MSPE-基础类-1-硬盘技术-v1.3

MSPE培训教材—硬盘技术1目录硬盘的结构及主要技术硬盘接口技术硬盘的种类及发展趋势关于FC和SAS硬盘2

硬盘结构主轴马达(SpindleMotor)磁头基座(BasePlate)磁头停放区(ParkingZone)盘片(Media)传动部件接口图1：硬盘主要组成3图2：硬盘结构图图4：限制电路和读写磁头图3：多盘片读写示意

硬盘结构组成4容量：指硬盘能存储的数据量大小，以字节为基本单位单碟容量：硬盘都是由一个或几个盘片组成的，单碟容量就是指包括正反两面在内的单个盘片的总容量转速：即主轴马达转动速度，单位为RPM（RoundPerMinute)，即每分钟盘片转动圈数缓存：是硬盘限制器上的一块内存芯片，具有极快的存取速度，它是硬盘内部盘片和外部接口之间的缓冲器硬盘的主要指标（一）常用指标常用指标5平均访问时间：硬盘磁头找到目标数据所需的平均时间平均寻道时间：磁头找寻目标数据所在磁道所需的平均时间平均潜藏时间：当磁头移动到数据所在的磁道后，等待指定的数据扇区转动到磁头下方的时间数据传输率：内部数据传输率：数据从盘片表面传输到硬盘的缓存的速率外部数据传输率：数据从硬盘的缓存读出到外部总线的速率MTBF：Mean

Time

Between

Failure，平均无故障时间硬盘的主要指标（二）常用指标6S.M.A.R.T：Self-Monitoring,AnalysisandReportingTechnology，自监测、分析及报告技术，监测磁头、硬盘、马达、电路等部件，然后依据得到的关于各部件运行状况与历史记录的数据进行分析、比较，依据须要会自动向用户发出警告TCQ：TaggedCommandQueuing，标记叮嘱队列NCQ：NativeCommandQueuing，本机叮嘱队列，是SATAⅡ规范支持的一种新的功能，支持NCQ的硬盘可以对指令进行排队（多达32条指令），重新编排指令执行次序，也可以立刻执行指令，可提高硬盘的性能，削减CPU占用率DutyCycle：指硬盘的工作负荷，定义为特定时间段内硬盘用于寻道、读/写操作的时间占总时间的百分比。100%即表示硬盘每天24小时不停在进行读写操作SCT：即S.M.A.R.TCommandTransport，该技术在硬盘内部划出一部分扇区做为日志记录，分析SMART叮嘱包含的状态信息，推断硬盘的工作状况从而调整负载（比如数据流量）来保证硬盘牢靠性硬盘的主要技术7影响硬盘性能的主要参数目前的硬盘分为单碟和多碟硬盘两种类型，每张盘片正反两面均可以存放数据，但硬盘每个时刻只允许一个磁头来读写数据。影响硬盘性能的因素主要包括以下几种：硬盘转速：转速是影响硬盘连续IO时吞吐量性能的首要因素，盘片转的越快，数据传输时间就越短，目前硬盘转速最高为15000转每分。寻道速度：寻道速度是影响硬盘随机IO性能的首要因素，随机状况下，磁头臂须要频繁更换磁道。目前高端硬盘的平均寻道速度都在10ms以下。缓存：缓存为硬盘电路板上的一块RAM芯片，硬盘缓存的大小干脆影响硬盘的整体性能。接口速度：接口速度是影响硬盘性能的一个最不重要的因素，目前的接口速度在理论上已经满足了硬盘所能达到的最高外部传输带宽，远远大于实际的硬盘内部传输带宽。8内部传输率和外部传输率硬盘数据传输率：硬盘数据传输率表现出硬盘工作时数据传输速度，是硬盘工作性能的具体表现，在读取硬盘不同磁道、不同扇区的数据，数据存放的是否连续等因素都会影响到硬盘数据传输率。因为这个数据的不确定性，所以厂商在标示硬盘参数时，更多是接受外部数据传输率(ExternalTransferRate)和内部数据传输率（InternalTransferRate）。内部传输率：是指硬盘磁头与缓存之间的数据传输率，简洁的说就是硬盘将数据从盘片上读取出来，然后存储在缓存内的速度。内部传输率可以明确表现出硬盘的读写速度，是衡量硬盘性能的真正标准。主流企业级硬盘的内部传输率从70MB/s-150MB/s不等。外部传输率：是指硬盘缓存和电脑系统之间的数据传输率，也就是通过硬盘接口从缓存中将数据读出交给相应的限制器的速率。9硬盘接口技术SCSI和ATA是目前现行的两大主机与外设通信的协议规范，且各自都有自己的物理接口定义。目前硬盘供应的物理接口主要包括以下几种：用于ATA指令系统的并行IDE接口用于ATA指令系统的串行SATA接口用于SCSI指令系统的并行SCSI接口用于SCSI指令系统的串行SCSI（SAS）接口用于SCSI指令系统的并且承载于FabreChannel协议的串行FC接口10硬盘接口技术发展趋势SCSI-2SCSI-3FC-AL100MB/SperPortFC-AL200MB/SperPortSynchronousSCSI5MB/sFastWideSCSI10/20MB/sUltraSCSI20/40MB/sUltra2SCSI40/80MB/sUltra160SCSI160MB/sUltra320SCSI320/MB/sSAS300MB/sperport

