存储系统科普——硬件层介绍

简介

该篇blog只是存储系列文章中的第一篇，所有文章请参考：

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在工程架构领域里，存储是一个非常重要的方向，这个方向从底至上，我分成了如下几个层次来介绍：

1. 硬件层：讲解磁盘，SSD，SAS, NAS, RAID等硬件层的基本原理，以及其为操作系统提供的存储界面；
2. 操作系统层：即文件系统，操作系统如何将各个硬件管理并对上提供更高层次接口；
3. 单机引擎层：常见存储系统对应单机引擎原理大概介绍，利用文件系统接口提供更高级别的存储系统接口；
4. 分布式层：如何将多个单机引擎组合成一个分布式存储系统；
5. 查询层：用户典型的查询语义表达以及解析；

主板结构

在进入对硬件层的分析前，让我们来看看电脑主板上各个原件之间的关系。

图1展示了主板上主要元件的结构图，以及他们之间的总线连接情况。核心连接点是北桥和南桥两块芯片。

其中北桥比较吊，连接的都是些高速设备。一般来说只连接CPU，内存和显卡几种设备。不过近些年也出现了PCIE2.0的高速接口接入北桥，使得一些符合标准的设备就可以接入北桥。

而南桥就相对搓了，他负责接入所有低速设备。什么USB，鼠标，磁盘，声卡等等都是接在南桥上的。而不同的设备用途和协议都有很大不同，所以设计了不同的交互协议。由于历史原因，不同设备传输介质可能都不一样，导致总线上布线十分复杂。所以到目前为止，主流设备都已经统一成为了PCI总线，大家一起用这条总线。

读写过程

我们来模拟一下CPU要从磁盘读入一份数据的过程：

1. CPU发出一条指令说哥要准备读数据了

   这条指令依次通过系统总线，桥间总线，PCI总线传递到了磁盘控制器。控制器收到指令了之后知道这是一次读请求，且读完了是否要发中断的信息。做好一些准备工作，等待读取数据。

2. CPU再发出一条指令说要读取的逻辑地址

   这条指令还是通过系列总线发给磁盘控制器之后。磁盘控制器就忙活了，查找逻辑快对应的物理块地址，查找，寻道等工作，就开始读取数据了。

3. CPU再发出一条指令说读入内存的地址

   当收到这条指令之后，CPU就不管了，他告诉一个叫DMA的总管，说接下来就靠你了。DMA设备会接管总线，负责将磁盘数据通过PCI总线，桥间总线，内存总线同步到内存指定位置。

写操作的过程是类似的，就不累述了。

上面我们只是讲解了在主板上数据流转的过程，但是还有一个黑盒，就是磁盘控制器。这哥们到底是怎么管理的各个磁盘呢？在下一节我们将为你描述。

存储介质原理

上面讲了计算机读取数据的过程。这一章我们来大概说一下常见的存储介质的存储原理。

磁带

磁带就跟小时候听歌的时候的磁带类似。一条黑色带子上面有很多小的磁性粒子，根据粒子的南北级来判定0/1。

软盘

软盘比磁带要先进一点，记录数据的原理是一样的，只是可以随机读取，而磁带只能顺序读取。

硬盘

硬件原理

如果说前两个都是古老的东西，技术含量一般的话。硬盘就是一个很有技术含量的存储设备了，主要包含三大设备：

1. 电机

   电机的目的是控制磁臂精准定位到磁道，一个磁道可能很小，要精准定位到哪个地方是高科技。

2. 盘面

   盘面主要有两点。一点是基板要足够光滑平整，不能有任何瑕疵；一点是要将磁粉均匀的镀到基板上。这里有两个高科技，一个是磁粉的制造，一个是如何均匀的镀到基板上。

3. 磁头

   磁头的主要难点是要控制好跟盘面的距离，跟软盘类似，硬盘也是通过修改磁粉的南北极来记录数据的。如果隔得太远，就感知不到磁性数据了，隔得太近呢，又可能把盘面刮到。当然0/1的表示并不是只有一个磁粉，而是一片区域的磁粉。

   现在磁盘都是利用空气动力学，将磁头漂浮在盘面上面一点距离来控制磁头和盘面的距离。但是当硬盘停止工作不转的时候，磁头就肯定掉在盘面上了，所以一般盘面靠近圆心的地方一般都有一块没有磁粉的地方，用于安全停靠磁头。当硬盘要开始工作的时候，磁头在同心圆里面起飞，飞起来了之后再移动到其他地区。

