IT全栈-服务器04-X86-PCServer磁盘介绍

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磁盘指标参数

• HDD磁盘物理结构

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磁盘逻辑结构

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如何提升磁盘容量

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。

• HDD磁盘延时概述

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

• HDD磁盘IOPS计算

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磁盘指标参数

• SSD磁盘物理结构

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

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)

• SSD介质特性

• SSD寿命指标

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)

• 影响SSD性能的因素

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)