01
PART
知识回顾
本篇文章,我们重点介绍X86服务器磁盘相关知识。
前期知识储备和回顾,请参考以下文章
01)IT全栈-服务器01-X86-PCServer整机介绍
02)IT全栈-服务器02-X86-PCServer CPU介绍
03)IT全栈-服务器03-X86-PCServer内存和NUMA介绍
02
PART
磁盘相关知识
A
磁盘全局参数
磁盘选型重点考虑因素:
1)介质类型:HDD|SSD
2)尺寸:2.5|3.5|PCIE卡
3)接口类型:SATA|SAS|U.2|PCIE
4)容量:单盘容量,如300G或16T
5)IOPS:单位时间内处理的IO数量
6)吞吐量:单位时间内传输的数据量
7)延时:完成一个IO的平均时间
8)扇区类型:单个扇区存储的容量512n|512e|4Kn
B
HDD磁盘知识
HDD磁盘物理结构包括:
1)底座:负责磁盘的保护及盘片|电机|马达|数据接口固定
2)盘片:负责数据的存储
3)磁头:负责数据的读写(电磁|磁电转换)
4)马达:负责带动盘片旋转
5)步进电机:负责控制磁盘的摆动
6)数据线:负责磁头读写的数据传输
7)外部接口:负责磁盘与主机数据交互
HDD磁盘的逻辑结构包括:
1)磁道:盘面上一个个的同心圆
2)扇区:磁盘最小的存储单元(一个磁道包含若干扇区)
3)柱面:所有盘片上相同的磁道为一个柱面
磁盘容量=磁头数×柱面数×扇区数×每扇区字节数
备注:早些年磁盘每个磁道扇区数量相同,可以用上面的公式计算磁盘容量;现代磁盘每个磁道扇区数量不同,故上面的磁盘容量计算公式已经不适用。
HDD提升磁盘容量的几个手段
1)增大盘片尺寸:如磁盘尺寸从2.5到3.5寸
2)增加盘片数量:如盘片数量从1-4
3)增加磁道密度:如一个盘面的磁道从10提升为1000
4)增加单磁道内扇区数量:如一个磁道扇区数量从10提升为1000
5)提升单个扇区内的存储密度,从512B到4Kn
6)降低磁盘转速:如磁盘转速从15K降低为7.2K
备注:其实早期的时候,每个磁道的扇区数量是相同的;但是最外圈磁道周长很明显比最内圈磁道要长,如果每个磁道扇区数量相同,那意味着外侧的磁道存储容量面临很大的浪费;故现代磁盘每个磁道的扇区数量都不一样,周长越大扇区数量越多。
小知识
为什么降低磁盘转速可以增加磁盘容量?估计绝大部分人都不会理解;现在我给大家分析一下机械磁盘的特性
1)磁盘的转速是恒定的(7.2K|10K|15K rpm)
2)所有盘片的角速度是相同的(一个圆360°恒定)
3)但是不同柱面线速度是不同的(角速度相同,越靠近边缘的磁道线速度越大)
4)磁头读写是需要时间的,扇区是磁盘的数据存储最小单元
5)由上得知:越靠近边缘的磁道线速度越大,而一个磁道包含若干扇区,单磁头读写是需要时间的;这意味着:单个扇区滑过磁头的时间不能小于磁头的最小读写时间;在增加磁道扇区密度的情况下还要保证数据能被磁头正常读写,只能降低转速。
1)寻道时间
1.1定义:将读写磁头移动至正确的磁道上所需要的时间
1.2优化措施:提高磁头移动精度和速度
1.3寻道时间与IOPS关系:寻道时间越短,IOPS越高
2)旋转延迟
2.1定义:指盘片旋转将请求数据所在扇区移至读写磁头下方所需要的时间;通常用磁盘旋转一周所需时间的1/2表示
2.2优化措施:提高磁盘转速
2.3旋转延迟与IOPS关系:转速越高,IOPS越高
3)数据传输时间
3.1定义:指完成传输所请求的数据所需要的时间(数据大小除以数据传输速率)
3.2优化测试:提高数据传输速率
3.3数据传输时间与IOPS关系:数据传输时间越短,IOPS越高
1)IOPS计算方法
IOPS = 1000ms/ (寻道时间+旋转延迟+数据传输时间)
小提示:数据传输时间非常小,可以忽略不计
2)寻道时间