   不过我一直在想，是否可以有这样的技术，能在磁臂上装多个磁头，每个磁道对应一个，停止工作的时候就把磁臂固定在某个高度让他不挨着盘面，这样是不是能大大提高硬盘的读写效率，因为这样减少了寻道的时间。

基本概念

硬盘组成原理图如下：

如上图, 硬盘主要有如下几个概念（概念比较简单，就不解释了）：

1. 扇区
2. 磁道
3. 柱面

读写过程

读写过程得分成两头来说，一头说将数据从各个盘面中读取出来；一头说如何将数据送给计算机。

1. 从盘面中读取数据

   我们知道再磁盘中，顺序读取会比随机读取快很多，那么有这么多盘面，磁道，这个顺序到底是什么顺序呢？

   假设我们现在是再顺序遍历磁盘上的数据，那么读取顺序是这样的。首先读完最上面一块盘面的最外面一个磁道，等盘面旋转完一圈之后，即这个磁道被读取完毕，然后立即切换到第二块盘面，读第二块盘面的最外面一个磁道，以此类推，直到读完最底下一块盘面。然后磁臂在向内移动一个磁道，重复刚才的过程，直到读到最里面一个磁道。

   其实再读取过程中还会更复杂一点，因为盘面是一直匀速高速旋转的，可能在一个扇区过度到下一个扇区的时候，就那么一点时间，可能存在误差，导致下一个扇区的数据没读到。为了解决这个问题，一般数据是在磁道上是间隔存储的。假设一个数据有10个扇区，分别为，d1,d2,...,d10；为了说明这个思想，我们假设一个磁道正好也有10个扇区，分别为，s1,s2,...s10。如果是紧挨着存放的话，那么扇区和数据的对应关系为：[(s1,d1), (s2, d2), ... , (s10, d10)]。这样就存在刚才说的有误差。那么间隔存储的话，映射关系为：[(s1,d1), (s3,d2), (s5,d3), ..., (s2, d10)]。

   而且在切换盘面的时候，虽然是电子切换，但是速度还是会有一定延迟，下一个盘面和上一个盘面的起始点位置不能一一对应，也是会有一定错开的。

   在古老的磁盘里面，这些值可能还需要用户来设置，不过现在都是厂商给咱们设置好，用户不需要关心了。

   由于磁臂的移动要比盘面的切换要慢很多（一个是机械切换，一个是电子切换），所以为了减少磁臂的移动，所以如上的顺序读取会是先读一个柱面，再读取下一个磁道，而不是先读完一个盘面，在读下一个盘面。

   那么既然磁臂的移动如此的慢，刚才讲了顺序读取的时候的磁臂移动逻辑。那么在真实情况下，有大量随机访问的情况下，磁臂是如何移动的呢？这里就需要考虑常见的磁臂调度算法了：

   1. RSS：随机调度。这个就是扯蛋，只是拿来给别人做绿叶对比性能用的。
   2. FIFO：先进先出。这个对于随机读取来说，性能很不友好。
   3. PRI：交给用户来管理。这个跟FIFO类似，只不过优先级是由用户来指定的，不仅增加了用户使用磁盘的成本，效率也不见得高。
   4. SSTF：最短时间调度。这个是指磁头总是处理离自己这次请求最近的一次请求处理。这样最大的问题就是会存在饿死的情况。
   5. SCAN：电梯算法。在磁盘上往复。这个是比较常见的算法，跟电梯类似，磁臂就一个磁道一个磁道的动，移动最外面或者最里面的磁道就转向。这个算法不会饿死。
   6. C-SCAN：类似电梯算法，只是单向读取数据。磁臂总是再内圈到外圈的时候读取数据，当到达外圈过后迅速返回内圈，返回过程中不读取数据，在重复之前的过程。
   7. LOOK：类似SCAN，只是会快速返回，如果前面没有读写请求就立即返回。
   8. C-LOOK：类似C-SCAN和SCAN之间的关系。

   一般来说，再IO比较少的情况下，SSTF性能会比较好，在IO压力比较大的情况下，SCAN/LOOK算法会更优秀。

   大家可以到这里来看看硬盘读取数据的视频：http://v.ku6.com/show/2gl1CHY7iNa_CVLum3NQHg.html

2. 将数据送给计算机

   刚才我们从磁盘中读到了数据，接下来我们讲解磁盘通过什么样的接口跟计算机做交互。这个接口也叫磁盘管理协议。

   磁盘管理协议的定义又分成两部分：软件和硬件。其中软件是指指令级，目前指令级就两个：ATA和SCSI；硬件代表数据传输方式，一般都是主板上的导线传输原理，但并不限制，数据甚至可以通过TCP/IP传输。定义一个协议需要同时定义了指令级以及硬件传输方式。

