磁碟與陣列技術

2.1 磁碟HDD(Hard Disk Drive)

1.磁碟依舊佔外部儲存市場的主流

2.HDD新技術

　　-HAMR技術（熱輔助磁記錄）：提高單盤儲存容量（20TB起）

　　-MACH.2（雙驅動臂）：提高讀寫速度（480MB/s）

3.HDD大容量硬碟未衰反興

4.磁盤裡面的結構

　　磁碟碟片：將硬磁材料塗敷、電鍍或沉積在金屬或玻璃材質的基板上，是記錄二進位制資訊的載體

　　主軸：將磁碟碟片固定在磁碟內部，在電動馬達的驅動下，磁碟碟片以主軸為中心高速轉動。（指標是每分鐘的轉速）

　　步進電機：控制磁頭精確定位到每個磁軌

　　傳動手臂：

　　讀寫磁頭：將電脈衝訊號轉換成介質上的磁化狀態，又將介質的磁化狀態轉換成電脈衝訊號，是電磁轉換的“橋樑”（將硬磁材料塗敷、電鍍或沉積在金屬或玻璃材質的基板上，是記錄二進位制資訊的載體）

　　控制器：控制主軸電機的供電和速度、磁碟與主機CPU的通訊、如何移動激勵臂膀以控制讀寫、讀寫磁頭的轉換、資料訪問優化等等

5.磁碟的基本操作

　　資料寫入：

　　　　通過控制電路，驅動磁頭改變碟片上磁性粒子簇的極性來寫入資料。

　　資料讀取：

　　　　碟片上被極化的磁性粒子與磁頭上的磁感應物質相互作用，在磁頭上產生感應電壓，進一步被轉化為能夠被計算機處理的二進位制訊號。

 6.磁碟幾何

　　- 每個磁面由許多磁軌構成

　　- 每個磁軌又被分割為許多扇區

7.格式化磁碟

　　允許控制器為每個區域留出備用的柱面，解釋“格式化容量”和“最大容量”之間的差異。

8. 柱面

　　對齊的軌道形成柱面。

 9.實體地址與邏輯地址

實體地址 = CHS(柱面、磁頭、扇區)

邏輯地址= Block#

 10.磁碟容量

　　確定容量的技術因素：

　　　　記錄密度Recording density (bits/in):磁軌一英寸的段中可以放入的位數.

　　　　磁軌密度Track density (tracks/in):從碟片中心出發半徑上一英寸的段內可以有的磁軌數.

　　　　面密度Areal density (bits/in2):記錄密度與磁軌密度的乘積.

　　注：由於外磁軌的長度大於內磁軌。現代磁碟不再把內外磁軌劃分為相同數目的扇區，而是利用外層磁軌容量較內層磁軌大的特點，將盤面劃分成若干條環帶。

　　儲存容量 ＝ 磁頭數 × 磁軌(柱面)數 × 每道扇區數 × 每扇區位元組數

11.磁碟定位

　　平均訪問時間 = 平均尋道時間 + 平均旋轉延遲 + 平均轉換時間

　　（一般平均尋道時間是8ms）

　　訪問磁碟的時間主要開銷是尋道時間和旋轉延遲！

　　• 最大旋轉延遲

　　　　　Tmax rotation=(1/RPM) * (60secs/1min)

　　• 平均旋轉延遲
　　　　　Tavg rotation =(1/2)*Tmax rotation

　　常見引數：

　　一個400G磁碟的典型引數：

　　　　（1）16,383 柱面，每個柱面24M位元組

　　　　（2）8個雙面盤，共有16個讀寫頭

　　　　（3）每分鐘7200轉

　　　　（4）一個讀寫頭每秒可以讀寫 120 × 1.5 = 80MB/S

　　　　（5）每個磁軌的資料位 24/16=1.5MB per track

12.磁碟驅動器效能:資料傳輸速率

 13.外部裝置互連

 14.磁碟訪問時間

　　（1）IDE匯流排：66MB/S 是一個比較常見的速度

　　　　　　電子裝置會成為66MB/S瓶頸

　　（2）SATA3: 3GB/S

　　　　　　機制會成為180MB/S的瓶頸

　　（3）幾個關鍵點

　　　　· 訪問時間是由尋道時延和旋轉時延決定的

　　　　· 找到某個扇區上的第一位是最貴的，其餘位是免費的

　　　　· 訪問8byte，SRAM的訪問時間是4ns

　　　　· 訪問8byte，DRAM的訪問時間是60ns

　　　　· 訪問512byte，磁碟要10ms, 因此磁碟的訪問速率比DRAM慢2500倍，比SRAM慢40000倍

15.驅動的可靠性:平均無故障時間

  　　  MTBF:Mean Time Between Failure(裝置發生故障之前的執行時間)

