磁盤與陣列技術
2.1 磁盤HDD(Hard Disk Drive)
1.磁盤依舊占外部存儲市場的主流
2.HDD新技術
-HAMR技術（熱輔助磁記錄）：提高單盤存儲容量（20TB起）
-MACH.2（雙驅動臂）：提高讀寫速度（480MB/s）
3.HDD大容量硬盤未衰反興
4.磁盤里面的結構
磁盤盤片：將硬磁材料塗敷、電鍍或沉積在金屬或玻璃材質的基板上，是記錄二進制信息的載體
主軸：將磁盤盤片固定在磁盤內部，在電動馬達的驅動下，磁盤盤片以主軸為中心高速轉動。（指標是每分鍾的轉速）
步進電機：控制磁頭精確定位到每個磁道
傳動手臂：
讀寫磁頭：將電脈沖信號轉換成介質上的磁化狀態，又將介質的磁化狀態轉換成電脈沖信號，是電磁轉換的“橋梁”（將硬磁材料塗敷、電鍍或沉積在金屬或玻璃材質的基板上，是記錄二進制信息的載體）
控制器：控制主軸電機的供電和速度、磁盤與主機CPU的通訊、如何移動激勵臂膀以控制讀寫、讀寫磁頭的轉換、數據訪問優化等等
5.磁盤的基本操作
數據寫入：
通過控制電路，驅動磁頭改變盤片上磁性粒子簇的極性來寫入數據。
數據讀取：
盤片上被極化的磁性粒子與磁頭上的磁感應物質相互作用，在磁頭上產生感應電壓，進一步被轉化為能夠被計算機處理的二進制信號。
6.磁盤幾何
- 每個磁面由許多磁道構成
- 每個磁道又被分割為許多扇區
7.格式化磁盤
允許控制器為每個區域留出備用的柱面，解釋“格式化容量”和“最大容量”之間的差異。
8. 柱面
對齊的軌道形成柱面。
9.物理地址與邏輯地址
物理地址 = CHS(柱面、磁頭、扇區)
邏輯地址= Block#
10.磁盤容量
確定容量的技術因素：
記錄密度Recording density (bits/in):磁道一英寸的段中可以放入的位數.
磁道密度Track density (tracks/in):從盤片中心出發半徑上一英寸的段內可以有的磁道數.
面密度Areal density (bits/in2):記錄密度與磁道密度的乘積.
注：由於外磁道的長度大於內磁道。現代磁盤不再把內外磁道划分為相同數目的扇區，而是利用外層磁道容量較內層磁道大的特點，將盤面划分成若干條環帶。
存儲容量 ＝ 磁頭數 × 磁道(柱面)數 × 每道扇區數 × 每扇區字節數
11.磁盤定位
平均訪問時間 = 平均尋道時間 + 平均旋轉延遲 + 平均轉換時間
（一般平均尋道時間是8ms）
訪問磁盤的時間主要開銷是尋道時間和旋轉延遲！
• 最大旋轉延遲
Tmax rotation=(1/RPM) * (60secs/1min)
• 平均旋轉延遲
Tavg rotation =(1/2)*Tmax rotation
常見參數：
一個400G磁盤的典型參數：
（1）16,383 柱面，每個柱面24M字節
（2）8個雙面盤，共有16個讀寫頭
（3）每分鍾7200轉
（4）一個讀寫頭每秒可以讀寫 120 × 1.5 = 80MB/S
（5）每個磁道的數據位 24/16=1.5MB per track
12.磁盤驅動器性能:數據傳輸速率
13.外部設備互連
14.磁盤訪問時間
（1）IDE總線：66MB/S 是一個比較常見的速度
電子設備會成為66MB/S瓶頸
（2）SATA3: 3GB/S
機制會成為180MB/S的瓶頸
（3）幾個關鍵點
· 訪問時間是由尋道時延和旋轉時延決定的
· 找到某個扇區上的第一位是最貴的，其余位是免費的
· 訪問8byte，SRAM的訪問時間是4ns
· 訪問8byte，DRAM的訪問時間是60ns
