MSSE-基礎(chǔ)類(lèi)-1-硬盤(pán)技術(shù)V11

1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)第五級(jí)*Click to edit Master title styleClick to edit Master text stylesSecond levelThird levelFourth levelFifth level*MSSE-基礎(chǔ)類(lèi)-1-硬盤(pán)技術(shù)V11MSSE培訓(xùn)教材硬盤(pán)技術(shù)硬盤(pán)的結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)硬盤(pán)接口技術(shù)硬盤(pán)的種類(lèi)及發(fā)展趨勢(shì) 關(guān)于FC和SAS磁盤(pán)學(xué)習(xí)目標(biāo) 硬盤(pán)結(jié)構(gòu)主軸馬達(dá)(Spindle Motor)磁頭基座(Base Plate)磁頭停放區(qū)(Parking Zone)盤(pán)片(Media)傳動(dòng)部件接口圖1：硬盤(pán)主要

2、組成圖2：硬盤(pán)結(jié)構(gòu)圖圖4：控制電路和讀寫(xiě)磁頭圖3：多盤(pán)片讀寫(xiě)示意 硬盤(pán)結(jié)構(gòu)組成常用指標(biāo)容量：指硬盤(pán)能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大小，以字節(jié)為基本單位單碟容量：硬盤(pán)都是由一個(gè)或幾個(gè)盤(pán)片組成的，單碟容量就是指包括正反兩面在內(nèi)的單個(gè)盤(pán)片的總?cè)萘?轉(zhuǎn)速：即主軸馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，單位為RPM（Round Per Minute)，即每分鐘盤(pán)片轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)緩存：是硬盤(pán)控制器上的一塊內(nèi)存芯片，具有極快的存取速度，它是硬盤(pán)內(nèi)部盤(pán)片和外部接口之間的緩沖器硬盤(pán)的主要指標(biāo)（一） 常用指標(biāo)平均訪問(wèn)時(shí)間：硬盤(pán)磁頭找到目標(biāo)數(shù)據(jù)所需的平均時(shí)間平均尋道時(shí)間：磁頭尋找目標(biāo)數(shù)據(jù)所在磁道所需的平均時(shí)間平均潛伏時(shí)間：當(dāng)磁頭移動(dòng)到數(shù)據(jù)所在的磁道后，等待指定的

3、數(shù)據(jù)扇區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)到磁頭下方的時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸率：內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率：數(shù)據(jù)從盤(pán)片表面?zhèn)鬏數(shù)接脖P(pán)的緩存的速率外部數(shù)據(jù)傳輸率：數(shù)據(jù)從硬盤(pán)的緩存讀出到外部總線的速率MTBF：MeanTimeBetweenFailure，平均無(wú)故障時(shí)間硬盤(pán)的主要指標(biāo)（二） 常用指標(biāo)： Self-Monitoring ,Analysis and Reporting Technology，自監(jiān)測(cè)、分析及報(bào)告技術(shù)，監(jiān)測(cè)磁頭、磁盤(pán)、馬達(dá)、電路等部件，然后根據(jù)得到的關(guān)于各部件運(yùn)行情況與歷史記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較，根據(jù)需要會(huì)自動(dòng)向用戶(hù)發(fā)出警告TCQ：Tagged Command Queuing ，標(biāo)記命令隊(duì)列NCQ：Native Comma

4、nd Queuing ，本機(jī)命令隊(duì)列，是SATA 規(guī)范支持的一種新的功能，支持NCQ的硬盤(pán)可以對(duì)指令進(jìn)行排隊(duì)（多達(dá)32條指令），重新編排指令執(zhí)行次序，也可以立即執(zhí)行指令，可提高硬盤(pán)的性能，減少CPU占用率Duty Cycle：指硬盤(pán)的工作負(fù)荷， 定義為特定時(shí)間段內(nèi)硬盤(pán)用于尋道、讀/寫(xiě)操作的時(shí)間占總時(shí)間的百分比。100%即表示硬盤(pán)每天24小時(shí)不停在進(jìn)行讀寫(xiě)操作SCT： 即S.M.A.R.T Command Transport，該技術(shù)在硬盤(pán)內(nèi)部劃出一部分扇區(qū)做為日志記錄，分析SMART命令包含的狀態(tài)信息，判斷硬盤(pán)的工作狀況從而調(diào)節(jié)負(fù)載（比如數(shù)據(jù)流量）來(lái)保證硬盤(pán)可靠性硬盤(pán)的主要技術(shù)影響硬盤(pán)性能的主要