2.2磁碟陣列RAID Arrays

1.背景

　　（1）計算機系統總體效能的提高很不匹配
　　　　· 處理器和主存效能改進快
　　　　· 輔存效能改進慢

　　（2）廉價磁碟冗餘陣列（Redundant Array of Inexpensive Disks，RAID）

　　　　UC, Berkeley：David A. Patterson
　　　　RAID0~RAID6

 2.RAID基本思想

　　將多個具有獨立操作的廉價磁碟按某種方式組織成一個磁碟陣列(Disk Array)，以增加容量，利用類似於主存中的多體交叉技術，將資料儲存在多個盤體上，讓這些盤並行工作來提高資料傳輸速度，並採用冗餘(redundancy)磁盤技術來進行錯誤恢復(error correction)以提高系統可靠性(reliability)。

　　· RAID是一組物理盤，作業系統將其視為單個邏輯盤

　　· 獨立冗餘磁碟陣列RAID：Redundant Arrays of Independent Disks，獨立磁碟構成的具有冗餘能力的陣列

3.NRAID

　　(1) NRAID：Non-RAID

　　(2) 所有磁碟的容量組合成一個邏輯盤，沒有資料塊分條(no block stripping)

　　　　· NRAID不提供資料冗餘
　　　　·要求至少一個磁碟

 4.JOBD:Just a Bunch of Disks(磁碟簇)

　　（1）一個在底板上安裝的、帶有多個磁碟驅動器的附件，與RAID陣列不同，沒有前端邏輯來管理磁碟上的資料分佈

　　（2） 磁碟控制器把每個物理磁碟看作獨立的磁碟單獨定址，因此每個磁碟都是獨立的邏輯盤

　　（3） JBOD也不提供資料冗餘

　　（4）要求至少一個磁碟

5.RAID組成

 6.資料組織:條帶（stripe）

　　(1)stripe是由多個磁碟上的stripes構成的資料條帶

　　(2)stripe的width是指資料被劃分為了多少個併發的stripes

　　(3)效能分析-條帶：

　　　　· strip/block size可調：頻寬和吞吐率的折中
　　　　· Small size ： 高傳輸速度
 　　　   · Large size ： 併發I/O

7.RAID 冗餘技術

　　(1)映象

 　　　　通過映象來實現冗餘，儲存在磁碟A的內容，也儲存在B中。

　　(2)副本

 　　用一個磁碟專門用來儲存前面幾個磁碟的副本

8.磁碟級別

　　(1)RAID0:條帶陣列，無容錯

 　　(2)RAID1: 磁碟陣列

　　優點:高資料可用性和高I/O率(小塊)。

　　缺點:可用儲存容量為50%。

　　效能:提高讀效能，但降低寫效能。

　　資料保護:改進了raid0的容錯能力。

　　應用:會計，支付，金融和需要高可靠性的應用。

 　　(3)RAID 0+1

　　 (4)RAID 1+0

 重點：

　　RAID 0+1 和 RAID 1+0 又有什麼區別呢？
　　· RAID 0+1是先讓磁碟組內的成員組成RAID 0條帶化，然後磁碟組之間為RAID 1映象關係。　　　　

　　· RAID 1+0是先讓磁碟組內的成員組成RAID 1互為映象，然後磁碟組之間RAID 0條帶化。

　　· 除了構成先後的差別外，主要的區別還表現在容錯性上。RAID 0+1 的損壞一塊磁碟之後，所在的RAID 0組即認為損壞，RAID 0+1 實際上已經退化為一個RAID 0 的結構，此時，上面那組RAID 0隨便壞一塊，整個RAID就崩潰了。

　　· 相對來說，RAID 1+0 就不會有這個問題，只要同一個RAID 1組內硬碟不全部損壞，整個RAID就不會有問題，在圖中可以認為，只要右上角的那塊磁碟不壞，整個RAID就不會崩潰。

