8. Physical Storage Systems

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Abstract

• Classification of Physical Storage Media
• Storage Hierarchy
• Magnetic Disks
  • Disk Interface Standards
  • Performance Measures of Disks
  • Optimization of Disk-Block Access
• Flash Storage & SSD
• Storage Class Memory(NVM)

8.1 Storage Hierarchy

• volatile storage(易失存储)

  loses contents when power is switched off. (断电时丢失内容)

  如：内存、CPU中的高速缓存

• non-volatile storage（非易失存储）

  Contents persist even when power is switched off(即使电源关闭，内容仍然存在).

  如：磁盘、硬盘、闪存、固态硬盘、光盘

主要从 speed, cost, reliability 衡量

cache -> main memory -> flash memory(闪存) -> magnetic disk（磁盘） -> optical disk（光盘） -> magnetic tapes（磁带）

从高层往低层走，存储设备变得更慢，更便宜和更大。

• primary storage: Fastest media but volatile (cache, main memory).

  主存储：速度最快但易失性的介质（缓存、主内存）

• secondary storage: next level in hierarchy, non-volatile, moderately fast access time

  二级存储：层次结构的下一级，非易失性，访问时间适中 （闪存，磁盘）

  also called on-line storage 连在计算机系统中，随时可以访问到的

• tertiary storage: lowest level in hierarchy, non-volatile, slow access time

  三级存储：层次结构最低，非易失性，访问时间慢（磁带、光盘）

  also called off-line storage 三级存储主要是用于备份，要访问数据较为不便。

• NVM (non-volatile memory) 访问和内存(memory)一样，以字节寻址，而且掉电能保持数据。

8.2 Magnetic Disks

一个磁盘有上十万个 track(磁道),

一个磁道又有上千个 sector(扇区，是计算机和磁盘交换数据的最小单位).

柱面：同一个磁道上，多个磁盘共同组成一个柱面

arm assembly 用来寻道，读写头共进退，寻找数据在哪个磁道上。等对应扇区旋转到读写头，才开始传输数据。

同样磁道组成的柱面。对于大文件，最好存在同一个柱面上，这样可以并行读写。

例题：假如一共有五片磁盘，有5G的数据需要存储，如何存储最优？

显然对于大数据，应当将数据存在同一个柱面上，arm assembly在定位时，会定位到相同的位置，此时一次定位就能找到所有需要的数据

• Read-write head

• Surface of platter divided into circular tracks（磁道）

  盘片表面分为圆形轨道（磁道）

• Each track is divided into sectors（扇区）

  每个轨道都分为扇区（扇区）

• To read/write a sector

  • disk arm swings to position head on right track

    圆盘臂摆动以将头部定位在正确的轨道上

  • platter spins continually; data is read/written as sector passes under head

    盘片不断旋转;当扇区在 head 下传递时，数据被读取/写入

• Cylinder（柱面） i consists of ith track of all the platters

• Disk controller(磁盘控制器)– interfaces between the computer system and the disk drive hardware.

  Disk controller（磁盘控制器）– 计算机系统和磁盘驱动器硬件之间的接口

  写入的时候需要校验，故写入的速度较慢

8.2.1 Performance Measures of Disks

• Access time(访问时间) – the time it takes from when a read or write request is issued to when data transfer begins. （从发出读取或写入请求到数据传输开始所需的时间） Consists of:

  • Seek time（寻道时间）– time it takes to reposition the arm over the correct track. （将arm重新定位在正确轨道上所需的时间）
    • Average seek time is 1/2 the worst case seek time.
  • Rotational latency（旋转延迟） – time it takes for the sector to be accessed to appear under the head. （访问扇区旋转到读写头下方所需的时间）
    • Average latency is 1/2 of the worst case latency.

• Data-transfer rate（数据传输率） – the rate at which data can be retrieved from or stored to the disk.

  定位到正确的磁道与扇区后，才开始进行数据传输，对应有数据传输率。

内存传输是以块为单位的。即使是想要访问一个 byte, 也需要把这个 byte 所在的 4k 内存读进来。

• Disk block is a logical unit for storage allocation and retrieval （4K或者16K）

  • Smaller blocks: more transfers from disk
  • Larger blocks: more space wasted due to partially filled blocks

  磁盘以数据块为单位进行存储和传输

• Sequential access pattern(顺序访问模式)

Successive requests are for successive disk blocks(连续的磁盘块)

Disk seek required only for first block 仅第一个块需要磁盘查找

连续的读写请求只需要第一次访问磁盘

• Random access pattern（随机访问模式）

  速度慢，希望尽量多一些顺序访问。

  改进方法：可以用一个日志把要修改的数据记录下来，后面再进行修改，尽量用顺序访问替换随机访问。

  连续请求适用于磁盘上任何位置的块

  Each access requires a seek 每次访问都需要一个seek Transfer rates are low since a lot of time is wasted in seeks 传输率很低，因为大量时间浪费在寻找上

• I/O operations per second (IOPS ，每秒I/O操作数)

  Number of random block reads that a disk can support per second.