5、參數(shù)目前的硬盤(pán)分為單碟和多碟磁盤(pán)兩種類(lèi)型，每張盤(pán)片正反兩面均可以存放數(shù)據(jù)，但硬盤(pán)每個(gè)時(shí)刻只允許一個(gè)磁頭來(lái)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。影響硬盤(pán)性能的因素主要包括以下幾種：硬盤(pán)轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速是影響硬盤(pán)連續(xù)IO時(shí)吞吐量性能的首要因素，盤(pán)片轉(zhuǎn)的越快，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間就越短，目前硬盤(pán)轉(zhuǎn)速最高為15000轉(zhuǎn)每分。尋道速度：尋道速度是影響硬盤(pán)隨機(jī)IO性能的首要因素，隨機(jī)情況下，磁頭臂需要頻繁更換磁道。目前高端磁盤(pán)的平均尋道速度都在10ms以下。緩存：緩存為磁盤(pán)電路板上的一塊RAM芯片，硬盤(pán)緩存的大小直接影響硬盤(pán)的整體性能。接口速度：接口速度是影響硬盤(pán)性能的一個(gè)最不重要的因素，目前的接口速度在理論上已經(jīng)滿(mǎn)足了磁盤(pán)所能達(dá)到的最高外部傳輸

6、帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際的磁盤(pán)內(nèi)部傳輸帶寬。內(nèi)部傳輸率和外部傳輸率硬盤(pán)數(shù)據(jù)傳輸率：硬盤(pán)數(shù)據(jù)傳輸率表現(xiàn)出硬盤(pán)工作時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速度，是硬盤(pán)工作性能的具體表現(xiàn)，在讀取硬盤(pán)不同磁道、不同扇區(qū)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存放的是否連續(xù)等因素都會(huì)影響到硬盤(pán)數(shù)據(jù)傳輸率。因?yàn)檫@個(gè)數(shù)據(jù)的不確定性，所以廠商在標(biāo)示硬盤(pán)參數(shù)時(shí)，更多是采用外部數(shù)據(jù)傳輸率(External Transfer Rate)和內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率（Internal Transfer Rate）。內(nèi)部傳輸率：是指硬盤(pán)磁頭與緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸率，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是硬盤(pán)將數(shù)據(jù)從盤(pán)片上讀取出來(lái)，然后存儲(chǔ)在緩存內(nèi)的速度。內(nèi)部傳輸率可以明確表現(xiàn)出硬盤(pán)的讀寫(xiě)速度，是衡量硬盤(pán)性能的真正標(biāo)準(zhǔn)。主

7、流企業(yè)級(jí)硬盤(pán)的內(nèi)部傳輸率從70MB/s-150MB/s不等。外部傳輸率：是指硬盤(pán)緩存和電腦系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸率，也就是通過(guò)硬盤(pán)接口從緩存中將數(shù)據(jù)讀出交給相應(yīng)的控制器的速率。硬盤(pán)的結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)硬盤(pán)接口技術(shù)硬盤(pán)的種類(lèi)及發(fā)展趨勢(shì) 關(guān)于FC和SAS磁盤(pán)學(xué)習(xí)目標(biāo)硬盤(pán)接口技術(shù)SCSI和ATA是目前現(xiàn)行的兩大主機(jī)與外設(shè)通信的協(xié)議規(guī)范，且各自都有自己的物理接口定義。目前硬盤(pán)提供的物理接口主要包括以下幾種：用于ATA指令系統(tǒng)的并行IDE接口用于ATA指令系統(tǒng)的串行SATA接口用于SCSI指令系統(tǒng)的并行SCSI接口用于SCSI指令系統(tǒng)的串行SCSI（SAS）接口用于SCSI指令系統(tǒng)的并且承載于FabreChan

8、nel協(xié)議的串行FC接口硬盤(pán)接口技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) SCSI-2 SCSI-3FC-AL100MB/S perPortFC-AL200MB/S perPortSynchronous SCSI 5MB/sFastWide SCSI 10/20MB/sUltra SCSI20/40MB/sUltra2 SCSI40/80MB/sUltra160SCSI160MB/sUltra320 SCSI320/MB/s SAS300MB/s per port SATA SATA IISerial ATA150MB/sSerial ATA II300MB/sFC-AL400MB/S perPort串行并行SAS600

