存储基础知识1-介质和阵列

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介质技术存储协议通道技术体系结构性能Performance容量capacityDASNASSAN虚拟化备份复制WORM云存储ILMSCSIDAFSFCIPSCSIRAID快照容灾重复删除NDMPVSSSNIA（存储网络行业协会）存储模型

第一部分：存储介质第二部分：阵列技术存储介质存储介质硬盘技术磁带技术硬盘主要物理结构盘片马达(motor)底座（Base）磁头PCB及RV传感器硬盘接口硬盘主要物理结构盘片Platter磁盘驱动器的主要组件之一是盘片，其盘片构成材料是铝合金或者是玻璃，表面覆盖着磁记录层。硬磁盘盘片直径小型化的同时，面密度也在不断提高。目前硬盘的面密度已经超过每平方英寸100GB。磁头Head硬磁盘驱动器的磁头是浮动磁头，工作过程中磁头与盘面不接触，两者之间有一个很小的间隙。当磁盘高速旋转时，由于空气的粘滞性，附着在盘面上的空气在磁头和盘面之间形成了一层空气垫，托住磁头。主轴Spindle和主轴电机Motor硬盘驱动器由主轴带动盘片旋转，其转速很高，目前一般为5400r/min、7200r/min。高速硬盘一般是15000r/min，用于服务器和高速磁盘阵列。主轴电机一般为无刷直流电机，采用流体动压轴承以达到极小的径向偏摆，从而保证极小的磁道偏摆，利于磁头对磁道的跟踪。

Aharddriveplatterbeingaccessedbyanactuatorarm.硬盘的读写工作磁盘驱动器在存取工作过程中，首先要把磁头移动到目标磁道，这个过程称为寻道。到达目标磁道后，还要通过伺服跟踪系统使磁头动态保持在目标磁道的中心，这个过程叫磁道跟踪。在寻道过程中，首先执行寻道命令，把磁头当前所处磁道距目标磁道的距离计算出来，装入差值计数器中，然后根据差值的正、负和大小来驱动磁头运动。为了提高寻道速度，一般把控制分成两个阶段来进行。第一阶段是“粗控”阶段，作用是速度控制。当目标磁道和当前磁道之差大于零时，采用速度控制，目的在于尽快找到目标磁道。当找到了目标磁道后，才进入“精控”阶段。“精控”阶段的作用是位置控制，保证磁头牢牢盯住目标磁道，所以又称跟踪控制方式。当访问某一个扇区时，磁头须从当前所处的磁道运动到指定的目标磁道，再等待被访问的扇区旋转到磁头下。所有盘面上的磁头装在同一个小车上作同步运动，即每一瞬间各盘面上的磁头均处于各自同一序号的磁道上，这些序号相同的磁道组成了一个柱面，与磁道编号一样，零磁道所在的柱面为零柱面，1号磁道所在的柱面为1号柱面，依次类推。访问时，先要选择柱面，其次要选择磁头（也就是选择盘面）和扇区。所以，寻址用的地址信息应该有柱面号、磁头号和扇区号。硬盘存储结构磁头Head磁头是硬盘中最昂贵、最重要的部件。MR磁头（Magnetoresistiveheads），即磁阻磁头，采用的是分离式的磁头结构：写入磁头仍采用传统的磁感应磁头（MR磁头不能进行写操作），读取磁头则采用新型的MR磁头，即所谓的感应写、磁阻读。这样，在设计时就可以针对两者的不同特性分别进行优化，以得到最好的读/写性能。磁道Track当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道。是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区，磁盘上的信息是沿着磁道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着，因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响，硬盘上的磁道密度很大，通常一面有成千上万个磁道。扇区Sector每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字节的信息，磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。柱面Cylinder硬盘由重叠多盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称为磁盘的柱面。柱面数磁道数是相等的。由于每个盘面都有自己的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。所谓硬盘的CHS,即Cylinder（柱面）、Head（磁头）、Sector（扇区），只要知道了硬盘的CHS，即可确定硬盘的容量，硬盘的容量=柱面数×磁头数×扇区数×512Byte。DataRate:Innervs.OuterTracksTokeepthingssimple,originallysamenumberofsectorspertrackSinceoutertracklonger,lowerbitsperinchCompetitiondecidedtokeepbitsperinch(BPI)highforalltracks

