信息存储技术磁盘阵列讲稿.pptx
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1、信息存储技术磁盘阵列第一页,讲稿共四十九页哦3,0001,000100100197019801990200020102020Systems-Systems-centriccentricPC-PC-centriccentricNetwork-Network-centriccentricInformation-centric用户数量用户数量(百万百万)20052010数据的摩尔定律:人类每数据的摩尔定律:人类每18个月产生的信息量,是人类之前全部信息量的总和个月产生的信息量,是人类之前全部信息量的总和2015第二页,讲稿共四十九页哦假如有假如有1PB数据,买数据,买 4TB大小的磁盘,需要大小的磁
2、盘,需要250个!个!如何把如何把250个磁盘连接起来?个磁盘连接起来?如果用一般的如果用一般的PC,需要,需要63台!台!数据存放起来了,如何管理和使用?数据存放起来了,如何管理和使用?性能如何?性能如何?当设备损坏或发生事故时如何应对?当设备损坏或发生事故时如何应对?几个问题第三页,讲稿共四十九页哦容量速度管理安全:容灾与备份可扩展性信息存储需要解决的主要问题第四页,讲稿共四十九页哦信息的分层存储计算机系统基本结构计算机系统基本结构辅助存储器辅助存储器第五页,讲稿共四十九页哦与信息存储有关的部件与信息存储有关的部件CPU(寄存器)高速缓存主存储器辅助存储器信息的分层存储第六页,讲稿共四十九
3、页哦存储器硬件的金字塔结构存储器硬件的金字塔结构寄存器高速缓存主存储器软磁盘硬盘其它外存设备速度越来越快容量越来越大信息的分层存储第七页,讲稿共四十九页哦信息的分层存储辅助存储器主要有辅助存储器主要有磁表面存储器磁表面存储器和和光光存储器存储器两大类两大类.磁表面存储器磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片是将磁性材料沉积在盘片(或带或带)的基体上的基体上形成记录介质形成记录介质,并以绕有线圈的磁头与记录介质的相对运动并以绕有线圈的磁头与记录介质的相对运动来写入或读出信息来写入或读出信息.磁表面存储器有数字式磁记录磁表面存储器有数字式磁记录,如硬盘如硬盘,软盘和磁带软盘和磁带.模拟式磁记录模拟式磁
4、记录,如录音如录音,录像设备录像设备光存储器光存储器主要是光盘主要是光盘,它是利用激光束在具有感光特它是利用激光束在具有感光特性的表面上存储信息的性的表面上存储信息的第八页,讲稿共四十九页哦存储密度存储密度面密度:单位面积中存储的二进制信息量;面密度:单位面积中存储的二进制信息量;道密度:单位长度上存储的二进制信息量。道密度:单位长度上存储的二进制信息量。存储容量存储容量格式化容量、非格式化容量格式化容量、非格式化容量寻址时间寻址时间平均寻道时间平均寻道时间+平均等待时间平均等待时间数据传输率数据传输率单位时间内从磁表面存储器所读单位时间内从磁表面存储器所读/写的信息量。写的信息量。误码率、价
5、格误码率、价格信息的分层存储磁表面存储器的技术指标磁表面存储器的技术指标第九页,讲稿共四十九页哦信息的分层存储磁盘的磁化轨迹磁盘的磁化轨迹第十一页,讲稿共四十九页哦磁盘设备的基本结构磁盘设备的基本结构面面surface,道,道track,扇区,扇区sector,柱面,柱面cylinder读写头读写头第十二页,讲稿共四十九页哦容量容量硬盘容量=盘面数柱面数扇区数扇区大小。硬盘容量=单碟容量碟片数。目前可达8TB硬盘的数据传输率硬盘的数据传输率(Data Transfer Rate)(Data Transfer Rate)又称吞吐率,表示在磁头定位后,硬盘读或写数据的速度。信息的分层存储硬盘主要性
6、能指标硬盘主要性能指标第十三页,讲稿共四十九页哦道至道时间道至道时间(single track seeksingle track seek)指磁头从一磁道转移至另一磁道的时间,单位为毫秒。平均寻道时间平均寻道时间(Average Seek Time)(Average Seek Time)指硬盘磁头移动到数据所在磁道所用的时间,单位为毫秒(ms),平均寻道时间越短硬盘速度越快。转速转速主流硬盘的转速:5400rpm、7200rpm、10000rpm、15000rpm。第十四页,讲稿共四十九页哦平均潜伏期平均潜伏期(average latencyaverage latency)也称旋转等待时间,指