SATA

SATAIISerialATA150MB/sSerialATAII300MB/sFC-AL400MB/SperPort串行并行SAS600MB/sperportATAATA-13.3MB/sATA-2/316.6MB/sATA-433.3MB/sATA-566.6MB/sATA-6100MB/sATA-7133MB/s11并行传输和串行传输并行传输：并行传输是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输。并行接口中各位数据都是并行传送的，它通常是以字节（8位）或（16位）为单位进行数据传输。并行传输技术难点不同数据如何同一时序到达提高时钟频率导致相互串扰增加位宽导致成本大幅上升串行传输：串行传输是数据在传输中只有1个数据位在设备之间进行的传输。对任何一个由若干位二进制表示的字符，串行传输都是用一个传输信道，按位有序的对字符进行传输。图5：IDE硬盘线缆图6：SATA硬盘线缆12硬盘类型及接口图示硬盘类型ATA/IDESCSIFCSATASAS接口视图13容量FC硬盘100GB300GB750GB1000GB146GB300GBSAS硬盘250GB400GB500GB

1TB2TBSATA硬盘73GB146GB500GB73GB300GB146GB

2007SCSI硬盘73GB450GB300GB450GB硬盘发展历史及趋势

20032004200120082002

2008

2010

600GB

2010600GB（6Gb/s）

20053TB

2009100GB200GB400GBSSD硬盘

2009

2011

20124TB

2012

2TB

3TB14ATA/IDE接口硬盘简介Power连接器主/从盘

跳线40-pin连接器ATA(Advanced

Technology

Attachment) 高级技术附加装置ATA硬盘是传统的桌面级硬盘，主要应用于个人PC机，也常常称为IDE（Integrated

Drive

Electronics）硬盘ATA接口为并行ATA技术，下一代的产品是串行ATA（SATA）15SCSI接口硬盘介绍SCSI(SmallComputerSystemInterface) 小型计算机系统接口SCSI硬盘并发处理性能优异，常应用于企业级存储领域SCSI硬盘接受并行接口，接口速率目前发展到320MB/s，基本已经达到极限，已经渐渐被其串行版本SAS（SerialAttachedSCSI）硬盘所替代80-pin公接头16FC接口硬盘介绍FC硬盘接受FC-AL(FiberChannelArbitratedLoop，光纤通道仲裁环)接口模式FC-AL是一种双端口的串行存储接口,目前能够供应400MB/s速率FC-AL支持全双工工作方式FC-AL利用类似SATA/SAS所用的4芯连接，供应一种单环拓扑结构，一个限制器能访问126个硬盘17SATA接口硬盘介绍SATA：SerialATA(SerialAdvanced

Technology

Attachment)串行ATASATA接受串行方式进行数据传输，接口速率比IDE接口高，最低为150MB/s，并且其次代（SATAⅡ）300MB/s接口硬盘已经广泛运用，规划内的最高速率可达600MB/sSATA硬盘接受点对点连接方式，支持热插拔，即插即用18SATAⅡ技术SATA