· 訪問512byte，磁盤要10ms, 因此磁盤的訪問速率比DRAM慢2500倍，比SRAM慢40000倍
15.驅動的可靠性:平均無故障時間
MTBF:Mean Time Between Failure(設備發生故障之前的運行時間)
2.2磁盤陣列RAID Arrays
1.背景
（1）計算機系統總體性能的提高很不匹配
· 處理器和主存性能改進快
· 輔存性能改進慢
（2）廉價磁盤冗余陣列（Redundant Array of Inexpensive Disks，RAID）
UC, Berkeley：David A. Patterson
RAID0~RAID6
2.RAID基本思想
將多個具有獨立操作的廉價磁盤按某種方式組織成一個磁盤陣列(Disk Array)，以增加容量，利用類似於主存中的多體交叉技術，將數據存儲在多個盤體上，讓這些盤並行工作來提高數據傳輸速度，並采用冗余(redundancy)磁盤技術來進行錯誤恢復(error correction)以提高系統可靠性(reliability)。
· RAID是一組物理盤，操作系統將其視為單個邏輯盤
· 獨立冗余磁盤陣列RAID：Redundant Arrays of Independent Disks，獨立磁盤構成的具有冗余能力的陣列
3.NRAID
(1) NRAID：Non-RAID
(2) 所有磁盤的容量組合成一個邏輯盤，沒有數據塊分條(no block stripping)
· NRAID不提供數據冗余
·要求至少一個磁盤
4.JOBD:Just a Bunch of Disks(磁盤簇)
（1）一個在底板上安裝的、帶有多個磁盤驅動器的附件，與RAID陣列不同，沒有前端邏輯來管理磁盤上的數據分布
（2） 磁盤控制器把每個物理磁盤看作獨立的磁盤單獨尋址，因此每個磁盤都是獨立的邏輯盤
（3） JBOD也不提供數據冗余
（4）要求至少一個磁盤
5.RAID組成
6.數據組織:條帶（stripe）
(1)stripe是由多個磁盤上的stripes構成的數據條帶
(2)stripe的width是指數據被划分為了多少個並發的stripes
(3)性能分析-條帶：
· strip/block size可調：帶寬和吞吐率的折中
· Small size ： 高傳輸速度
· Large size ： 並發I/O
7.RAID 冗余技術
(1)鏡像
通過鏡像來實現冗余，保存在磁盤A的內容，也保存在B中。
(2)副本
用一個磁盤專門用來保存前面幾個磁盤的副本
8.磁盤級別
(1)RAID0:條帶陣列，無容錯
(2)RAID1: 磁盤陣列
優點:高數據可用性和高I/O率(小塊)。
缺點:可用存儲容量為50%。
性能:提高讀性能，但降低寫性能。
數據保護:改進了raid0的容錯能力。
應用:會計，支付，金融和需要高可靠性的應用。
(3)RAID 0+1
(4)RAID 1+0
重點：
RAID 0+1 和 RAID 1+0 又有什么區別呢？
· RAID 0+1是先讓磁盤組內的成員組成RAID 0條帶化，然后磁盤組之間為RAID 1鏡像關系。
· RAID 1+0是先讓磁盤組內的成員組成RAID 1互為鏡像，然后磁盤組之間RAID 0條帶化。
· 除了構成先后的差別外，主要的區別還表現在容錯性上。RAID 0+1 的損壞一塊磁盤之后，所在的RAID 0組即認為損壞，RAID 0+1 實際上已經退化為一個RAID 0 的結構，此時，上面那組RAID 0隨便壞一塊，整個RAID就崩潰了。
· 相對來說，RAID 1+0 就不會有這個問題，只要同一個RAID 1組內硬盤不全部損壞，整個RAID就不會有問題，在圖中可以認為，只要右上角的那塊磁盤不壞，整個RAID就不會崩潰。
