存储硬盘基础知识及存储架构

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1、存储技术与产品基础 存储硬盘基础知识目录 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硬件结构主轴马达 (Spindle Motor)音圈马达 (Voice Coil Motor)磁头基座(Base Plate)磁头停放区 (Parking Zone)盘片 (Media)传动部件接口硬件结构：玻璃盘片和铝合金盘片玻璃盘片 优点 w 存储密度高,容量大 w 磁盘寿命长 w 抗冲击的可靠性高Glas s Medi a缺点:w 价格昂贵 w 要使用磁头加载/卸载技术铝合金盘片 优点w 技术成熟 w 价格便宜Aluminu m Media缺点

2、w 对冲击较为敏感 w 对温度较为敏感硬件结构：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磁道硬件结构：磁头与柱面硬件结构：硬盘受撞击 15 of 23硬件结构：磁道 1磁道n磁道硬件结构：扇区 扇区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磁记录原理 磁性材料层 (Magnetic Film)金属性粒子呈 不规则状排列盘 片线圈(Coil) 磁芯(Core)S N已磁化的金属性粒子未磁化的金属性粒子磁记录原

3、理NSBinary 0 (同性)Binary 1 (异性)线圈(Coil)磁芯(Core)磁性材料层 (Magnetic Film)盘 片硬盘主要参数 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 MTBF AFR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

4、 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）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硬盘主要参数平均访问时间l平均访问时间：硬盘磁头找到目标数据的平均时间 。l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。l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 + 平均潜伏时间硬盘主要参

5、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)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)S.M.A.R.T.

6、技术Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology 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 DFT技术DFT（Drive Fitness Test，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。

7、可靠性指标-MTBF温度对可靠性指标的影响通常，硬盘的工作环境温度为2540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Annualized Failure Rate (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。AF

8、R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%以下硬盘接口及发展介绍ATA接口 SATA接口 SCSI接口 SAS接口 FC接口 What are IDE？ IDE-Integrated Drive Electronics 电子集成驱动器 Power 连接器M/S 跳线40-pin 连接器What are ATA？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 ATA数据传输模式PIO模式：Programmin

9、g 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What are SATA？SATA： Serial Advanced 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

10、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Serial ATA 1.0标准 150MB/s 2005年Serial ATA II 300MB/s 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/sSATA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

11、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What are SCSI？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SC

12、SI控制卡，才能 支持SCSI设备 What are SCSI？80-pin Male SCA Connector80-80-pin (SCA) pin (SCA) SCSISCSISCSI 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

13、给SCSI控制芯片，之后便可彻底抛开不管做其他 事情。What are SAS？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 SAS的两大主要技术 差分信号技术 SAS的两大主要技术差分信号技术 SAS的两大主要技术串行总线技术 SAS的扩展性Edge Expander：连接64个SAS/串行ATA存储设备Fanout Expander：连接64个“Edge ExpanderSAS系统的极限容量就是“64644096”个终端设备What are FC？FC-AL(光纤通道仲裁环Fibre Channe

14、l Arbitrated Loop)，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-pin Male FC-SCAII Connector典型连接方式 各接口的对比各种类型应用 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das、nas、san架构介绍DA

15、S架构 NAS架构 SAN架构 DAS 、 NAS 、 SAN 、区别Yesterdays ViewCentralizing InformationCentralizing Information = Value分布式存储集中存储存储行业应用 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

16、 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 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DAS、NAS、SAN发展DAS-直联存储NAS-附网存储SAN-区域存储Direct Attached Storage 问题 有限的距离 有限的连接磁盘驱动器 数量 有限的冗余SCSIDirect Attached Storage直