  可以支持随机读写的次数，判断读写性能主要的指标

• Mean time to failure (MTTF，平均故障时间)

  the average time the disk is expected to run continuously without any failure.

  磁盘预计连续运行且不发生故障的平均时间。

8.2.2 Optimization of Disk-Block Access

• Buffering: in-memory buffer to cache disk blocks （内存中缓冲区，用于缓存磁盘块）

  假设我们只读磁盘中的一个Byte，也要把磁盘中的一个块（很多连续的扇区）读到内存中去。将一个块读入到内存中（耗时较长），如果直接将这个块丢弃，是很可惜的。

  因此，可以将这个数据块缓存在内存中。希望后面的数据访问也在这个块中读取，从而加快读取数据的速度。相关的数据可以放在一起，下次就在缓冲区里找

• Read-ahead(Prefetch): Read extra blocks from a track in anticipation that they will be requested soon

  预取，读取某数据块时预测邻近几个数据块也会被访问，于是就一起取到内存中。要有依据地预取，不然无用的数据会占用缓存。

• Disk-arm-scheduling algorithms re-order block requests so that disk arm movement is minimized

  磁盘臂调度算法对块请求进行重新排序，以便将磁盘臂移动降至最低

  elevator algorithm (电梯算法)

  

  按照电梯算法，来移动读写头，使之位于不同的磁道上。重新将读写头收到的请求进行排序，以最小化读写头的移动

• File organization

  • Allocate blocks of a file in as contiguous a manner as possible

    预先分配得到的内存是连续的

  • Files may get fragmented（碎片化）

    • Sequential access to a fragmented file results in increased disk arm movement

      连读访问碎片化的文件结构，会导致磁盘臂移动增加

    • Some systems have utilities to defragment the file system, in order to speed up file access

      对文件系统进行碎片整理（将分散在磁盘中的文件碎片重新写在一个连续的块中）的实用程序，以加快文件访问速度

• Nonvolatile write buffers（非易失性写缓存）

  一般情况下，要向磁盘中写入数据，需要等待向磁盘中写入完成再进行下一步操作。

  speed up disk writes by writing blocks to a non-volatile RAM buffer immediately

  现在我们把要写的数据先写到一个快速的非易失的缓存里，如 NVM, Non-volatile RAM：battery backed up RAM就可以立即执行下一步操作，NVM 再择机将数据写回到磁盘。.

• Log disk（日志磁盘）

  a disk devoted to writing a sequential log of block updates

  把对磁盘块的修改，以日志的形式，记在一个专门的日志磁盘中，这个磁盘只支持顺序访问

  写入的时候存在优化，如使用电梯算法（磁盘臂的调用）

8.3 Flash Storage

闪存（固态硬盘）

• NAND flash

  • requires page-at-a-time read (page: 512 bytes to 4 KB)

    顺序读写和随机读写差不多，每次按照页进行读操作

  • Page can only be written once

    在对数据进行重新写入之前，需要先擦除数据。

• SSD(Solid State Disks)

  Use standard block-oriented disk interfaces, but store data on multiple flash storage devices internally

  使用标准的面向块的磁盘接口，但将数据存储在内部的多个闪存设备上

  millisecond 毫秒 microsecond 微秒

功耗方面：磁盘的功耗高于固态硬盘（机械运动更耗能）

磁盘的修改是in place（当前位置直接修改）

固态硬盘的修改是先擦除，再重新写（erase -> rewrite）可能有这样的情况：我们反复读写、擦去某几个块，这会导致它们坏的很快。

所以SSD要研究磨损均衡

我们访问上层的时候存在一个逻辑页号，映射到物理页号的映射方式是可以变化的。假如我们访问一个逻辑页号是经常访问的数据，那么我们可以通过改变物理页号映射方式达到磨损均衡

• Remapping of logical page addresses to physical page addresses avoids waiting for erase 逻辑页到物理页的映射

• Flash translation table tracks mapping

  • also stored in a label field of flash page

  • remapping carried out by flash translation layer

  

• wear leveling(磨损均衡)

  evenly distributed erase operators across physical blocks

  均匀分布在物理块上的擦除

SSD：固态硬盘 HHD：混合硬盘 HDD：传统硬盘

NVM 的Read/Write Latency 读写延迟比内存（DRAM）长，均能够字节寻址。SSD和HDD均采用block寻址

Persistence 即掉电是否能保持原数据。Endurance耐久度，表示可以使用的时间

SSD不耐久，擦除次数有限，NVM也不耐久

NVM的作用：

1. 缓冲：Nonvolatile write buffers（非易失性写缓存）把要写的数据先写到一个快速的非易失的缓存里
2. 用作 Log Disk