Linux 磁盘管理之磁盘理论篇

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2023-02-13 00:23 100阅读 0赞

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*  Linux 磁盘管理之磁盘理论篇
 *   *  磁盘简介
     *  机械硬盘
     *   *  常用总线协议/磁盘类型
         *   *  SCSI协议
             *   *  并行SCSI 的演变
                 *  SCSI-3 架构
                 *  SCSI 协议模型
                 *  SCSI 协议寻址
             *  ATA 和 SATA
             *  Serial Attached SCSI（串行 SCSI 协议）
         *  I/O（Input/Ouput）操作
         *  寻道时间
         *  旋转时延
         *  数据传输时延
         *  IOPS
         *  带宽（Throughput）
         *  利用率和响应时间
     *  固态硬盘
     *   *  SLC-MLC-TLC
         *  固态硬盘的磨损
         *  固态硬盘结构
         *  SDD 性能优势
         *  SSD 功耗优势

> Time: 2020-05-25  
> Auth: 若尘

# Linux 磁盘管理之磁盘理论篇 #

## 磁盘简介 ##

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*  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

![磁盘][format_png]

## 机械硬盘 ##

### 常用总线协议/磁盘类型 ###

#### SCSI协议 ####

--------------------

*  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

![format_png 1][]

##### 并行SCSI 的演变 #####

*  （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-3 架构 #####

![SCSI-3架构][SCSI-3]

*  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

##### SCSI 协议模型 #####

*  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

![SCSI模型][SCSI]

##### SCSI 协议寻址 #####

*  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

#### ATA 和 SATA ####

*  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

#### Serial Attached SCSI（串行 SCSI 协议） ####

*  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)

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>单个IO大小</th> 
   <th>寻道时间(ms)</th> 
   <th>旋转延迟(ms)</th> 
   <th>c传输时延(ms)</th> 
   <th>IO服务时间(ms)</th> 
   <th>IOPS</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>4K</td> 
   <td>5</td> 
   <td>2</td> 
   <td>4K/40MB = 0.1</td> 
   <td>7.1</td> 
   <td>140</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>8K</td> 
   <td>5</td> 
   <td>2</td> 
   <td>8K/40MB = 0.2</td> 
   <td>7.2</td> 
   <td>139</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>16K</td> 
   <td>5</td> 
   <td>2</td> 
   <td>16K/40MB = 0.4</td> 
   <td>7.4</td> 
   <td>135</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>32K</td> 
   <td>5</td> 
   <td>2</td> 
   <td>32K/40MB = 0.8</td> 
   <td>7.8</td> 
   <td>128</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  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 ###

![利用率和响应时间][format_png 2]

## 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 ###

![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

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>类型</th> 
   <th>容量</th> 
   <th>可擦写次数</th> 
   <th>单位容量价格</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>SLC</td> 
   <td>小</td> 
   <td>约100,000</td> 
   <td>高</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>eMLC(企业级别)</td> 
   <td>中等</td> 
   <td>约30,000</td> 
   <td>中等</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>cMLC(消费者)</td> 
   <td>中等</td> 
   <td>5000~10,000</td> 
   <td>低</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>TLC</td> 
   <td>大</td> 
   <td>500~1,000</td> 
   <td>很低</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 固态硬盘结构 ###

![固态硬盘结构][format_png 3]

*  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 ###

![SSD功耗优势][SSD]

[format_png]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9ncmFwaC5iYWlkdS5jb20vcmVzb3VyY2UvMTIxYTEzYjI3YmRjNTU4ODI3YzAzMDE1OTAzOTg5NDMuanBn?x-oss-process=image/format,png
[format_png 1]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9ncmFwaC5iYWlkdS5jb20vcmVzb3VyY2UvMTIxOGQwMWQ4NmY2OWVlY2I1OGMwMDE1OTAzOTU4NTkuanBn?x-oss-process=image/format,png
[SCSI-3]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9ncmFwaC5iYWlkdS5jb20vcmVzb3VyY2UvMTIxMmVhMGUzOWE3YzcyNjA5NWM2MDE1OTAzOTU4MTUuanBn?x-oss-process=image/format,png
[SCSI]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9ncmFwaC5iYWlkdS5jb20vcmVzb3VyY2UvMTIxZWI3M2EyYTZlMjFhMjkwODE2MDE1OTAzOTU3NTMuanBn?x-oss-process=image/format,png
[format_png 2]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9ncmFwaC5iYWlkdS5jb20vcmVzb3VyY2UvMTIxMzdlMzMxNTlhZDc5NzRkY2U1MDE1OTA0MDA3MzEuanBn?x-oss-process=image/format,png
[SLC-MLC-TLC]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9ncmFwaC5iYWlkdS5jb20vcmVzb3VyY2UvMTIxMjM2NTEyYzczNDI4ZDM4YzdjMDE1OTA0MDEzODYuanBn?x-oss-process=image/format,png
[format_png 3]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9ncmFwaC5iYWlkdS5jb20vcmVzb3VyY2UvMTIxNWMyZjUxNGRkNmJjOTI5NGE1MDE1OTA0MDIzNzMuanBn?x-oss-process=image/format,png
[SSD]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9ncmFwaC5iYWlkdS5jb20vcmVzb3VyY2UvMTIxNDQyNTE5NDc2YTlhYzMxNTYzMDE1OTA0MDI0MDguanBn?x-oss-process=image/format,png