9、MB/s per portATA ATA-1 3.3MB/sATA-2/3 16.6MB/sATA-4 33.3MB/sATA-5 66.6MB/sATA-6 100MB/sATA-7 133MB/s并行傳輸和串行傳輸并行傳輸：并行傳輸是在傳輸中有多個(gè)數(shù)據(jù)位同時(shí)在設(shè)備之間進(jìn)行的傳輸。并行接口中各位數(shù)據(jù)都是并行傳送的，它通常是以字節(jié)（8位）或（16位）為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。并行傳輸技術(shù)難點(diǎn)不同數(shù)據(jù)如何同一時(shí)序到達(dá)提高時(shí)鐘頻率導(dǎo)致相互串?dāng)_增加位寬導(dǎo)致成本大幅上升串行傳輸：串行傳輸是數(shù)據(jù)在傳輸中只有1個(gè)數(shù)據(jù)位在設(shè)備之間進(jìn)行的傳輸。對(duì)任何一個(gè)由若干位二進(jìn)制表示的字符，串行傳輸都是用一個(gè)傳輸信道，按位有序

10、的對(duì)字符進(jìn)行傳輸。圖5：IDE硬盤(pán)線纜圖6：SATA硬盤(pán)線纜硬盤(pán)的結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)硬盤(pán)接口技術(shù)硬盤(pán)的種類(lèi)及發(fā)展趨勢(shì) 關(guān)于FC和SAS磁盤(pán)學(xué)習(xí)目標(biāo)硬盤(pán)類(lèi)型及接口圖示 硬盤(pán)類(lèi)型ATA/IDESCSIFCSATASASSSD接口視圖容量FC硬盤(pán) 100GB 300GB 750GB 1000GB146GB300GBSAS硬盤(pán)250GB 400GB 500GB 750GB1TBSATA硬盤(pán)73GB146GB 500GB73GB 300GB146GB 2007SCSI硬盤(pán)73GB 450GB 300GB 450GB硬盤(pán)發(fā)展歷史及趨勢(shì) 2003 2004 2001 2008 2002 2008 2010 60

11、0GB 2010 600GB （6Gb/s） 20052TB 2009100GB200GB400GBSSD硬盤(pán) 2009 2011ATA/IDE接口硬盤(pán)簡(jiǎn)介Power連接器主/從盤(pán) 跳線40-pin連接器ATA( Advanced Technology Attachment )高級(jí)技術(shù)附加裝置ATA硬盤(pán)是傳統(tǒng)的桌面級(jí)硬盤(pán)，主要應(yīng)用于個(gè)人PC機(jī)，也經(jīng)常稱(chēng)為IDE（ IntegratedDriveElectronics ）硬盤(pán)ATA接口為并行ATA技術(shù)，下一代的產(chǎn)品是串行ATA（SATA）SCSI接口硬盤(pán)介紹SCSI (Small Computer System Interface )小型計(jì)算機(jī)系

12、統(tǒng)接口SCSI硬盤(pán)并發(fā)處理性能優(yōu)異，常應(yīng)用于企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)領(lǐng)域SCSI硬盤(pán)采用并行接口，接口速率目前發(fā)展到320MB/s，基本已經(jīng)達(dá)到極限，已經(jīng)逐漸被其串行版本SAS（ Serial Attached SCSI ）硬盤(pán)所替代80-pin 公接頭FC接口硬盤(pán)介紹FC硬盤(pán)采用FC-AL( Fiber Channel Arbitrated Loop，光纖通道仲裁環(huán)) 接口模式FC-AL是一種雙端口的串行存儲(chǔ)接口, 目前能夠提供400MB/s速率FC-AL支持全雙工工作方式FC-AL利用類(lèi)似SATA/SAS所用的4芯連接，提供一種單環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)控制器能訪問(wèn)126個(gè)硬盤(pán)SATA接口硬盤(pán)介紹SATA：Se

13、rial ATA (Serial AdvancedTechnologyAttachment )串行ATASATA采用串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，接口速率比IDE接口高，最低為150MB/s，并且第二代（SATA ）300MB/s接口硬盤(pán)已經(jīng)廣泛使用，規(guī)劃內(nèi)的最高速率可達(dá)600MB/sSATA硬盤(pán)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式，支持熱插拔，即插即用SATA技術(shù)SATAII有以下五個(gè)主要特性：更高的端口傳輸率（300MB/s）本機(jī)命令隊(duì)列（NCQ）組件管理（Enclosure Management ），比如風(fēng)扇控制，溫度控制，新硬盤(pán)指示，壞硬盤(pán)指示，硬盤(pán)狀態(tài)指示等 端口復(fù)用（Port Multiplier ），允許

