Linux入门篇 —— Linux 磁盘管理之磁盘理论篇

linux 磁盘管理之磁盘理论篇

磁盘简介

作用： 用来存放数据（二进制方式来管理数据）

分类

机械硬盘

固态硬盘

机械硬盘组成

盘片： 上面布满磁性颗粒，保存写入数据

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，将磁头移动到指定位置

控制电路： 控制硬盘的速度，磁头臂的移动等等

机械磁盘的属性

磁道： 盘片围绕在主轴周围的同心环，编号由外至内从0累加

扇区： 磁道上被分成的更小的单位，也是磁盘中保存数据最小的存储单元，一般大小为512k，也有更大的扇区4K

柱面： 在同一个磁盘中，所有盘片相同位置编号的磁道形成的一个圆柱

机械磁盘工作方式

主轴带动盘片做圆周运动，磁头臂带动磁头直径运动

机械硬盘

常用总线协议/磁盘类型

SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）最初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接（最多可以连接16个设备）

SCSI 协议是主机与存储磁盘通信的基本协议

DAS 使用SCSI 协议实现主机服务器与存储设备的互连

（1981年）最初由 Shugart Associates、 NCR开发，名字为SASI

ANSI 承认其为工业标准

SCSI 的版本

SCSI-1

定义了线缆长度，信号特征，命令和传输模式

使用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）

提高了性能，可靠性，新增了一些特性

SCSI-3

SCSI最新版本

由多个相关的标准组成，不再是一个大文件

SCSI命令协议（应用层）

各类型设备通用的主要命令

传输层协议

设备间互连和信息共享的标准规则，scsi-3、fc等等

物理层互连

接口细节： 比如电信号传输方法和数据传输模式

主机到存储磁盘间的通信由启动器发起，由目标器接收和处理

总线号： 区分不同的SCSI 总线

设备ID： 区分SCSI 总线上不同的设备

逻辑单元号： 区分SCSI 设备中的子设备

高级技术附件（Advanced Technology Attachment）是上世纪90 年代桌面机标准

采用可编程IO 技术，速度和智能性不高

SATA（Serial Advanced Technology Attachment）是ATA 技术的升级版本，曾是桌面电脑ATA 接口硬盘的主要替代技术

因容量大，价格便宜，在企业级服务器和存储系统中曾广泛的被使用

现在多被更加智能的NL-SAS 接口的硬盘替代

在企业级存储系统中，SAS（Serial Attached SCSI）接口已经取代并行连接SCSI 和 SATA 接口

特点

采用点对点连接方式

高带宽（300M/s，600M/s）

效率高

支持热插拔

I/O（Input/Ouput）操作

单个IO

操作系统内核发出一个读IO命令，当控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，然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，完成一个IO操作

读写IO

写磁盘为写IO，读数据为读IO

随机访问(Random Access) 与连续访问(Sequential Access)： 由当此IO 给出的扇区地址与上次IO 结束的扇区地址相差得是否较大决定

顺序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

完整的IO操作

当控制器对硬盘发出一个IO操作指令的时候，磁盘的磁头臂带动读写磁头离开着陆区，然后移动到要操作初始数据块所在的磁道正上方，此过程为寻道，消耗的时间为寻道时间

磁头等到盘片旋转到初始数据块所在扇区的正上方，此时才能进行数据的读取，这个过程称之为旋转时间

然后读取相应数据，直到完成这次IO所操作的全部数据，这个过程所花费的时间称之为数据传送时间

寻道时间

全程寻道时间： 磁头横跨整个磁盘的宽度所用的时间（着陆区 --> 最外层0磁道）

平均寻道时间： 一般为全程寻道时间的1/3

道间寻道时间： 磁头在相邻磁道之间所用的时间

旋转时延

决定于主轴的转动速度

平均旋转动延迟： 完全旋转用时的一半

5400 rpm的磁盘平均旋转时延： 5.5ms

15000 rpm的磁盘的平均旋转时延： 2.0ms

数据传输时延

数据传输时延决定于数据传输速度，即单位时间内传输的数据量

内部传输速度： 数据从盘片扇区上传送到硬盘上的内部缓存的速度

外部传输速度： 接口的标称速度

IOPS

IOPS是IO系统每秒所执行IO操作的次数，是一个重要的用来衡量系统IO能力的参数，对于单个磁盘，计算其完成一次IO所需要的时间来推算其IOPS

IOTime = 寻道时间 + 60s/转速/2 + IOChunkSize/传输速度

IOPS = 1/IOTime = 1 / (寻道时间 + 60s/转速/2 + IOChunkSize/传输速度)

当单次IO越小的时候，单次IO所耗费的时间也越少，相应的IOPS也就越大

带宽（Throughput）

带宽是指磁盘在实际使用的时候从磁盘系统总线上流过的数据量，也称为磁盘的实际传输速率

带宽 = IOPS * IO大小

利用率和响应时间

固态硬盘

价格逐渐下降，容量越来越大，固态硬盘（SSD）变得越来越流行

SSD原理

使用flash 技术存储信息

内部没有机械结构

耗电量更小

散热小

噪音小

基于SSD的使用频率，其使用寿命有限

SSD的3中主要的类型

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明显

固态硬盘结构

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

支持TCQ/NCQ，一次响应多个IO请求

典型响应时间低于0.1ms

SDD 性能优势

响应时间短

机械硬盘的机械特性导致大部分时间浪费在寻道和机械延迟上，数据传输效率收到严重制约

读写效率高

机械硬盘在进行随机读写曹祖时，磁头不停的移动，导致读写效率低下

而SSD 通过内部控制器计算出数据的存放位置，直接进行存取操作，故效率高

SSD 功耗优势

Linux TCP/IP

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