存储硬盘基础知识与存储架构

存储硬盘基础知识与存储架构第一页，共65页。目录硬件结构工作原理主要参数硬盘接口及发展介绍目前主要使用的硬盘及型号编码DAS、NAS、SAN第二页，共65页。硬件结构主轴马达(SpindleMotor)音圈马达(VoiceCoilMotor)磁头基座(BasePlate)磁头停放区(ParkingZone)盘片(Media)传动部件接口第三页，共65页。硬件结构：玻璃盘片和铝合金盘片

玻璃盘片优点存储密度高,容量大磁盘寿命长抗冲击的可靠性高Glass

Media缺点:价格昂贵要使用磁头加载/卸载技术铝合金盘片优点技术成熟价格便宜AluminumMedia缺点对冲击较为敏感对温度较为敏感第四页，共65页。硬件结构：硬盘磁头技术

磁头(Head)磁道(Track)柱面(Cylinder)扇区(Sector)

扇区1磁道n磁道0磁道第五页，共65页。硬件结构：磁头与柱面第六页，共65页。硬件结构：硬盘受撞击

15of23第七页，共65页。硬件结构：磁道1磁道n磁道第八页，共65页。硬件结构：扇区扇区第九页，共65页。工作原理磁盘表面主轴马达带动磁盘旋转读写磁头在磁盘表面上方飞行

硬盘最基本的功能就是存储电脑資料,并且当需要時读取出來供电脑运算与处理磁场资料读写磁头第十页，共65页。磁记录原理

磁性材料层(MagneticFilm)金属性粒子呈不规则状排列盘片线圈(Coil)磁芯(Core)SN已磁化的金属性粒子未磁化的金属性粒子第十一页，共65页。磁记录原理NSBinary0(同性)Binary1(异性)线圈(Coil)磁芯(Core)磁性材料层(MagneticFilm)盘片第十二页，共65页。硬盘主要参数容量转速缓存平均访问时间寻道时间内部数据传输率外部数据传输率S.M.A.R.T.技术DFT技术MTBFAFR第十三页，共65页。硬盘主要参数：容量容量(Capacity)磁头(Head)磁道(Track)柱面(Cylinder)扇区(Sector)格式化容量=柱面数X每磁道扇区数X磁头数X扇区字节数

扇区1磁道n磁道0磁道第十四页，共65页。硬盘主要参数：转速硬盘主轴马达转速单位为每分钟转速(rpm)主轴马达转速越快，就越快存取资料目前大多数硬盘主轴马达转速：

5,400及7,200RPM(ATA),

7,200、10,000、及15000RPM（SCSI）第十五页，共65页。硬盘主要参数--缓存缓存缓存是硬盘与外部总线交换数据的场所硬盘上的记忆晶片用来暂时存放数据以增强硬盘性能EDO、SDRAM第十六页，共65页。硬盘主要参数—平均访问时间平均访问时间：硬盘磁头找到目标数据的平均时间。平均寻道时间：硬盘磁头从一个柱面移动到另一个柱面所需要的平均时间。平均潜伏时间(等待时间)：当磁头移动到数据所在的磁道后，等待目标扇区可用的平均时间。平均潜伏时间一般取盘片旋转一周所需时间的一半平均访问时间=平均寻道时间+平均潜伏时间第十七页，共65页。硬盘主要参数--寻道时间磁头寻找资料所在轨道所需的时间单位为毫秒(千分之秒)时间越短表示读写资料的速度越快最大寻道时间：从最内道到最外道或从最外道到最内道所需时间最小寻道时间：磁头从所在磁道移动到相邻磁道所需时间平均寻道时间=（最大寻道时间+最小寻道时间）/3磁场资料读写磁头第十八页，共65页。硬盘主要参数--内部数据传输率

读写磁头磁盘表面磁场资料缓存数据从磁盘表面传输到硬盘的缓存的速率单位为每秒百万位元(Mbits/sec)第十九页，共65页。硬盘主要参数--外部数据传输率

缓存Cache)数据由缓存经由介质传输到系统主机的速率单位为(Mbytes/sec)一定比内部数据传输速率快介面(Interface)第二十页，共65页。S.M.A.R.T.技术Self-Monitoring,AnalysisandReportingTechnology最早由Compaq和IBM推动,目的是尽可能预测硬盘的可靠性，在硬盘损坏之前给用户警告很多由硬盘部件功能性衰减的问题是可以预测的，通过以下参数磁头飞行高度信息输出效率旋转启动时间寻道失败率寻道时间的效率