14、多個(gè)硬盤(pán)連接到同一端口可向上兼容SAS技術(shù)SAS磁盤(pán)技術(shù)23先進(jìn)的磁盤(pán)接口繼承SCSI的穩(wěn)定可靠性全雙工、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸3.0/6.0Gbps接口傳輸速率雙端口冗余備份多種速率類(lèi)型支持15,000/10,000/7,200rpm三種速率良好的兼容性SATA磁盤(pán)兼容SSD磁盤(pán)的主要接口方式服務(wù)器、存儲(chǔ)陣列均可使用SAS線纜接口SAS磁盤(pán)磁盤(pán)接口SAS技術(shù)優(yōu)點(diǎn) 性能：SAS技術(shù)單通道可提供6.0Gb/s的傳輸率，采用SAS 4路寬端口技術(shù)，單條鏈路即可達(dá)24Gb/s；SAS技術(shù)本身也已規(guī)劃到12Gb的速率兼容性：SAS連接器可以同時(shí)支持SATA和SAS硬盤(pán)可擴(kuò)展性：通過(guò)Expander可以擴(kuò)展到超

15、過(guò)16000個(gè)設(shè)備支持世界范圍唯一的設(shè)備ID號(hào)，提高了設(shè)備尋址能力支持更長(zhǎng)距離的電纜，在無(wú)光纖傳輸能力的情況下，電纜長(zhǎng)度可以到10米靈活性：SAS可以使用現(xiàn)有的SCSI命令集，保護(hù)企業(yè)現(xiàn)有SCSI軟件的投資，繼承了SCSI的高可用性，并在SCSI命令排隊(duì)方面進(jìn)行了優(yōu)化SAS完全承襲了SCSI的優(yōu)勢(shì)，采用串行技術(shù)性能得到進(jìn)一步提升，同時(shí)還考慮了向下兼容SATA的問(wèn)題，因此用戶(hù)可以根據(jù)不同的需求和承受能力，靈活選擇SAS和SATA進(jìn)行組合來(lái)構(gòu)建存儲(chǔ)系統(tǒng)機(jī)械硬盤(pán)各類(lèi)接口間的對(duì)比 SATA（企業(yè)級(jí)）SCSISASFC轉(zhuǎn)速（RPM）7,20015,00015,00015,000緩存（兆）32161616

16、串行/并行串行并行串行串行硬盤(pán)主流容量2TB300GB450/600GB450/600GBMTBF1,200,0001,600,0001,600,0001,600,000TCQ支持支持支持支持NCQ支持*支持支持支持* SATA 接口硬盤(pán)支持NCQ，SATA 不支持SSD硬盤(pán)介紹 SSD（Solid State Disk）硬盤(pán)泛指由控制單元和固態(tài)存儲(chǔ)單元（DRAM或Flash芯片）組成的存儲(chǔ)設(shè)備，目前支持SATA、FC、SAS接口。 VS.相比機(jī)械硬盤(pán)，SSD優(yōu)點(diǎn)如下：數(shù)據(jù)存取速度快：在密集的IO讀寫(xiě)和低延遲方面與傳統(tǒng)硬盤(pán)對(duì)比性能優(yōu)異；故障率低：內(nèi)部不存在任何機(jī)械部件，內(nèi)部全部采用閃存芯片綠色

17、環(huán)保：工作時(shí)靜音，發(fā)熱量小，散熱快重量更輕：有利于移動(dòng)設(shè)備的攜帶。SSD的分類(lèi)SLC單層式儲(chǔ)存MLC多層式儲(chǔ)存10萬(wàn)次全寫(xiě)操作，每天350GB數(shù)據(jù)更新可使用5年 高可靠性，MTBF為2百萬(wàn)小時(shí) 高性能，讀性能達(dá)到250MB/s，寫(xiě)性能130MB/s 重量87克左右，最大功耗2WSSD分SLC和MLC兩種，主要差別在于擦寫(xiě)次數(shù)和性能。 1萬(wàn)次全寫(xiě)操作，每天20GB數(shù)據(jù)更新可以使用5年 可靠性較低， MTBF為1.2百萬(wàn)小時(shí) 寫(xiě)性能較低，讀性能250MB/s，寫(xiě)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SSD應(yīng)用環(huán)境 存儲(chǔ)的SafeCac

18、he空間數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境高性能集群系統(tǒng)的共享數(shù)據(jù)盤(pán)SSD應(yīng)用環(huán)境目前SSD盤(pán)價(jià)格較高，容量較小，SSD目前更適合隨機(jī)讀比例較高，響應(yīng)時(shí)間要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合，包括：基于SSD的分級(jí)存儲(chǔ)29CacheSSDSASSATA性能提升第0層第1層第2層第3層以SSD為核心的分層存儲(chǔ)，提高資源整體利用效率用少量的SSD盤(pán)提升存儲(chǔ)陣列的整體性能SSD5SAS5SATA典型應(yīng)用：SSD用作緩存SSD作為所有卷/指定卷的二級(jí)緩存，所有對(duì)HDD的讀寫(xiě)請(qǐng)求都經(jīng)過(guò)SSD典型應(yīng)用：SSD用作熱點(diǎn)區(qū)對(duì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)頻度進(jìn)行分析，將近期訪問(wèn)頻繁的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，從HDD磁盤(pán)遷移到SSD磁盤(pán)典型配置：少量SSD+大量低速SAS/SATA的組合