(“constantbitdensity”)MorecapacityperdiskMoresectorspertracktowardsedgeSincediskspinsatconstantspeed,outertrackshavefasterdatarateBandwidthoutertrack1.7xinnertrack!外部边缘外部中间中心内部中间内部边缘磁道平面图访问速度慢慢快硬盘的基本参数容量硬盘的容量MB或GB为单位。容量指标还包括硬盘的单碟容量单，是指包括正反两面在内的单个盘片的总容量。单碟容量越大，单位成本越低，平均访问时间也越短。转速转速(Rotationalspeed)是指盘片每分钟转动的圈数RPM（RoundPerMinute)。平均访问时间平均访问时间(AverageAccessTime)是指磁头从起始位置到达目标磁道位置，并且从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。平均访问时间体现了硬盘的读写速度，它包括平均寻道时间+平均等待时间。平均寻道时间(AverageSeekTime)是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需的时间，一般8ms以内。平均等待时间是指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。平均等待时间为盘片旋转一周所需的时间的一半，一般应在4ms以下。传输速率传输速率(DataTransferRate)硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s）。硬盘数据传输率又包括了内部数据传输率和外部数据传输率。内部传输率(InternalTransferRate)也称为持续传输率(SustainedTransferRate)，它反映了硬盘缓冲区未用时的性能。内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。外部传输率（ExternalTransferRate）也称为突发数据传输率（BurstDataTransferRate）或接口传输率，它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。缓存硬盘缓存的目的是为了解决系统前后级读写速度不匹配的问题，以提高硬盘的读写速度。常用指标硬盘类型及接口SASSATAFCSCSIATA/IDELCSC硬盘类型接口视图ATA/IDE接口硬盘Power连接器主/从盘

跳线40-pin连接器ATA(Advanced

Technology

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

Drive

Electronic)硬盘ATA接口为并行ATA技术，正在被串行ATA（SATA）所替代SCSI接口硬盘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硬盘采用并行接口，接口速率发展到320MB/s，已经达到极限，正在被SAS（SerialAttachedSCSI）硬盘所替代80-pin公接头FC接口硬盘采用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FC-AL支持全双工工作方式FC-AL提供一种单环拓扑结构，一个控制器能访问126个硬盘SATA接口硬盘SATA串行ATA：(SerialAdvanced

Technology

Attachment)SATA采用串行方式进行数据传输，接口速率比IDE接口高SATA硬盘采用点对点连接方式，支持热插拔，即插即用SATA

II有以下五个主要特性：更高的端口传输率（300MB/s）本机命令队列（NCQ）组件管理（EnclosureManagement），比如风扇控制，温度控制，新硬盘指示，坏硬盘指示，硬盘状态指示等端口复用（PortMultiplier），允许多个硬盘连接到同一端口可向上兼容SAS技术SATAⅡ技术可对24×7企业在线和近线存储应用提供超大容量和高可靠性的支持SAS接口硬盘介绍SAS串行连接SCSI(SerialAttachedSCSI) SAS是一种点对点、全双工、双端口的接口SAS专为满足高性能企业需求而设计，并且兼容SATA硬盘，为企业用户带来前所未有的灵活性保留了SCSI技术良好的可测性和可靠性点对点串行连接方式提供更高的带宽:单接口3Gb/6Gb/12Gb相对于SCSI更优异的信号和数据完整性灵活性—兼容SAS和SATA可扩展性—寻址范围宽，通过扩展器可以支持更多设备可靠性和可用性—