II有以下五个主要特性：更高的端口传输率（300MB/s）本机叮嘱队列（NCQ）组件管理（EnclosureManagement），比如风扇限制，温度限制，新硬盘指示，坏硬盘指示，硬盘状态指示等端口复用（PortMultiplier），允很多个硬盘连接到同一端口可向上兼容SAS技术19SAS硬盘技术20先进的硬盘接口继承SCSI的稳定牢靠性全双工、点对点数据传输3.0/6.0Gbps接口传输速率双端口冗余备份多种速率类型支持15,000/10,000/7,200rpm三种速率良好的兼容性SATA硬盘兼容SSD硬盘的主要接口方式服务器、存储阵列均可运用SAS线缆接口SAS硬盘硬盘接口SAS技术优点性能：SAS技术单通道可供应6.0Gb/s的传输率，接受SAS4路宽端口技术，单条链路即可达24Gb/s；SAS技术本身也已规划到12Gb的速率兼容性：SAS连接器可以同时支持SATA和SAS硬盘可扩展性：通过Expander可以扩展到超过16000个设备支持世界范围唯一的设备ID号，提高了设备寻址实力支持更长距离的电缆，在无光纤传输实力的状况下，电缆长度可以到10米灵敏性：SAS可以运用现有的SCSI叮嘱集，疼惜企业现有SCSI软件的投资，继承了SCSI的高可用性，并在SCSI叮嘱排队方面进行了优化SAS完全承袭了SCSI的优势，接受串行技术性能得到进一步提升，同时还考虑了向下兼容SATA的问题，因此用户可以依据不同的需求和承受实力，灵敏选择SAS和SATA进行组合来构建存储系统21机械硬盘各类接口间的对比SATA（企业级）SCSISASFC转速（RPM）7,20015,00015,00015,000缓存（兆）32161616串行/并行串行并行串行串行硬盘主流容量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*SATAⅡ接口硬盘支持NCQ，SATAⅠ不支持22SSD硬盘介绍SSD（SolidStateDisk）硬盘泛指由限制单元和固态存储单元（DRAM或Flash芯片）组成的存储设备，目前支持SATA、FC、SAS接口。VS.相比机械硬盘，SSD优点如下：数据存取速度快：在密集的IO读写和低延迟方面与传统硬盘对比性能优异；故障率低：内部不存在任何机械部件，内部全部接受闪存芯片绿色环保：工作时静音，发热量小，散热快重量更轻：有利于移动设备的携带。23SSD的分类SLC单层式储存MLC多层式储存10万次全写操作，每天350GB数据更新可运用5年高牢靠性，MTBF为2百万小时高性能，读性能达到250MB/s，写性能130MB/s重量87克左右，最大功耗2WSSD分SLC和MLC两种，主要差别在于擦写次数和性能。1万次全写操作，每天20GB数据更新可以运用5年牢靠性较低，MTBF为1.2百万小时写性能较低，读性能250MB/s，写性能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24SSD应用环境存储的SafeCache空间数据库环境高性能集群系统的共享数据盘SSD应用环境目前SSD盘价格较高，容量较小，SSD目前更适合随机读比例较高，响应时间要求苛刻的应用场合，包括：25基于SSD的分级存储26CacheSSDSASSATA性能提升第0层第1层第2层第3层以SSD为核心的分层存储，提高资源整体利用效率用少量的SSD盘提升存储阵列的整体性能SSD5SAS5SATA典型应用：SSD用作缓存SSD作为全部卷/指定卷的二级缓存，全部对HDD的读写恳求都经过SSD典型应用：SSD用作热点区对数据访问频度进行分析，将近期访问常见的热点数据，从HDD硬盘迁移到SSD硬盘典型配置：少量SSD+大量低速SAS/SATA的组合硬盘厂家的路标27FC硬盘(3.5寸)已经不再有新的产品型号10/15K转硬盘全部都是SAS接口7200K转的2.5寸硬盘是SAS/