7、当磁头移动到数据所在的磁道后,然后等待所要的数据块继续转动(半圈或多些、少些)到磁头下的时间,单位为毫秒。平均访问时间平均访问时间(average accessaverage access)指磁头找到指定数据的平均时间,单位为毫秒。通常是平均寻道时间和平均潜伏时间之和。全程访问时间全程访问时间(max full seekmax full seek)指磁头开始移动直到最后找到所需要的数据块所用的全部时间,单位为毫秒。第十五页,讲稿共四十九页哦缓存缓存硬盘与外部总线交换数据的场所,缓存对提高硬盘速度很有好处,目前市面上的缓存容量通常为832MB。连续无故障时间连续无故障时间(Mean Time B
8、etween Failure(Mean Time Between Failure,MTBF)MTBF)硬盘表面温度硬盘表面温度第十六页,讲稿共四十九页哦信息的分层存储SCSIATAFCSATASASSAS2.0硬盘接口类型IEEE 1394IEEE 1394标准标准第十七页,讲稿共四十九页哦引言1、VLSI技术的迅速发展和多级并行处理技术的广泛使技术的迅速发展和多级并行处理技术的广泛使用,计算机主机的性能得到了空前的提高用,计算机主机的性能得到了空前的提高;2、I/O子系统的速度却因机械传动等因素,远远落后于子系统的速度却因机械传动等因素,远远落后于CPU处理速度,二者之间的差距日益增大处理速
9、度,二者之间的差距日益增大 I/O和和CPU速度上的不速度上的不匹配,高性能计算机面临着越来越严重的瓶颈问题;匹配,高性能计算机面临着越来越严重的瓶颈问题;3、快速多盘存储技术存储系统的并发与并行性;、快速多盘存储技术存储系统的并发与并行性;4、廉价、小容量、高性能的磁盘驱动器,组成盘阵、廉价、小容量、高性能的磁盘驱动器,组成盘阵列,实现对多盘的并发读列,实现对多盘的并发读/写,达到高数传率、高可靠性和写,达到高数传率、高可靠性和高性价比高性价比;过去十年来过去十年来,CPU的处理速度增加了五十倍有多的处理速度增加了五十倍有多,内存内存(memory)的存取速度亦大的存取速度亦大幅增加幅增加,
10、而数据储存装置而数据储存装置-主要是磁盘主要是磁盘(hard disk)-的存取速度只增加了三、四倍的存取速度只增加了三、四倍,形成电脑系统的瓶颈形成电脑系统的瓶颈,拉低了电脑系统的整体性能拉低了电脑系统的整体性能(throughput),若不能有效的提升若不能有效的提升磁盘的存取速度磁盘的存取速度,CPU、内存及磁盘间的不平衡将使、内存及磁盘间的不平衡将使CPU及内存的改进形成浪费。及内存的改进形成浪费。改进磁盘存取速度主要的两种方式改进磁盘存取速度主要的两种方式 一是磁盘高速缓存控制一是磁盘高速缓存控制(disk cache controller)二是使用磁盘阵列的技术二是使用磁盘阵列的技
11、术第十九页,讲稿共四十九页哦磁盘阵列磁盘阵列是由多个廉价磁盘构成的冗余阵列,以确保高传输率与是由多个廉价磁盘构成的冗余阵列,以确保高传输率与高可靠性。通过将文件散布到多个磁盘中,实现多个磁盘的并发传输,高可靠性。通过将文件散布到多个磁盘中,实现多个磁盘的并发传输,以达到提高数据传输率与以达到提高数据传输率与I/O请求速率(请求速率(I/O请求请求/)的目的。)的目的。此外,通过冗余磁盘来确保数据安全,即当有磁盘损坏时,此外,通过冗余磁盘来确保数据安全,即当有磁盘损坏时,能通过数据重建手段来恢复丢失的数据,所以可靠性也非常高。能通过数据重建手段来恢复丢失的数据,所以可靠性也非常高。磁盘阵列的工作