全双工接口支持冗余路径更长的电缆连接，更小尺寸，更容易的连接方式，更多选择SAS/SATA接口兼容性SASSATASATASASPluggable☻KeywayPortBSATA/SAS快速比较CriteriaSATASASDataRates150-300MB/Sec300-600MB/SecMTBF500-600Khrs1.2MhrsCableLength1m10mCost/MB$.01-$.02$.05-$.08(Est)RotationalSpeed5.4or7.2KRPM10-15kRPMBuffer8MB64MB各类硬盘对比ATASATASCSISASFC转速（RPM）7,2007,20015,00015,00015,000缓存（MB）8/168/16/328/168/168/16串行/并行并行串行并行串行串行容量（GB）2501000300450450年失效率AFR——0.73%——0.55%0.55%TCQ支持支持支持支持支持NCQ不支持支持*支持支持支持*SATAⅡ接口硬盘支持NCQ，SATAⅠ不支持企业级Nearline与Online硬盘区别NearlineStorage7,200rpmSATAOnlineStorage15,000rpmSAS/FC成本容量负载可靠性扩展性性能耗电机械部分更大的磁铁坚固外壳空气控制设备更高寻道速度更多磁头更多盘片更小盘片直径更高转速电子部分DualprocessorsDualportTwicethefirmwareCommandschedulingSuperiorerrorcorrectionSmartalgorithmsPerform.optimizationDataintegritychecks不同类型硬盘的需求变化不同类型硬盘发展趋势SCSI-2SCSI-3FC-AL100MB/SperPortFC-AL200MB/SperPortSynchronousSCSI5MB/sFastWideSCSI10/20MB/sUltraSCSI20/40MB/sUltra2SCSI40/80MB/sUltra160SCSI160MB/sUltra320SCSI320/MB/sSAS300MB/sperportSATASATAIISerialATA150MB/sSerialATAII300MB/sFC-AL400MB/SperPort串行并行SAS600MB/sperport硬盘规格的发展变化硬盘容量的发展容量FC&SAS硬盘100GB300GB750GB

1TB400GB500GB750GB1000GBSATA硬盘500GB

1.5B2TB73GB146GB300GB450GB600GB1.5TB2TB256GB250GBSSD固态硬盘多种多样的磁带技术磁带介质类型DAT(DigitalAudioTape)4mmDLT(DigitalLinearTape)、SDLT1/2英寸

AIT、SAIT3590LTO（LinearTapeOpen）

Ultrium/Accelis

DTF9840Mammoth8mm磁带技术的发展GenerationNativeCapacityDatarateGen1Gen2Gen3HHGen3Gen4100GBRead15MB/secWrite15MB/sec200GBRead15MB/sec+35MB/secWrite400GBRead15MB/sec+35MB/sec+60MB/sec80MB/secWrite800GBRead35MB/sec+80MB/sec+80MB/sec+120MB/secWrite120MB/secGen4Note:Gen3Half-heightandFull-heightdriveusethesamemedia阵列技术阵列技术磁盘阵列体系结构RAID技术阵列与主机链接快照与复制磁盘阵列XX公司什么是磁盘阵列：磁盘阵列是一种采用RAID技术、冗余技术和在线维护技术制造的一种高性能、高可用的磁盘存储设备。磁盘阵列核心技术：体系结构设计缓存技术RAID技术主机通道连接技术快照技术复制技术常见阵列体系结构通常的中档控制器设计单个或集群的双控制器前端主机端口，后端光纤环路镜像的高速缓存高速缓存...光纤通道后端环路CPU高速缓存光纤通道主机端口CPU...光纤通道主机端口矩阵式高端阵列体系结构CHIP

光纤通道...ACPCHIP

CHIP

高速缓存与共享内存光纤通道高端企业级磁盘阵列

CHIP

光纤通道...ACP光纤通道...ACP光纤通道...ACPCrossBar高速CPU控制器缓存工作模式前端总线系统缓存CPUCPU后端总线读缓存写缓存前端总线系统缓存CPUCPU后端总线读缓存