7200转/分的STAT硬盘平均物理寻道时间是9ms 10000转/分的STAT硬盘平均物理寻道时间是6ms 15000转/分的SAS硬盘平均物理寻道时间是4ms
3)旋转延迟时间
7200 rpm的磁盘平均旋转延迟大约为60*1000/7200/2 = 4.17ms
10000 rpm的磁盘平均旋转延迟大约为60*1000/10000/2 = 3ms,
15000 rpm的磁盘其平均旋转延迟约为60*1000/15000/2 = 2ms。
4)最大IOPS的理论计算方法 7200rpm的磁盘IOPS = 1000 / (9 + 4.17) = 76 IOPS 10000 rpm的磁盘IOPS = 1000 / (6+ 3) = 111 IOPS 15000 rpm的磁盘IOPS = 1000 / (4 + 2) = 166 IOPS
C
SSD磁盘知识
SSD磁盘物理结构包括:
1)底座:负责电路板|接口固定
2)存储芯片:负责数据的存储
3)主控芯片:嵌入式CPU
4)缓存芯片:RAM内存芯片
6)外部接口:负责磁盘与主机数据交互
SSD磁盘逻辑结构
1)处理器(相当于PCServer的CPU)
2)RAM(相当于PCServer的内存)
3)存储单元(相当于PCServer的硬盘)
4)存储控制器(相当于PCServer的raid卡)
5)接口(与主机进行数据交互接口)
6)固件(相当于PCServer的操作系统)
备注:固件是SSD厂家的核心竞争优势(考验厂家对SSD介质算法的把控度)
1)DWPD(Driver Writes Per Day):质保期内,每天盘可以把盘写满多少次
2)TBW(Terabytes Write):生命周期内可写入的总的字节数
3)DWPD = TBW/(维保年限*365*单盘容量)
1)再说一次:固件是SSD厂家的核心竞争力(厂家对SSD物理特性的本质把控)
2)OP容量(SSD底层物理容量=用户容量+OP容量,OP容量越大,SSD盘性能越好;如同样2T底层物理容量,用户容量1.6T要比1.92T性能要好)
3)至于存储介质、接口、主控市面上的厂家都是采购别人的,大体都差不多
03
PART
总结
A
磁盘规范化表述
1)类型:HDD|SSD
2)转速:7.2K|10K|15K
3)尺寸:2.5|3.5
4)接口:SATA|SAS|U.2|PCIE
5)容量:300G-16T
6)扇区类型:512n|512e|4Kn
7)磁盘规范化表述举例
HDD-7.2K-3.5-SATA-10T-512e
SSD-SLC-2.5-U.2-1.6T-512e
SSD-TLC-2.5-SAS-1.92T-512e
B
HDD|SSD磁盘对比
C
IOPS和吞吐量关系
1)IOPS:每秒钟处理IO的个数
2)吞吐量:每秒钟处理数据量的大小
3)IOPS和吞吐量基本上是反比关系(非严格意义上,只是概要总结):即IOPS高,吞吐量就低;IOPS低,吞吐量就高
4)关注IOPS的场景:大量小块读写,如数据库、邮件系统等
5)关注屯入了的场景:大文件顺序读写,如安防视频监控、视频编辑等
D
磁盘容量iB和B的关系
1)iB与B换算
1PiB = 1024 TiB 1PB = 1000 TB
1TiB = 1024 GiB 1TB = 1024 GB
1GiB = 1024 MiB 1GB = 1024 MB
1MiB = 1024 KiB 1MB = 1024 KB
1GiB = 1024 * 1024 * 1024 byte
1GB = 1000 * 1000 * 1000 byte
1GB / 1Gib = 0.9317
2)数据量差异
G级别:GiB和GB有7%的差异
T级别:TiB和TB有9-10%的差异
这也是我们经常发现标称4T硬盘,在系统中识别出来大概为3.6T(计算机采用1024)