12、原理 第二十页,讲稿共四十九页哦磁盘对主机磁盘对主机I/O读读/写请求的写请求的响应时间响应时间=寻道时间寻道时间+旋转等待时间旋转等待时间+数据传输时间;数据传输时间;寻道时间和磁头移动的距离有关,现有的设备可使跨过一个磁道的时间寻道时间和磁头移动的距离有关,现有的设备可使跨过一个磁道的时间达到达到2ms,最大寻道时间不超过,最大寻道时间不超过20ms。旋转等待时间视磁盘的主轴转速而定,对转速为旋转等待时间视磁盘的主轴转速而定,对转速为5400rp/m的磁盘,平均的磁盘,平均旋转等待时间约为旋转等待时间约为6ms,4.2ms(7200),3ms(10k)。二者由于受机械传动的约束,要提高速度
13、困难很大,然而这两部二者由于受机械传动的约束,要提高速度困难很大,然而这两部分时间是分时间是I/O处理的主要部分,解决这一矛盾,可以采用多盘并发技术,该处理的主要部分,解决这一矛盾,可以采用多盘并发技术,该技术给提高技术给提高I/O处理速度带来了新的途径。处理速度带来了新的途径。影响磁盘存储系统性能的关键因素 第二十一页,讲稿共四十九页哦Tc=T1+T2+T3Tb=T1+T2+T3+T1+T2+T3+T1+T2+T3(n)=n(T1+T2)+T3+T3+T3(n)T1寻道时间、寻道时间、T2旋转等待时间、旋转等待时间、T3数据传输时间数据传输时间数据连续存放数据连续存放数据不连续存放数据不连续
14、存放 =n(T1+T2)+T3单盘数据存取时间第二十二页,讲稿共四十九页哦mTc=(n-1)m+T1+T2+T3/n T1+T2+T3/nm为不同磁盘启动的时间间隔为不同磁盘启动的时间间隔多盘数据存取时间多盘数据存取时间 多盘数据存取时间第一块硬盘第一块硬盘第二块硬盘第二块硬盘第第n块硬盘块硬盘第二十三页,讲稿共四十九页哦RAID0RAID1RAID2RAID3磁盘阵列RAIDRAID技术RAID4RAID5RAID6RAID10第二十四页,讲稿共四十九页哦磁盘阵列RAID0也称为条带化(也称为条带化(stripe),将数据分成),将数据分成一定的大小数据块写到阵列的磁盘里。一定的大小数据块写
15、到阵列的磁盘里。RAID0可以并行的执行读写操作,充分利用总线可以并行的执行读写操作,充分利用总线的带宽,理论上讲,一个由的带宽,理论上讲,一个由N个磁盘组成的个磁盘组成的RAID0系统,系统,它的读写性能将是单个磁盘读取性能的它的读写性能将是单个磁盘读取性能的N倍。且磁盘空倍。且磁盘空间的存储效率最大(间的存储效率最大(100)RAIDRAID技术技术RAID0原理原理第二十五页,讲稿共四十九页哦磁盘阵列D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D1D5D9D2D6D10D3D7D11D4D8D12RAIDRAID技术技术RAID0事例事例3N-2161310741Disk 11
16、714118523N-1Disk 21815129633NDisk 33N1110987654321Host LUNHost LUNNBlocks条带条带第二十六页,讲稿共四十九页哦RAID技术技术RAID0特点特点磁盘阵列优点优点优点优点:I/O性能好,条带化之后的多块硬盘,数据性能好,条带化之后的多块硬盘,数据是并行写入所有硬盘的也就是双管齐下,而不是横向是并行写入所有硬盘的也就是双管齐下,而不是横向写满一下条带再写下一个条带。写满一下条带再写下一个条带。缺点缺点缺点缺点:没有数据冗余及安全保护机制,坏某一块:没有数据冗余及安全保护机制,坏某一块盘,整个盘,整个RAID0的数据全部丢失。的
17、数据全部丢失。适用于适用于适用于适用于:RAID0应用于对读取性能要求较高但所应用于对读取性能要求较高但所存储的数据为非重要数据的情况下。存储的数据为非重要数据的情况下。第二十七页,讲稿共四十九页哦RAID1称为镜像(称为镜像(mirror),它将数据完全一),它将数据完全一致的分别写到工作磁盘和镜像磁盘,因此它的磁致的分别写到工作磁盘和镜像磁盘,因此它的磁盘空间利用率为盘空间利用率为50,在数据写入时时间会有影响,在数据写入时时间会有影响,但是读的时候没有任何影响,但是读的时候没有任何影响,RAID0提供了最佳的数提供了最佳的数据保护,一旦工作磁盘发生故障,系统自动从镜据保护,一旦工作磁盘发
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