存储硬盘基础知识及存储架构
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扇区
– 磁头(Head) – 磁道(Track) – 柱面(Cylinder) – 扇区(Sector)
1磁道
0磁道 n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
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
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2.22cm
硬盘连接 热插拔特性 传输速率 每个通道1个硬盘（点对点连 接） 可热插拔，也可以插入背板或 设备插槽 目前SATAII为300MB/s
4针“D形”5V/12V电源连 接器，宽度为2.25cm
Fanout Expander：连接64个“Edge Expander
SAS系统的极限容量就是“64×64＝4096”个终端设备
What are FC？
FC-AL(光纤通道仲裁环Fibre Channel 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-SCA II 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 适用于在线、高可 用性、随机读 适用于近线、一般 可用性，连续读
适用于离线
适用于大型企业的关键数据，价格昂贵
SAS
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SATA 低价格、高容量
1磁道
0磁道 n磁道
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
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）
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：Programming Input/Output Model
每个通道2个硬盘（总线主/ 从方式） 无热插拔特性 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SCSI控制卡，才能 支持SCSI设备
缓存Cache)
S.M.A.R.T.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
硬盘主要参数--寻道时间
磁场资料
– 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： 读写磁头 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
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
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) 磁头
盘片 (Media)
磁头停放区 (Parking Zone)
传动部件
音圈马达 (Voice Coil Motor) 基座(Base Plate) 接口
SATA
磁带
高容量，可离线保存
das、nas、san架构介绍
DAS架构 NAS架构 SAN架构 DAS 、 NAS 、 SAN 、区别
Yesterday’s View
பைடு நூலகம்
Centralizing Information
Centralizing Information = Value
分布式存储
集中存储
入(t)
使用寿命 耗损失效期
早期失效期
偶然失效期
t
生产 阶段
现场运行
MTBF＝ 8760 年返修率
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℃
1.1 1 0.9 0.8
温度应力因子
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 25 26 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70 环境温度（℃）
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
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
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
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。
可靠性指标-MTBF
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
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
磁盘表面 主轴马达带动 磁盘旋转
磁场资料 读写磁头
读写磁头在磁盘 表面上方飞行
磁记录原理
线圈(Coil) 磁芯(Core)
S N
磁性材料层 (Magnetic Film) 金属性粒子呈 不规则状排列
盘 片
已磁化的金属性粒子
未磁化的金属性粒子
磁记录原理
线圈(Coil) 磁芯(Core)
Binary 0 (同性)
磁性材料层 (Magnetic Film)
N S
Binary 1 (异性)
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
扇区
– 容量(Capacity) – 磁头(Head) – 磁道(Track) – 柱面(Cylinder) – 扇区(Sector)
What are SCSI？
80-pin (SCA) SCSI 80-pin Male SCA Connector
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。
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
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
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
每年上电时间
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。
硬盘主要参数--内部数据传输率
– 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)
磁盘表面 磁场资料 读写磁头
缓存
硬盘主要参数--外部数据传输率
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)
硬件结构：玻璃盘片和铝合金盘片
Aluminu m Media Glas s Medi a
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
铝合金盘片
优点
技术成熟 价格便宜
缺点:
价格昂贵 要使用磁头加载/卸载技术
缺点
对冲击较为敏感 对温度较为敏感
硬件结构：硬盘磁头技术
上电时间对可靠性指标的影响
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）
2.5
2
MTBF倍数
1.5
1
0.5
0
492 1764 3036 4308 5580 6852 8124 1128 2400 3672 4944 6216 7488 8760
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
SATA与PATA对比
SATA
数据电缆连接 刀片和梁式插头结构，4根信 号线，3根地线
PATA
– 磁头(Head) – 磁道(Track) – 柱面(Cylinder) – 扇区(Sector)
1磁道
0磁道 n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
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
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2.22cm
硬盘连接 热插拔特性 传输速率 每个通道1个硬盘（点对点连 接） 可热插拔，也可以插入背板或 设备插槽 目前SATAII为300MB/s
4针“D形”5V/12V电源连 接器，宽度为2.25cm
Fanout Expander：连接64个“Edge Expander
SAS系统的极限容量就是“64×64＝4096”个终端设备
What are FC？
FC-AL(光纤通道仲裁环Fibre Channel 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-SCA II 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 适用于在线、高可 用性、随机读 适用于近线、一般 可用性，连续读
适用于离线
适用于大型企业的关键数据，价格昂贵
SAS
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SATA 低价格、高容量
1磁道
0磁道 n磁道
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
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）
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：Programming Input/Output Model
每个通道2个硬盘（总线主/ 从方式） 无热插拔特性 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SCSI控制卡，才能 支持SCSI设备
缓存Cache)
S.M.A.R.T.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
硬盘主要参数--寻道时间
磁场资料
– 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： 读写磁头 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
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
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) 磁头
盘片 (Media)
磁头停放区 (Parking Zone)
传动部件
音圈马达 (Voice Coil Motor) 基座(Base Plate) 接口
SATA
磁带
高容量，可离线保存
das、nas、san架构介绍
DAS架构 NAS架构 SAN架构 DAS 、 NAS 、 SAN 、区别
Yesterday’s View
பைடு நூலகம்
Centralizing Information
Centralizing Information = Value
分布式存储
集中存储
入(t)
使用寿命 耗损失效期
早期失效期
偶然失效期
t
生产 阶段
现场运行
MTBF＝ 8760 年返修率
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℃
1.1 1 0.9 0.8
温度应力因子
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 25 26 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70 环境温度（℃）
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
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
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
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。
可靠性指标-MTBF
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
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
磁盘表面 主轴马达带动 磁盘旋转
磁场资料 读写磁头
读写磁头在磁盘 表面上方飞行
磁记录原理
线圈(Coil) 磁芯(Core)
S N
磁性材料层 (Magnetic Film) 金属性粒子呈 不规则状排列
盘 片
已磁化的金属性粒子
未磁化的金属性粒子
磁记录原理
线圈(Coil) 磁芯(Core)
Binary 0 (同性)
磁性材料层 (Magnetic Film)
N S
Binary 1 (异性)
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
扇区
– 容量(Capacity) – 磁头(Head) – 磁道(Track) – 柱面(Cylinder) – 扇区(Sector)
What are SCSI？
80-pin (SCA) SCSI 80-pin Male SCA Connector
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。
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
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
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
每年上电时间
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。
硬盘主要参数--内部数据传输率
– 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)
磁盘表面 磁场资料 读写磁头
缓存
硬盘主要参数--外部数据传输率
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)
硬件结构：玻璃盘片和铝合金盘片
Aluminu m Media Glas s Medi a
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
铝合金盘片
优点
技术成熟 价格便宜
缺点:
价格昂贵 要使用磁头加载/卸载技术
缺点
对冲击较为敏感 对温度较为敏感
硬件结构：硬盘磁头技术
上电时间对可靠性指标的影响
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）
2.5
2
MTBF倍数
1.5
1
0.5
0
492 1764 3036 4308 5580 6852 8124 1128 2400 3672 4944 6216 7488 8760
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
SATA与PATA对比
SATA
数据电缆连接 刀片和梁式插头结构，4根信 号线，3根地线
PATA