(5) RAID3: 帶奇偶校驗碼的並行傳送
RAID 3總是在所有磁盤上讀取和寫入完整的數據條紋。至少需要3塊盤（2塊盤沒有校驗的意義）。將數據存放在n+1塊盤上，有效空間是n塊盤的總和，最后一塊存儲校驗信息。數據被分割存儲在n塊盤上，任一數據盤出現問題，可由其他數據盤通過校正監測恢復數據（可以帶傷工作），換數據盤需要重新恢復完整的校驗容錯信息。對陣列寫入時會重寫校驗盤的內容，對校驗盤的負載較大，讀寫速度相較於Raid0較慢，適用於讀取多而寫入少的應用環境，比如數據庫和web服務器。使用容錯算法和分塊的大小決定了Raid3在通常情況下用於大文件且安全性要求較高的應用，比如視頻編輯、硬盤播出機、大型數據庫等。
stripe size = logic block size of file system
（6）RAID4: 帶奇偶校驗碼的獨立磁盤結構
提供了非常好的讀性能，但單一的校驗盤往往成為系統性能的瓶頸。對於寫操作，RAID4 只能一個磁盤一個磁盤地寫，並且還要寫入校驗數據，因此寫性能比較差。而且隨着成員磁盤數量的增加，校驗盤的系統瓶頸將更加突出。正是如上這些限制和不足，所以不推薦 RAID4 在實際應用。RAID4和RAID3很象，不同的是，它對數據的訪問是按數據塊進行的，也就是按磁盤進行的，每次是一個盤。在圖上可以這么看，RAID3是一次一橫條，而RAID4一次一豎條。它的特點的RAID3也挺象，不過在失敗恢復時，它的難度可要比RAID3大得多了，控制器的設計難度也要大許多，而且訪問數據的效率不怎么好。
(7) RAID5:分布式奇偶校驗的獨立磁盤結構
奇偶校驗值，其它的意思也相同。RAID5的讀出效率很高，寫入效率一般，塊式的集體訪問效率不錯。因為奇偶校驗碼在不同的磁盤上，所以提高了可靠性，允許單個磁盤出錯。RAID 5也是以數據的校驗位來保證數據的安全，但它不是以單獨硬盤來存放數據的校驗位，而是將數據段的校驗位交互存放於各個硬盤上。這樣，任何一個硬盤損壞，都可以根據其它硬盤上的校驗位來重建損壞的數據。硬盤的利用率為n-1。 但是它對數據傳輸的並行性解決不好，而且控制器的設計也相當困難。RAID 3 與RAID 5相比，重要的區別在於RAID 3每進行一次數據傳輸，需涉及到所有的陣列盤。而對於RAID 5來說，大部分數據傳輸只對一塊磁盤操作，可進行並行操作。在RAID 5中有“寫損失”，即每一次寫操作，將產生四個實際的讀/寫操作，其中兩次讀舊的數據及奇偶信息，兩次寫新的數據及奇偶信息。 RAID-5的話，優點是提供了冗余性（支持一塊盤掉線后仍然正常運行），磁盤空間利用率較高（N-1/N），讀寫速度較快（N-1倍）。但當掉盤之后，運行效率大幅下降。
特點：
·塊大小調整為典型的I/O對齊到單個磁盤上。
·每個條帶有一個校驗塊，但是不同條帶位置不同，在相鄰條帶間循環分布，從而避免校驗寫的瓶頸
（8）RAID6:帶有兩種分布存儲的奇偶校驗碼的獨立磁盤結構
名字很長，但是如果看到圖，大家立刻會明白是為什么，請注意p0代表第0帶區的奇偶校驗值，而pA代表數據塊A的奇偶校驗值。它是對RAID5的擴展，主要是用於要求數據絕對不能出錯的場合。當然了，由於引入了第二種奇偶校驗值，所以需要N+2個磁盤，同時對控制器的設計變得十分復雜，寫入速度也不好，用於計算奇偶校驗值和驗證數據正確性所花費的時間比較多，造成了不必須的負載。我想除了軍隊沒有人用得起這種東西。
（9）RAID技術比較
（10）技術選擇路線