 　　(5)  RAID3: 帶奇偶校驗碼的並行傳送

        RAID 3總是在所有磁碟上讀取和寫入完整的資料條紋。至少需要3塊盤（2塊盤沒有校驗的意義）。將資料存放在n+1塊盤上，有效空間是n塊盤的總和，最後一塊儲存校驗資訊。資料被分割儲存在n塊盤上，任一資料盤出現問題，可由其他資料盤通過校正監測恢復資料（可以帶傷工作），換資料盤需要重新恢復完整的校驗容錯資訊。對陣列寫入時會重寫校驗盤的內容，對校驗盤的負載較大，讀寫速度相較於Raid0較慢，適用於讀取多而寫入少的應用環境，比如資料庫和web伺服器。使用容錯演算法和分塊的大小決定了Raid3在通常情況下用於大檔案且安全性要求較高的應用，比如視訊編輯、硬碟播出機、大型資料庫等。

　　stripe size = logic block size of file system

　　（6）RAID4: 帶奇偶校驗碼的獨立磁碟結構

　　提供了非常好的讀效能，但單一的校驗盤往往成為系統性能的瓶頸。對於寫操作，RAID4 只能一個磁碟一個磁碟地寫，並且還要寫入校驗資料，因此寫效能比較差。而且隨著成員磁碟數量的增加，校驗盤的系統瓶頸將更加突出。正是如上這些限制和不足，所以不推薦 RAID4 在實際應用。RAID4和RAID3很象，不同的是，它對資料的訪問是按資料塊進行的，也就是按磁碟進行的，每次是一個盤。在圖上可以這麼看，RAID3是一次一橫條，而RAID4一次一豎條。它的特點的RAID3也挺象，不過在失敗恢復時，它的難度可要比RAID3大得多了，控制器的設計難度也要大許多，而且訪問資料的效率不怎麼好。 

　　(7) RAID5:分散式奇偶校驗的獨立磁碟結構

　　奇偶校驗值，其它的意思也相同。RAID5的讀出效率很高，寫入效率一般，塊式的集體訪問效率不錯。因為奇偶校驗碼在不同的磁碟上，所以提高了可靠性，允許單個磁碟出錯。RAID 5也是以資料的校驗位來保證資料的安全，但它不是以單獨硬碟來存放資料的校驗位，而是將資料段的校驗位互動存放於各個硬碟上。這樣，任何一個硬碟損壞，都可以根據其它硬碟上的校驗位來重建損壞的資料。硬碟的利用率為n-1。 但是它對資料傳輸的並行性解決不好，而且控制器的設計也相當困難。RAID 3 與RAID 5相比，重要的區別在於RAID 3每進行一次資料傳輸，需涉及到所有的陣列盤。而對於RAID 5來說，大部分資料傳輸只對一塊磁碟操作，可進行並行操作。在RAID 5中有“寫損失”，即每一次寫操作，將產生四個實際的讀/寫操作，其中兩次讀舊的資料及奇偶資訊，兩次寫新的資料及奇偶資訊。 RAID-5的話，優點是提供了冗餘性（支援一塊盤掉線後仍然正常執行），磁碟空間利用率較高（N-1/N），讀寫速度較快（N-1倍）。但當掉盤之後，執行效率大幅下降。

 特點：

　　·塊大小調整為典型的I/O對齊到單個磁碟上。

　　·每個條帶有一個校驗塊，但是不同條帶位置不同，在相鄰條帶間循環分佈，從而避免校驗寫的瓶頸

 （8）RAID6:帶有兩種分佈儲存的奇偶校驗碼的獨立磁碟結構

　　名字很長，但是如果看到圖，大家立刻會明白是為什麼，請注意p0代表第0帶區的奇偶校驗值，而pA代表資料塊A的奇偶校驗值。它是對RAID5的擴充套件，主要是用於要求資料絕對不能出錯的場合。當然了，由於引入了第二種奇偶校驗值，所以需要N+2個磁碟，同時對控制器的設計變得十分複雜，寫入速度也不好，用於計算奇偶校驗值和驗證資料正確性所花費的時間比較多，造成了不必須的負載。我想除了軍隊沒有人用得起這種東西。

　　（9）RAID技術比較

　　（10）技術選擇路線

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