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叠瓦式硬盘技术原理详解

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机械硬盘是当今信息存储系统中主要的数据存储设备。大家都知道,硬盘单碟容量的已经摸到了天花板。而新一代的HAMR，MAMR技术迟迟不能满足商用需求。在数据大爆炸的当今，为了应付市场对大容量机械硬盘的迫切需求，叠瓦式磁记录( ShingledMagnetic Recording,简称SMR)技术应运而生。叠瓦式磁记录是目前最容易实现，难度最低而又能迅速提升硬盘单碟容量的技术。

叠瓦式硬盘和传统硬盘不同,它采用了磁道重叠技术（类似瓦片堆叠）,该技术可以有效提升硬盘TPI,从而达成提升硬盘有效容量的目的。SMR技术原理是：利用读磁头的宽度低于写磁头的特性,把整个磁道的宽度则设计成读磁头的宽度。在实际应用当中,SMR硬盘的读取功能和传统硬盘一样,但是数据写入的效率则远远低于传统硬盘。在数据写入过程中会执行一系列复杂操作：写磁头要写满整个磁道,而每个磁道都有一部分被相邻磁道覆盖,向磁道中写数据可能会覆盖与其相邻的磁道的数据,导致相邻磁道上的数据被改写;为了保证相邻磁道上数据的完整性,需要在写之前,先将相邻磁道上的数据读出来,和需要新写的数据一起重新组织后再依次写入。给SMR硬盘写入带来严重拖累效率下降。业内称之为：写放大。

SMR硬盘为了提高写入效率也做了一些有限措施：将磁道组织成若干磁道群,每个磁道群由连续磁道构成,磁道群之间存在安全间隔区。SMR硬盘的结构与传统硬盘的结构如图：

如上图所示,张碟片的磁道被分成了多个磁道群(Band1,Band2,…, Band N),群与群之间设置隔离区防止互相干扰。碟片最外圈设置非叠瓦式磁道构成的缓冲区,用来缓存电脑请求的随机写操作。按照SMR磁盘的写入模式,目前出现了三种主要的SMR硬盘结构：

硬盘管理式SMR ( driver-managed)SMR

主机管理式SMR ( host-managed)SMR

主机感知式SMR (host- aware)SMR

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硬盘管理式SMR ( driver-managed)SMR

该技术是目前应用最广泛也是唯一可见的SMR技术。采用该技术的硬盘存在1个数据转换区( shingle translation layer，简称STL)。采用数据地址映射和垃圾回收机制将主机请求的随机写操作转换成顺序写操作。在STL的帮助下,使得SMR硬盘与操作系统文件结构完美兼容：

 

 

硬盘管理式SMR虽然能解决SMR磁盘与现有文件系统的相互兼容问题,但是随着SMR磁盘上数据量的增大,STL转换层上的垃圾回收策略和数据映射策略越来越复杂,SMR磁盘的写入性能直线下降。

SMR硬盘由于磁道重叠的特性随机写入和原地改写数据变得非常困难。为维持SMR硬盘随机写性能，引入SMR小块技术。利用SMR磁盘上的缓冲区,将随机写操作和数据更新操作先写人缓冲区，然后重新组织缓冲区里的数据，最后顺序写到磁盘上的正确位置。由于缓冲区容量有限，当写入量增大时，部分写请求无法获得缓冲区容量分配,导致随机写性能急剧下降。为进一步解决该问题,又设计了二种方案：原地改写和异地改写。异地改写时，不在原数据位置改写,而是被写到一个重新指派的位置,而后将原数据位置标记为无效。

虽然解决随机写入造成的写放大问题，但需对无效数据块执行垃圾回收。由于数据更新到新地址，逻辑地址到物理地址的映射表变得日益臃肿繁杂。执行数据原地更新时，则需预留的缓冲区为随机访问区。在进行数据更新时，先将数据写到随机访问区,然后从映射表中找到相关的物理地址，把旧数据写到缓冲区进行旧数据与新数据合并,最后在相应的物理地址上写新数据。为了保证数据的写性能,随机访问区需要采用传统磁盘的非叠瓦式磁道结构。跟异地更新方案相比，这种方案无需回收垃圾，映射表结构简单。

 

主机管理式SMR ( host-managed)SMR

主机管理式SMR，将随机写入转换到顺序写入的操作交由电脑端执行。发送到SMR硬盘的指令则全部为顺序写入。取消硬盘内部的STL功能，硬盘则变成一个不具备自主存储功能的设备。设备端仅接受电脑端提交的顺序写请求。主机管理式SMR技术主要是围绕磁道群的固定大小和可变大小展开。

 

 

 

固定大小的磁道群

采用严格追加方式向SMR硬盘发送顺序写指令,数据顺序写磁道群。该模式里,每个磁道群都有一个指向磁道群的末端的标记,用于增加新数据;当该磁道群全为无效数据时,才允许重置标记。磁道群可以从头开始接受新数据覆盖老数据。这种模式将所有的数据都写标记的新位置，而不是在原有位置更新数据,这种模式完美解决叠瓦式造成的写放大问题，但是会导致过多无效数据堆积,需频繁回收垃圾及整理数据。

可变大小磁道群

根据应用需求设定磁道带的大小，以此来提高SMR硬盘空间利用率及读写性能。该方法提出了非覆盖间距(drive no overlap range, DNOR)和独立间距(drive isolation distance, DID)。DNOR是指对1个磁道进行写操作时,与之相邻的磁道不会被该写操作覆盖的最大磁道数。而DID则是指对1个磁道写操作时，与该写操作会覆盖的最远的磁道之间相隔的总和。譬如写磁头的宽度是2个磁道。当写磁道1时会覆盖磁道2。则磁道的DNOR为15(磁道1、磁道2...、磁道15),磁道0的DID为27(磁道1、磁道2...、磁道27)。每个磁道都有对应DNOR和DID值，硬盘的DNOR值和DID值可以为上层应用的数据写操作提供很大的灵活性。因此，通过这种方式,将读写数据的最小单位设定在磁道,而非之前的磁道群,便可以自由调整每个磁道群的大小,提高磁盘的空间利用率。DNOR值和DID值与具体的硬盘结构有关，包括磁道几何分布、碟片的数量等等。

 

 

主机感知式SMR (host- aware)SMR

这种技术属于硬盘管理式SMR 和主机管理式SMR的混合体，暂时还没有更加详尽的技术披露，暂时不做论述。

如今只有硬盘管理式SMR进行商用，而主机管理式SMR暂时还停留于实验室阶段。主机管理式SMR技术将写放大问题，交由系统数据接口来解决该问题。

 

 

编辑于 2019-08-03

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