   1. ATA

      全称是Advanced Technology Attachment，现在看起来不咋地，不过从名字看来，当时这个东西还是很高级的。

      这个指令是上个世纪80年代提出的。按照硬件接口的不同，又分成了两类，一类是并行ATA(PATA，一类是串行ATA(SATA)。一开始流行起来的是PATA，也叫IDE。不过由于并行线抗干扰能力太差，排线占空间，不利电脑散热。而更高级的SATA协议自从2000年被提出之后，很快PATA/IDE接口的磁盘就被历史淘汰，目前的ATA接口的磁盘只有SATA磁盘了。

   2. SCSI

      全称是Small Computer System Interface。也是上个世纪80年代提出来的，当时设计他的目的就是为了小型服务器设计的磁盘交互接口。用该接口可以达到更大的转速，更快的传输效率。但是价格也相对较高。

      所以目前基本上在服务器领域SCSI磁盘会比较多，在PC机领域SATA硬盘会比较多。不过随着SATA盘的进化以及其得天独厚的价格优势，在服务器领域SATA也在逐步侵蚀SCSI的市场。

      不过SCSI也不会坐以待毙，他按照PATA进化成SATA的思路，自己也搞串行化，进化出来了SAS(Serial Attach SCSI)接口。这个接口目前很对市场胃口，不仅价格低廉，而且性能也还不错。所以估计SATA淘汰PATA的一幕在不久的将来也会在SCSI领域里上演。

      SCSI指令还可以通过Internet传输(iSCSI)，通过FC网络传输(FC-SCSI)，这些我们会再后文提及。

ssd

硬件原理

ssd是近些年才火起来的存储介质。ssd一般有两种，一种利用flash闪存为芯片，另一种直接用内存(DRAM)作为存储介质，只是在里面加了个电池，在断电以后还能继续用电池来维持数据。

我们本文中讲的ssd全部是都指代前者，即用flash闪存做存储介质。先来看一下ssd的存储原理。

在磁盘中0/1的表示是用的磁粉的南北极的信息，在闪存中则用的是电子信号。他利用的是一种叫浮动门场效应晶体管作为基本存储介质。在该晶体管里面，主要是由两个门电路构成：控制门和浮动门。在两个门之间有一堆电子。当控制门加上一个电势的时候，电子就往浮动门那边跑，然后控制门断开电势，电子会储存在浮动门那边(靠中间的二氧化硅绝缘层)，则代表二进制中的0；控制门加一个反向电势的时候，电子跑回到控制门这边，浮动门那边没电子，代表二进制中的1。这样就通过检测浮动门那边的电势就能得到0或者1。而且现在有的ssd制造商，根据不同的电势，将一个晶体管表示的值从0/1拓展到0/1/2/3。这样就使得存储容量翻倍。这种类型的晶体管叫MLC(Multi Level Cell)，相对，只表示0/1的叫SLC(Single Level Cell)。不过一般而言，MLC的出错率也高很多，所以目前市面上主流产品还是SLC的。

了解了ssd的基本原理之后，我们来看看ssd是怎么组织这些晶体管的。看如下几个概念：

1. Page。一般一个Page为4K。则该Page包含4K*8个晶体管，Page是ssd读写的最小单元；
2. Block。一般128个Page组成一个Block，Block的概念非常重要，读写数据的控制都是针对Block的，待会我们再重点讲一下Block的概念；
3. Plane。一般2048个Block组成一个Plane;
4. 一块芯片再包含多个Plane，多个Plane之间可以并行操作。

Block的组织，见下图：

如图2，可以看到block中的晶体管是按照井字型组织的。一横排就代表一个Page，所以一个Block一般就有128行，4K*8列。当然，由于还需要针对每个Page加一些纠错数据，所以一般还会多一些列。

横排是控制线，负责给电压，来做充电放电的作用；竖排是读取线，负责读浮动门里的电势之用。

读写过程

读取的过程是这样的：

假设要读取第三行数据，那么会给第三行控制线的电势置位0，其他127行控制线都会给一个电势，这样就能保证再竖排的读取线上只读到第三行的数据，而读不到其他数据。可以看到ssd再读取数据的时候不再需要寻道这些复杂的事情，速度会比传统的磁盘块很多。