写缓存主机写入数据流反馈写OKWrite-back回写主机写入数据流反馈写OKWrite-through直写磁盘控制器的缓存保护技术FC或IP(GE)缓存(Cache)CPUCPU后端总线磁盘FC或IP(GE)缓存(Cache)CPUCPU后端总线Cache电池FC或IP(GE)缓存(Cache)CPUCPU后端总线阵列内置UPS三种常见控制器Cache保护设计cache电池保护内置UPS保护外置UPS保护阵列外置UPS控制器缓存镜像前端总线系统缓存CPUCPU后端总线读缓存写缓存前端总线系统缓存CPUCPU后端总线读缓存写缓存1、主机数据写入缓存；2、缓存数据进行异或运算，产生校验数据；控制器缓存镜像前端总线系统缓存CPUCPU后端总线读缓存写缓存前端总线系统缓存CPUCPU后端总线读缓存写缓存1、主机数据写入缓存；2、缓存数据进行异或运算，产生校验数据；3、将校验数据添加到缓存；控制器缓存镜像前端总线系统缓存CPUCPU后端总线读缓存写缓存前端总线系统缓存CPUCPU后端总线读缓存写缓存1、主机数据写入缓存；2、缓存数据进行异或运算，产生校验数据；3、将校验数据添加到缓存；4、将缓存数据复制到目标控制器；5、目标控制器处理完数据和校验数据返回消息；6、源控制器返回主机消息，操作完毕。OKRAID基本概念—定义RAID（RedundentArrayofInexpensiveDisks）廉价磁盘冗余阵列由美国加州伯克利分校的D.A.Patterson教授在1988年提出。传统RAID的四种需求目标—安全、经济、效率、扩充解决了单个磁盘容量的限制解决了单个磁盘速度的限制解决了数据可靠性问题RAID技术将多个单独的物理硬盘以不同的方式组合成一个逻辑硬盘，从而提高了硬盘的读写性能和数据安全性。根据不同的组合方式可以分为不同的RAID级别:RAID0数据条带化，无校验RAID1数据镜像，无校验RAID2海明码错误校验及校正RAID3数据条带化读写，校验信息存放于专用硬盘RAID4单次写数据采用单个硬盘，校验信息存放于专用硬盘RAID5数据条带化，校验信息分布式存放RAID6数据条带化，分布式校验并提供两级冗余RAID组合方式—级别扩展同时采用两种不同的RAID方式还能组合成新的RAID级别RAID0+1先做RAID0，后做RAID1，同时提供数据条带化和镜像RAID10类似于RAID0+1，区别在于先做RAID1，后做RAID0RAID50先做RAID5，后做RAID0，能有效提高RAID5的性能RAID基本概念1——条带分条条带