第二十一页，共65页。DFT技术DFT（DriveFitnessTest，驱动器健康检测）IBM公司为其PC硬盘开发的数据保护技术,通过使用DFT程序访问IBM硬盘里的DFT微代码对硬盘进行检测。DFT软件是一个独立的不依赖操作系统的软件，它可以在用户其他任何软件失效的情况下运行。第二十二页，共65页。可靠性指标-MTBF第二十三页，共65页。温度对可靠性指标的影响通常，硬盘的工作环境温度为25℃～40℃第二十四页，共65页。通常硬盘：2400小时/年（6.5小时/天）（见下表）商用硬盘：4000小时/年（11小时/天）高可靠性硬盘：8766小时/年（24小时/天）上电时间对可靠性指标的影响第二十五页，共65页。AnnualizedFailureRate(AFR)

MTBF值：数字游戏？举例：一个失效率是在“一年365天、一天24小时不间断”循环工作条件下测出的，另一个是在“每天8小时不间断”循环工作条件下测出的，两款产品的性能高低一下子就比较出来。AFR，“按年计算的失效率”，与MTBF不同的是，AFR能够更合理地反映磁盘驱动器的失效率。AFR值是根据制造商每年回收的不合格产品占年度总产量的比例计算出来的，企业级磁盘驱动器产品的AFR值一般都会控制在1%以下第二十六页，共65页。硬盘接口及发展介绍ATA接口SATA接口

SCSI接口

SAS接口

FC接口第二十七页，共65页。WhatareIDE？IDE-Integrated

Drive

Electronics

电子集成驱动器Power连接器M/S跳线40-pin连接器第二十八页，共65页。WhatareATA？ATA：Advanced

Technology

Attachment高级技术附加装置7个版本：ATA-1----ATA-7（ATA

133）速率基本上走到了极限第二十九页，共65页。

ATA数据传输模式PIO模式：Programming

Input/Output

Model通过CPU执行I/O端口指令来进行数据的读写的数据交换模式DMA模式：Direct

Memory

Access直接内存访问不经过CPU而直接从内存了存取数据的数据交换模式

Ultra

DMA：Ultra

Direct

Memory

Access高级直接内存访问增加了CRC（Cyclic

Redundancy

Check循环冗余码校验）技术，提高数据传输过程中的准确第三十页，共65页。WhatareSATA？SATA：SerialAdvanced

Technology

Attachment

串行ATA这是一种完全不同于并行ATA的新型硬盘接口类型，由于采用串行方式传输数据而得名。具有结构简单、支持热插拔、传输速率快的优点2000年Intel联合IBM、Maxtor、Seagate等厂商合作开发2002年SerialATA1.0标准150MB/s2005年SerialATAII300MB/s第三十一页，共65页。SATA传输机制利用单个路径串行一位一位传送数据，用另外一条路径给发送端返回接收确认的信号1500MHZ内嵌时钟*1（每个时钟周期一位）*80%(8b/10b编码效率/8（每字节8位)=150MB/s第三十二页，共65页。SATA与PATA对比

SATAPATA数据电缆连接刀片和梁式插头结构，4根信号线，3根地线引脚与插口结构，80根线电源电缆连接刀片和梁式结构，15针3.3V/5V/12V电源连接器，宽度为2.22cm4针“D形”5V/12V电源连接器，宽度为2.25cm硬盘连接每个通道1个硬盘（点对点连接）每个通道2个硬盘（总线主/从方式）热插拔特性可热插拔，也可以插入背板或设备插槽无热插拔特性传输速率目前SATAII为300MB/s外部最大传输率133MB/s线缆长度1米18英寸第三十三页，共65页。WhatareSCSI？SCSI：Small

Computer

System

Interface小型计算机系统接口。特点：应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔。

SCSI必须要有专门的SCSI控制器，也就是一块SCSI控制卡，才能支持SCSI设备第三十四页，共65页。WhatareSCSI？80-pinMaleSCAConnector80-pin(SCA)SCSI

第三十五页，共65页。SCSI与ATA区别ATA：桌面/笔记本ATA磁盘中，如果用户提出数据传输请求，CPU先对该命令作出响应后再传达给主板南桥或板载磁盘控制芯片上，之后再通过ATA总线将数据操作命令传递给硬盘的主控芯片。SCSI：