而ssd写入就比较麻烦了，因为ssd无法再一个block内对部分cell充电，对部分cell放电，这样信号会相互干扰从而造成不可预期的情况发生。那ssd怎么处理这个问题呢，那就暴力了，把一个block的数据全部读到ssd自带的内存当中，并做好修改，接下来把整个block全部放电，即擦除所有数据，最后再将内存中整个block写回。可以看到，即使是只修改一个bit的数据，也需要大动干戈，倒腾4K*128这么多数据，所以ssd写数据的代价是很大的。但是瘦死的骆驼比马大，比起机械硬盘，还是要快好几个数量级的。

而且，ssd还有一个很头疼的问题，就是随着充放电次数的增加，中间的二氧化硅绝缘层绝缘效果会逐步降低，当降低到一定程度之后浮动门保存不住电子了的话，这个晶体管就算废了。所以单个晶体管还有擦写次数寿命，目前主流的晶体管这个上限大概是10万的数量级。而MLC的更差，只有1万次左右。

那么针对如上两个问题，ssd目前一般都有哪些解决方案来应对呢？

1. 为了优化写的时候的性能，一般ssd并不在写的时候做擦除。而是在写数据的时候，选择另外一块干净的block写数据。对于老的block数据，会做一个标记，回头定期做擦除工作；
2. 对于坏掉的晶体管，可以通过额外的纠错位来实现。根据不同的纠错算法，可以容忍同一个Page中坏掉的位的个数也是不一样的。如果超过上限，只能报告说不可恢复的错误。

常见存储介质性能数字

最后我们来对比一下目前主流的硬盘和ssd的参数，这是笔者在工作中测试得到的数据，测试数据为各种存储介质在4K大小下的随机/顺序 读/写数据，数字做了模糊化处理，保留了数量级信息，大家看个大概，心里有数即可：

| 测试项\磁盘类型 | SATA | SAS | SSD |
| 顺序读(MB/s) | 400 | 350 | 500 |
| 顺序写(MB/s) | 200 | 300 | 400 |
| 随机读(IOPS) | 700 | 1300 | 7w |
| 随机写(IOPS) | 400 | 800 | 3w |

硬盘组合

上面一节中，我们了解了单个磁盘的存储原理和读写过程。在实际生产环境中，单个磁盘能提供的容量和性能还是有限，我们就需要利用一些组合技术将多个磁盘组合起来提供更好的服务。

这一节，我们主要介绍各种磁盘组合技术。首先，我们会看一下最基本的组合技术RAID系列技术；然后，我们在看一下更大规模的集成技术SAN和NAS。

RAID

RAID技术是上个世纪80年代提出来的。

1. RAID0：条带化。读写效率都很高。但是容错很差。
2. RAID1：镜像存储。读效率可达2倍，写的时候差不多。容错牛B。
3. RAID2 & RAID3：多加一块校验盘。在RAID0的基础之上多了容错性。RAID2和RAID3的区别是使用了不同的校验算法。而且这两个的校验是针对bit的，所以读写效率很高。
4. RAID4 & RAID5 & RAID6：这几个都是针对block的，所以效率比RAID2&RAID3要更差一些。RAID4是没有交错，有一块盘就是校验盘；RAID5是有交错，每块盘都有数据和校验信息；RAID6是双保险，存了两个校验值。

目前用得比较多的就是Raid5和Raid1。

Raid的实现方式一般有两种：软Raid和硬Raid。软Raid是指操作系统通过软件的方式，对下封装SCSI/SATA接口的硬盘操作，对上提供虚拟硬盘的接口，中间实现Raid对应逻辑；硬Raid就是一个再普通的SCSI/SATA卡上加了一块芯片，里面执行可以执行Raid对应的逻辑。

现在一般的Raid实现方案都是硬Raid，因为软Raid有如下两个确定：

1. 占用额外的内存和CPU资源；
2. Raid依赖操作系统，所以操作系统本身无法使用Raid，如果操作系统对应的那块硬盘坏了，那么整个Raid就无法用了；

现在Raid卡一般都比较高级，可以针对插在上面的多块磁盘做多重Raid。比如这三块磁盘做Raid5，另外两块做Raid1。然后对操作系统提供两块『逻辑盘』。这里的逻辑盘对操作系统而言就是一块磁盘，但实际底层可能是多块磁盘。

逻辑盘不一定要占据整块独立的磁盘，同样RAID的几块盘也可以做成多块逻辑盘。假设有三块磁盘做成了Raid5，假设一共有200G空间，也可以从中在划分成两块，每块100G，相当于用户就看到了两块100G的磁盘。不过一般逻辑盘不会跨Raid实现。倒不是不能做，而是没需求，而且对上层造成不一致的印象：这磁盘怎么忽快忽慢的呀。

