磁盘的基本概念

一、磁盘的分类

    磁盘按照接口类型可以分为ATA（IDE）和SATA以及SCSI和SAS，FC盘。按照磁盘的芯片组成又分为固态硬盘（SSD）和机械硬盘。由于机械硬盘还是主流配置，我们日常所说的SAS，FC和SATA都是指机械硬盘。

下面是百度百科的简单介绍：

ATA，全称AdvancedTechnology Attachment，是用传统的 40-pin 并口数据线连接主板与硬盘的，接口速度最大为133MB/s，因为并口线的抗干扰性太差，且排线占用空间较大，不利电脑内部散热，已逐渐被SATA 所取代。

SATA，全称Serial ATA，也就是使用串口的ATA接口，因抗干扰性强，且对数据线的长度要求比ATA低很多，支持热插拔等功能，SATA-II的接口速度為375MB/s，而新的SATA-III标准可达到750MB/s的传输速度。SATA的数据线也比ATA的细得多，有利于机箱內的空气流通，整理线材也比较方便。

SCSI，全称是SmallComputer System Interface（小型机系统接口），经历多代的发展，从早期的 SCSI-II，到目前的 Ultra320 SCSI 以及 Fiber-Channel （光纤通道），接口型式也多种多样。SCSI 硬盘广为工作站级個人电脑以及服务器所使用，因此会使用较为先进的技術，如碟片转速15000rpm的高转速，且资料传输时CPU占用率较低，但是单价也比相同容量的 ATA 及 SATA 硬盘更加昂贵。

SAS（SerialAttached SCSI）是新一代的SCSI技术，和SATA硬盘相同，都是采取序列式技术以获得更高的传输速度，可达到6Gb/s。此外也透过缩小连接线改善系统内部空间等。

此外，由于SAS硬盘可以与SATA硬盘共享同样的背板，因此在同一个SAS存储系统中，可以用SATA硬盘来取代部分昂贵的SAS硬盘，节省整体的存储成本。但SATA存储系統并不能连接SAS硬盘。

FC（FibreChannel，光纤通道接口），拥有此接口的硬盘在使用光纤联接时具有热插拔性、高速带宽(4Gb/s或10Gb/s)、远程连接等特点；内部传输速率也比普通硬盘更高。限制于其高昂的售价, 通常用于高端服务器领域。

SSD：是由控制单元和固态存储单元（DRAM或FLASH芯片）组成的硬盘。固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的相同，在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一致，SSD分类两类，一种是闪存（FLASH芯片）作为存储介质，另外一种是采用DRAM作为存储介质。SSD的特点是性能好，价格高

二、机械磁盘的物理结构 

如图所示，磁盘主要是通过机械臂（disk arm）上的磁头来读取磁盘上的数据，磁盘由一个或者多个圆盘（platter）组成，它们围绕着一根中心主轴（spindle ）旋转，磁盘被组织成磁道（track），磁道是单个盘片上的同心圆，所有盘面上半径相同的磁道构成了柱面（cylinder），每一个磁道又按512个字节为单位划分为等分，叫做扇区(sector), 向磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。

三、磁盘的性能

影响磁盘的关键因素是磁盘服务时间，即磁盘完成一个I/O请求所花费的时间Tio，它由寻道时间、旋转延迟和数据传输时间三部分构成

1）磁盘的访问时间（Access time），磁头找到访问数据的时间，是指寻道时间（seek time）和旋转延迟（Rotationallatency）之和。

a)  寻道时间Ta：seek time是指移动到数据（扇区）所在的磁道上的时间，最长寻道时间是移动到最里面（或者最外面）的扇区，最小寻道是指移动到相邻的扇区。磁盘的平均寻道时间是3~15ms，

b)  旋转延迟Tl：盘片旋转，是数据所在的扇区移动到磁道下面所需的时间。旋转延迟时间和磁盘的转速有关，通常使用磁盘旋转一周所需时间的1/2表示。比如，7200 rpm的磁盘平均旋转延迟大约为60*1000/7200/2 = 4.17ms

2）磁盘的传输时间Tt：从磁盘上把数据传输的主机接口的时间，和主机连接磁盘的接口和类型有关，和磁盘的传输率有关。

衡量磁盘的性能主要是下面三个指标

IOPS（Input/OutputPer Second）：每秒能够完成的IO数据，对于OLTP型系统，IOPS是衡量IO性能的主要指标。

吞吐量（Throughput），一般用MBPS，每秒传输的MB字节数来衡量，常用于衡量OLAP型数据块的IO性能。

响应时间：对主机上的进程来说，完成一个IO请求所需的时间，也叫做latency延迟时间，一般响应时间应该小于20ms

 

三个指标的关系是：IOPS = throughput /block_size ，block_size是数据块的大小

以Seagate Savvio 2.5” SAS 15K rpm为例，磁盘的寻道平均时间是2.9ms，15000转，则旋转延迟时间为60*1000/15000/2=2ms，磁盘接口带宽是151MB/s,假设数据块大小为4KB，则磁盘的响应时间是4.927ms,IOPS为203，吞吐量为0.812MBPS(由于是小块随机读，吞吐量很小)

Ta= 2.9 ms; Tl= 2.0 ms; Tt= 4 / 151 = 0.027 ms; Tio= 2.9 + 2.0 + 0.027 =4.927 ms

IOPS= 1 / 4.927 = 203

吞吐量为203*4K/1000=0.812MBPS

四、主流磁盘参考性能指标如下

测试磁盘的IOPS，一般使用小块随机读，下面是一些盘的指标

Drive (Type / RPM )	IOPS (4KB block, random) [WintelGuy.com]	IOPS [1]*	IOPS [2]*	IOPS [3]*
FC / 15 K	163 -178	175	150 - 190
SAS / 15 K	188 - 203	175	150 - 190	180
FC / 10 K	142 - 151	125	100 - 130
SAS / 10 K	142 - 151	125	100 - 130	140
SAS/SATA / 7200	73 - 79	75	75 - 100	30 - 80
SATA / 5400	57	50
SSD		6000

 

测量吞吐量，一般使用大数据块顺序读，下面是常见的盘的指标

Drive (Type / RPM )	MB/s (large block, sequential)
FC / 15 K	73.5 – 127.5
SAS / 15 K	91.5 – 126.3
FC / 10 K	58.1 – 107.2
SAS / 10 K	58.1 – 107.2
SAS/SATA / 7200	43.4 – 97.8

 

 

参考文档

http://wintelguy.com/2013/20130406_disk_perf.html

http://www.thomas-krenn.com/en/wiki/Linux_I/O_Performance_Tests_using_dd

http://www.sgidepot.co.uk/diskdata.html

http://blog.csdn.net/tianlesoftware/article/details/6009110

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A1%AC%E7%9B%98