读写的数据可能在磁盘的任意一个磁道，既有可能在磁盘的最内圈〔寻道时间最短〕，也可能在磁盘的最外圈〔寻道时间最长〕，所以硬盘3全程寻道时间：磁头横跨整个磁盘的宽度的时间，即从最内层轨道移动到最外层轨道的时间。平均寻道时间：磁头从一个随机轨道移动到另一个随机轨道的平均时间，通常为全程寻道时间的三分之一。道间寻道时间：磁头在相邻磁道之间移动的时间。●另外，每种规格的单位都是毫秒。现代磁盘上典型的平均寻道时315寻道时间对随机的轨道间的读写操作影响很大，而对相邻轨道的读写操作影响较小。因此，在计算中我们通常只考虑平均寻道时间。为了尽量削减寻道时间，数据可以只被写入到局部行程比较短的柱面上。例如，一个500GB磁盘被设置为仅使用前40％的柱面，即实际上只使用了200GB的磁盘空间。这种方法在提高平均寻道时间时，导致实际容量比磁盘的可用容量低。旋转延时依靠于主轴的旋转速度，其单位是毫秒。平均旋转延迟是盘片完全旋转时间的二分之一。类似于寻道时间，旋转时延对磁盘对随机扇区的访问影响比较大，而对磁盘上相邻扇区的操作影响比较小。5400RPM5.515000RPM2.0●数据传输速率〔也称为传输速率〕是指每单位时间内传输的数据量，也就是单位时间内可以供给到效劳器HBA的平均数据量。要计算出数据的传输速度，首先要明白数据从磁盘读取和写入磁盘的过程。在读操作时，数据首先从盘片传输到磁盘的读/写磁头，然后再传输到磁盘的内部缓冲区。最终，数据从缓冲区通过硬盘接口传输到主机的HBA，再从HBA传输到操作系统内核。在写操作中，数据从操作系统内核发出，缓存到HBA上，HBA再通过磁盘的接口传输到磁盘的内部缓冲区中，然后再从缓存区传输到读/写磁头。最终，它从读/写磁头向盘片移动。如下图，整个数据传输速率由外部传输速率和内部传输速率组成。●内部传输速率是指数据从盘片的任一个扇区传输到磁盘的内部缓冲区〔缓存〕的速度。内部传输速率考虑多种因素，包括寻道时间。外部传输速率是指数据通过硬盘接口从硬盘缓存传输到HBA的速度。外部传输速度一ATA接口的速度为133MB/s，是接口的最大速度，而平均外部传输速度比接口最大速度低。●上面我们的数据都是在一个比较抱负的假设下得出来的，这里的抱负的状况就是磁盘要花费平均大小的寻道时间和平均的旋转延时，这个假设其实是比较符合我们实际状况中的随机读写。在随机读写中，每次IO操作的寻道时间和旋转延时都不能无视不计，有了这两个时间的存在也就限制了IOPS的大小。假设考虑一种相对极端的挨次读写操作，比方说在读取一个很大的存储连续分布在磁盘的的文件，由于文件的存储的分布是连续的，磁头在完成一个读IO操作之后，不需要重寻道，也不需要旋转延时，在这种状况下我们能到一个很大的IOPS值。比方同样是4K的IO0ms，旋转延0msIOPS1/(0ms+0ms+4K/40MB)=10000IOPS。相比第一组数据来说差距是格外大的，因此当我们要用IOPS来衡量一个IO系统的性能时我们肯定要说清楚是在什么状况的IOPS，也IO固然在实际当中，特别是在OLTP系统，随机的小IO的读写是最IOPS●从以上的计算中我们可以看到一个15kRPM转速的磁盘在随机IOPS然只有140左右，但在实际应用中我们却能看到很多标有5000IOPS甚至更高的存储系统，这么大IOPS的存储系统是怎么来的呢？这就要归结于各种存储技术的使用了，比方高速缓存(Cache)技术、磁盘冗余阵列(RAID)技术，这些技术是当今企业级存储系统的根底技术，我们将在后面的章节中介绍。●留意，例子将读写速度视为一样，实际会差异比较大。●从带宽大小与磁盘最大传输速率40MB/s际上的传输速度是很小的，对总线的利用率也是格外的小。●尽管上面我们使用IOPS来计算带宽，但是实际上带宽和IOPS没有直接关系，在没有缓存的状况下它们共同的打算因素都是对磁盘系统的访问方式以及单个IO的大小。对磁盘进展随机访问时候我们可以利用IOPS来衡量一个磁盘系统的性能，此时的带宽不会太大；但是当对磁盘进展连续访问时，此时的IOPS已经没有了参考的价值，这个时候限制带宽的却是磁盘的最大传输速度。因此在实际的应用当中，只会用IOPS来衡量小IO的随机读写的性能，而当要衡量大IO连续读写的性能的时候就要承受传输速度而不能是IOPS●以上局部介绍的IOPS和带宽中，涉及的IO操作过程，未包括磁盘掌握器〔HBA〕与操作系统内核交互的时间，即不包括IO在掌握器等待队列中的等待时间。假设考虑等待时间，