19、硬盤(pán)廠家的路標(biāo)30FC硬盤(pán)(3.5寸)已經(jīng)不再有新的產(chǎn)品型號(hào)10/15K轉(zhuǎn)硬盤(pán)全部都是SAS接口7200K轉(zhuǎn)的2.5寸硬盤(pán)是SAS/ SATA接口7200K轉(zhuǎn)的3.5寸硬盤(pán)是SAS/ SATA接口SSD硬盤(pán)以2.5寸SAS為主，保留3.5寸FCX主要硬盤(pán)廠商希捷是一家專(zhuān)業(yè)硬盤(pán)制造商，推出全系列多領(lǐng)域應(yīng)用的硬盤(pán)，并為EMC、MacroSAN等知名廠商提供硬盤(pán)服務(wù)。希捷公司以其品種齊全、技術(shù)創(chuàng)新快、質(zhì)量好在存儲(chǔ)硬盤(pán)市場(chǎng)穩(wěn)占第一位。企業(yè)級(jí)硬盤(pán)產(chǎn)品主要分為：Savvio系列（2.5英寸10K或15K SAS硬盤(pán)）；Cheetah系列（3.5英寸10K或15K SAS、FC硬盤(pán)）；Constellati

20、on系列（2.5英寸 7.2K SAS硬盤(pán)）Barracuda ES/Constellation ES系列（3.5英寸7.2K企業(yè)級(jí)SATA、SAS硬盤(pán)）。西部數(shù)據(jù)相對(duì)于希捷公司來(lái)說(shuō)，硬盤(pán)產(chǎn)品線比較單一，憑借其技術(shù)成熟、性能優(yōu)良及可靠性高等特點(diǎn)也在存儲(chǔ)市場(chǎng)占據(jù)了一席之地，并為EMC、MacroSAN等知名廠商提供硬盤(pán)服務(wù)。企業(yè)級(jí)硬盤(pán)主要有三個(gè)系列：WD VelociRaptor猛禽系列，提供2.5或3.5英寸10K轉(zhuǎn)高可靠性、高性能SATA硬盤(pán)；WD RE2/RE3系列，提供3.5英寸7200轉(zhuǎn)SATA硬盤(pán)；WD RE2-GP系列，SATA硬盤(pán)，通過(guò)轉(zhuǎn)速、數(shù)據(jù)傳輸速率和緩存算法的精確平衡實(shí)現(xiàn)節(jié)

21、能；WD RE4-GP系列，3.5英寸2TBSATA盤(pán)，節(jié)能。企業(yè)級(jí)硬盤(pán)與桌面級(jí)硬盤(pán)的區(qū)別 序號(hào)參數(shù)桌面級(jí)企業(yè)級(jí)1上電時(shí)間8小時(shí)/天24小時(shí)/天2Duty Cycle（工作負(fù)荷）低高（可達(dá)100%）3MTBF75萬(wàn)小時(shí)120萬(wàn)小時(shí)以上4SCT不支持支持5錯(cuò)誤糾正功能不支持支持6負(fù)載管理（用于控制機(jī)體溫度及保證長(zhǎng)時(shí)間工作可靠性）不支持支持硬盤(pán)類(lèi)型選擇硬盤(pán)類(lèi)型容量性能可靠性?xún)r(jià)格綜合FC硬盤(pán)SATA硬盤(pán)（企業(yè)級(jí)）SAS硬盤(pán)SSD磁盤(pán)很好好一般差很差 MacroSAN磁盤(pán)陣列使用硬盤(pán)磁盤(pán)陣列類(lèi)型容量轉(zhuǎn)速M(fèi)S5000系列SSD(3.5英寸)100GB200GB400GBSAS(3.5英寸)SAS(2.5英寸)300GB450GB600GB15000RPM10000RPMSAS/SATA(3.5英寸)1TB2TB7200RPMMS3000系列SSD(3.5英寸)100GB200GB400GBSAS(3.5英寸)SAS(2.5英寸)300GB450GB600GB15000RPM10000RPMSAS/SATA(3.5英寸)1TB2TB7200RPMMS1000系列SAS/SATA(3.5英寸)1TB2TB7200RPM硬盤(pán)的結(jié)構(gòu)及主要