这个逻辑盘还有一个英语名字：LUN(Logic Unit Number)，现在存储系统一般把硬件虚拟出来的盘叫『LUN』，软件虚拟出来的盘叫『卷』。LUN这个名词原本是SCSI协议专属的，SCSI协议规定一条总线最多只能接16个设备(主机或者磁盘)，在大型存储系统中，可能有成千上万个设备，肯定是不够的，所以发明了一个新的地址标注方法，叫LUN，通过SCSI_ID+LUN_ID来寻址磁盘。后来这个概念逐步发展成为所有硬件虚拟磁盘了。

操作系统看到逻辑盘之后，一般还要再做一次封装。逻辑盘始终都还是硬件层在做的事情，硬件层实现的特点就是效率高，但是不灵活，比如逻辑盘定好了100G就是100G，空间用光了想要调整为150G就只有干瞪眼了，实现成本很高。为了达到灵活性的目的，所以操作系统还要再做一层封装『卷管理』。这层卷管理就是把逻辑盘在软件层再拆分合并一下，组成新的操作系统真正看到的"磁盘"。

最后操作系统再在这些卷上面去做一些分区，并在分区上安装操作系统等工作。

磁盘独立闹革命

上面都是讲的单台机器内部的磁盘组织方式，而单台机器所提供的存储空间是有限的，毕竟机器大小空间是有限的，只能放得下那么几块盘。在一般的2U的机器里面能放得下20块盘就算是很不错的了。在实际工业需求中，对于一些大型应用来说，肯定是远远不够的。而工业界采用的方案就是：堆磁盘，单台机器装不下这么多磁盘就单独拿一个大箱子来装磁盘，再通过专线接到电脑接口上。

当然，在近些年又发展起来了一块新的技术领域大数据存储的市场——分布式存储。分布式存储价格便宜，但是性能较低，占据了不少不需要太高性能和查询语义不复杂的市场。分布式存储我们后面再谈，现在先看看堆磁盘这条路。

当磁盘多了之后，人们发现，磁盘容量是上去了，但是传输速度还是上不去。默认SCSI的导线传输机制有如下几个限制：

1. 规定最多只能接16个设备，也就是说一个存储设备最多只能有15台机器来访问；
2. SCSI导线最长不能超过25米，这对机房布线来说造成了很大的挑战；

于是SCSI在一些企业级应用市场开始遭到嫌弃，于是人们就寻求别的硬件解决方案，人们找到了：FC网络。

FC网络是上个世纪80年代研究网络的一帮人搞出来的网络交互方式，跟以太网是同类产品，有自己完整的一套OSI协议体系(从物理链路层到传输层以及应用层)。他就是以太网的高富帅版本，价格更贵，性能更高。而当时FC网络也主要是为了高速骨干网设计的，人家都没想到这东西还在存储系统领域里面大放异彩。

这里提一下，FC中的F是Fibre，而不是Fiber。前者是网络的意思，而不是光线。虽然一般FC网络都采用光纤作为传输介质，但是其主要定义并不只是光纤，而是一整套网络协议。

但是不管怎么样，FC网络的引入，完美解决了SCSI导线的问题：

1. FC网络就跟以太网类似，有自己的交换机，网络连接方式和路由算法，可以随便连接多少个设备；
2. 光纤传输最大甚至可以有上百公里，也就是说主机在北京，存储可以在青岛；
3. 传输带宽更大；

并且只是替换了硬件层的东西，指令集仍然是SCSI，所以对于上层来说迁移成本很低，所以在企业级应用里得到了广泛使用。

就目前主流的存储协议：短距离(机内为主)使用SAS，长距离使用FC。

经过如上的系列技术发展，大规模存储系统的技术方案也就逐渐成熟了，于是市面上就逐步出现了商业化的产品，其实就是一个带得有一堆磁盘的盒子，这个盒子我们把它叫做SAN(Storage Area Network)。

说到SAN，就必须要提另外一个概念：NAS（Network Attach Storage）。因为字母都一样只是换了个顺序，所以比较容易混淆。NAS其实就是SAN+文件系统。SAN提供的还是磁盘管理协议级的接口(ATA/SCSI)；NAS直接提供一个文件系统接口（ext/NTFS）。但是一般来说，SAN都是以FC网络(光纤高速网状网络)提供给主机的，所以性能高；而NAS一般都是通过以太网接入存储系统的，所以性能低。

另外，经常跟SAN和NAS一起的还有另外一个概念，DAS（Direct Attached Storage）。这个跟SAN类似，只是DAS只能被一台机器使用，而SAN提供了多个接口可以供多个用户使用。