企业级在SCSI系统有一块专门的SCSI控制芯片。负责管理SCSI总线外，还承担设备读写的控制职能，管理所有SCSI相关的读写请求、总线控制和数据传输职能，CPU要做的工作只是将起始命令传递给SCSI控制芯片，之后便可彻底抛开不管做其他事情。第三十六页，共65页。WhatareSAS？SAS接口是SCSI的升级，为串行传输模式。SAS是一种点对点、全双工、双端口的接口，支持在SATA兼容的电缆和连接器上传输SCSI协议第三十七页，共65页。SAS的两大主要技术

差分信号技术第三十八页，共65页。SAS的两大主要技术

差分信号技术

第三十九页，共65页。SAS的两大主要技术串行总线技术

第四十页，共65页。SAS的扩展性EdgeExpander：连接64个SAS/串行ATA存储设备FanoutExpander：连接64个“EdgeExpanderSAS系统的极限容量就是“64×64＝4096”个终端设备第四十一页，共65页。WhatareFC？FC-AL(光纤通道仲裁环FibreChannelArbitratedLoop)，是一种双端口的串行存储接口，支持全双工工作方式。利用类似于SATA/SAS所用的4芯连接，提供一种单环拓扑结构，一个控制器能访问126个硬盘40-pinMaleFC-SCAIIConnector第四十二页，共65页。典型连接方式

第四十三页，共65页。各接口的对比

第四十四页，共65页。各种类型应用

接口应用说明FC适用于在线、高可用性、随机读适用于大型企业的关键数据，价格昂贵SAS适用于在线、高可用性、随机读适用于中型企业的关键数据，高性能，高可扩展性，比FC价格低，并可兼容SATASATA适用于近线、一般可用性，连续读低价格、高容量磁带适用于离线高容量，可离线保存第四十五页，共65页。das、nas、san架构介绍DAS架构NAS架构

SAN架构DAS、NAS、SAN、区别第四十六页，共65页。Yesterday’sView第四十七页，共65页。CentralizingInformation第四十八页，共65页。CentralizingInformation=Value分布式存储集中存储第四十九页，共65页。存储行业应用

对数据安全性要求很高的企业

典型行业:电信、金融和证券，

典型业务:计费对数据存储性能要求高的企业

典型行业:电视台、交通部门和测绘部门

典型业务:音频/视频、石油测绘和地理信息系统等在系统级方面具有很强的容量(动态)可扩展性和灵活性的企业

典型行业:各中大型企业

典型业务:ERP系统、CRM系统和决策支持系统具有超大型海量存储特性的企业

典型行业:图书馆、博物馆、税务和石油

典型业务:资料中心和历史资料库

第五十页，共65页。存储行业应用

具有本质上物理集中、逻辑上彼此独立的数据管理特点的企业

典型行业:银行、证券和电信，

典型业务:银行的业务集中和移动通信的运营支撑系统(BOSS)实现对分散数据高速集中备份的企业

典型行业:各行各业，

典型业务:企业各分支机构数据的集中处理数据在线性要求高的企业

典型行业:商业网站和金融，

典型业务:电子商务实现与主机无关的容灾的企业

典型行业:大型企业

典型业务:数据中心第五十一页，共65页。DAS、NAS、SAN发展DAS-直联存储NAS-附网存储SAN-区域存储第五十二页，共65页。DirectAttachedStorage问题有限的距离有限的连接磁盘驱动器数量有限的冗余SCSI第五十三页，共65页。DirectAttachedStorage直接连接存储难以实现系统优化计算资源存储资源带宽我们需要网络连接模式以提高存储系统利用率第五十四页，共65页。WhatisNAS?第五十五页，共65页。WhatisNAS?NetworkAttachedStorage

网络附加存储专注与网络文件共享支持的协议包括

CIFS,NFSandHTTPNAS是网络技术在存储领域的延伸和发展异构平台文件数据的共享简单的安装和使用QuickReferenceLocalAreaNetwork(LAN)WideAreaNetwork(WAN)CommonInternet(CIFS)Network(NFS)HyperTextTransferProtocol(HTTP)第五十六页，共65页。StorageModelforNASLANorWANTCP/IPlayer(FS)bytes->files->logicaldrivesBlocklayerStoragedevices(disks,…)DASStorageApplicationNFS/CIFS/HTTPNASAppliance第五十七页，共65页。StorageAreaNetwork

存储区域网络SAN“SAN”是一个由光纤交换机构成并具有良好系统设计的高智能网络,这一网络可以提供企业级的性能,扩展能力,可管理能力,可靠性和可用能力第五十八页，共65页。StorageAreaNetworkStorageAreaNetwork（