硬盘0硬盘2硬盘1硬盘3RAID基本概念2——校验异或运算P=A0XORA1数据A0和A1通过异或运算进行奇偶校验得到校验位PA1A0P数据盘数据盘校验盘两个数字之间的XOR运算定义是：1XOR1=01XOR0=10XOR1=10XOR0=0RAID基本概念3——重建（Rebuild）数据盘A1A0PA0A1PXOR故障数据盘校验盘A2A2XOR数据盘更换RAID硬盘失效处理--热备和热插拔热备：HotSpare定义：当冗余的RAID组中某个硬盘失效时，在不干扰当前RAID系统的正常使用的情况下，用RAID系统中另外一个正常的备用硬盘自动顶替失效硬盘，及时保证RAID系统的冗余性全局式：备用硬盘为系统中所有的冗余RAID组共享专用式：备用硬盘为系统中某一组冗余RAID组专用热插拔：HotSwap定义：在不影响系统正常运转的情况下，用正常的硬盘物理替换RAID系统中失效硬盘关键在于热插拔时电子器件的保护机制全局热备示例该热备盘由系统中两个RAID组共享，可自动顶替任何一个RAID中的一个失效硬盘磁盘1磁盘2磁盘3热备盘磁盘4磁盘5磁盘6RAID5RAID5磁盘阵列RAID级别——RAID0RAID0即没有容错设计的条带硬盘阵列（StripedDiskArraywithoutFaultTolerance），以条带形式将RAID组的数据均匀分布在各个硬盘中DHLCGKBFJABCDEFGH数据……AEI优点极高的读写效率速度快，由于不存在校验，所以不占用CPU资源部署简单缺点无冗余，通常和其他RAID级别混合使用不适合用于关键数据环境最小硬盘数2RAID级别——RAID1RAID1又称镜像（Mirror），数据同时一致写到主硬盘和镜像硬盘EDCBAEDCBAABCDE……=数据优点提供了很高的数据安全性和可用性100％的数据冗余设计、使用简单不作校验计算，CPU占用资源少缺点空间利用率只有1/2相对于单个硬盘，无法提高写性能硬盘数2RAID级别——RAID3RAID3即带有校验的并行数据传输阵列（Paralleledtransferwithparity），数据条带化分布在数据盘中，同时使用专用校验硬盘存放校验数据D0C0B0A0D1C1A1B1D2C2A2B2PDPCPAPBABCD……异或运算数据盘校验盘优点数据分布式存储在连续的硬盘上，具有较高的读速率，适合大文件连续读操作的应用如果有一个硬盘损坏，数据的有效性没有影响缺点校验盘是整个硬盘阵列系统的瓶颈有数据盘故障时，每次读操作时都需要进行校验计算，读性能大幅度下降最小硬盘数3RAID级别——RAID5RAID5与RAID3机制类似，但校验数据均匀分布在各数据硬盘上，RAID成员硬盘上同时保存数据和校验信息，数据块和对应的校验信息保存在不同硬盘上。RAID5是最常用的RAID方式之一。……P4A3A2A1A0B4P3B2B1B0C4C3P2C1C0D4D3D2P1D0E4E3E2E1P0异或运算A0B0C0D0A1B1C1E1A2B2D2校验信息Px分布式存储数据RAID级别——RAID6RAID6是带有两个独立分布式奇偶校验方案的独立数据硬盘（Independentdatadiskswithtwoindependentdistributedparityschemes）。广义上讲，能够允许两个硬盘同时失效的RAID级别统称为RAID6，狭义上讲，特指Intel的RAIDP+Q技术。硬盘空间利用率为(N-2)/N，N为RAID6阵列硬盘总数RAID6技术：目前RAID6还没有统一的标准，各家公司的实现方式都有所不同：RAIDP+Q：INTEL和HDS公司RAIDDP：NetApp公司RAIDADG：HP公司RAID6P+QReed-Solomoncodes优点可以同时允许两块硬盘失效缺点磁盘利用率比RAID5更低校验计算复杂，对控制器性能消耗很大，增加系统负载出现硬盘失效时，RAID重建时对系统性能影响更大，并且重建时间长最小硬盘数4RAID组合级别——RAID10RAID10是将镜像和条带进行两级组合的RAID级别，第一级是RAID1镜像对，第二级为RAID0。RAID10也是一种应用比较广泛的RAID级别。ABCDEFGHAACBBCDDEEFFGGHH优点高读取速率高写速率，较校验RAID而言，写开销最小至多可以容许N个硬盘同时损坏（2N个硬盘组成的RAID10阵列）缺点只有1/2的硬盘利用率最小硬盘数4RAID组合级别——RAID0+1ABCDEFGHRAID0+1是将条带和镜像进行两级组合的RAID级别，第一级是RAID0，第二级为RAID1。一般来说，RAID0+1的失效概率要比RAID10大，不过无硬盘故障下，RAID0+1的读取速度要比RAID10快ABCDEFGHABCDEFGH不同等级RAID效率对比RAID57D+1P数据数据数据奇偶校验数据数据数据数据RAID66D+2P数据数据奇偶校验1奇偶校验2数据数据数据数据RAID12D+2D镜像镜像数据数据RAID53D+1P数据奇偶校验数据数据RAID14D+4D镜像镜像镜像镜像数据数据数据数据效率50%50%75%87.5%75%写性能写写读修改写读修改写读+修改+写+容错1/4+1/21/4+1/21/41/82/8RAID与LUN的关系RAID5RAID1RAID0RAID5RAID1LUN1LUN0LUN2LUN7LUN6LUN3LUN4LUN5RAID控制器01234567SpareSpareRAID由几个硬盘组成，从整体上看相当于一个物理卷在物理卷的基础上可以按照指定容量创建一个或多个逻辑