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改善I/O吞吐 服务器硬盘读写技术演变

企业网络如今的接入速度已可达千兆甚至万兆,企业数据中心服务器整体性能也在突飞猛进;在这样的高性能时代,面对服务器组成中重要的CPU性能和内存容量按照摩尔定律成倍提升的情况下,为何我们还是在感觉服务器不够快?想必I/O吞吐性能就是一个重要的瓶颈所在。服务器硬盘,作为服务器重要的I/O部件,也在积极提升自身的读写技术,来适应日渐增长的几何级企业应用要求;本文将重点浅析这些读写技术在万转服务器硬盘中的应用,以及它们对于服务器硬盘I/O性能提升所起到的催化作用。
一、服务器硬盘读写性能提升的关键
  对于服务器存储I/O重要的组件,现在即使最快的15000转SAS硬盘,也日渐无法满足应用增长几何级的要求,这其实也是由硬盘本身的制造技术决定的。现在市面上绝大部份硬盘的核心部件,还是沿用于“温彻斯特”模式,即硬盘的正常工作需要马达、磁头及磁片的通力配合,如图1所示。所以,机械性能的好坏就决定了硬盘的内部数据传输率及整体性能;要想更好的解决硬盘I/O瓶颈,就必须提高机械装置的效率。

图1硬盘内部主要结构
  目前,硬盘内部性能提升的主要途径就是加快盘片主轴转速和磁头寻道速度、提高盘片的数据存储密度这两种。然而,从现在的电机技术发展水平来看,虽然主轴转速已经突破15000RPM,但由于更高的转速必定意味着稳定性、散热等方面性能的下降,因此主轴转速的提高是有限度的;磁头寻道速度同样也会受到这样的机电技术水平的制约。
  所以,提高盘片的数据存储密度、改善数据记录技术,也就成为现在提升服务器硬盘I/O存取性能的关键。因为这样就可以在不变的主轴转速下使磁头在单位时间内可读写更多的数据。所以,现在相关服务器硬盘厂商都在加大研发自己的更大单碟容量的服务器产品,比如希捷的BarracudaES.2系列入门企业级硬盘,就采用了最新单碟250GB盘片设计,如图2所示。

图2 希捷BarracudaES.2系列
二、服务器硬盘的数据存储与记录技术解析
  如今单碟容量的不断提升,将硬盘存储密度提升到了新的水平,但对于传统机械结构的服务器硬盘来说,存储密度的飞速发展离不开磁头技术、磁片记录技术、读取方式的不断演进。比如PRML、RAID、垂直记录等等,都是在为提升服务器硬盘整体的I/O存取性能服务着。
1、数据记录技术的不断升级
  目前比较流行的一种被称为“垂直记录技术”(简单示意如图3所示),就可以起到进一步提高存储密度、实现更高的单碟容量的作用。垂直记录技术在概念上很简单,就是将传统的磁片纵向排列方式改为垂直排列方式,垂直排列的磁单元所占的盘片表面积小得多,比如现在实现1TB的容量仅仅需要2、3张碟片即可。

图3垂直记录技术示意
  另外还有一种“晶格(磁)介质记录技术”,它其实就是通过改变写入数据的性质,来提升记录密度。其原理就类似于现在基本不用相片纸和相册来保存照片,而是都采用图片文件方式存储在硬盘中一样。晶格介质技术的存储密度可以达到传统垂直记录技术的大约两倍;而且稳定性更佳。
  “热辅助磁记录技术”则是现在正在积极解决技术难题的一种激光写入式记录技术。它采用激光作为辅助写入介质,在写入时使用激光照射写入点,利用产生的热能辅助磁头写入,数据存储和读取的操作则在常温下进行,由于采用了更好的记录介质,所以磁盘的存储密度和数据的稳定性都将大幅度提高(垂直记录技术的存储密度极限的10倍)。
2、提高安全改善I/O吞吐
  硬盘数据存储的稳定性、安全性提高了,它的I/O存取性能自然也就有所提升。目前最常见的就是S.M.A.R.T.技术了(即“自监测、分析及报告技术”)。S.M.A.R.T.监测的对象包括磁头、磁盘、马达、电路等,由硬盘的监测电路和主机上的监测软件对被监测对象的运行情况与历史记录及预设的安全值进行分析、比较,以便及时发现存取过程中的问题。通过S.M.A.R.T.技术,确实可以对硬盘潜在故障进行有效预测,提高数据的安全性。

图4BIOS中硬盘S.M.A.R.T.项
3、其他解决方案
  仅靠服务器硬盘本身的机械性能提升,可发展性毕竟是有限的。因此现在在企业环境中,借助其他一些辅助存储技术,也可有效提升服务器硬盘、服务器的整体I/O性能。比较常见的就是RAID磁盘阵列技术、SAN共享存储等。
  RAID磁盘阵列技术是目前在服务器存储领域中普遍采用的一种方式,可以把它理解成一种“桥梁”技术,即是把一组磁盘驱动器用某种逻辑方式联系起来,作为逻辑上的一个磁盘驱动器来使用,如图5所示即为一个磁盘阵列组合。这种技术的优点是成本低、功耗小、传输速率高,可以提供容错功能、安全性更高。

图5RAID磁盘阵列组合
  而SAN共享存储结构则是目前人们公认的最具有发展潜力的存储技术方案。它是指独立于服务器网络系统之外几乎拥有无限存储的高速存储网络,这种网络采用高速的光纤通道作为传输媒体,将存储子系统网络化,实现真正的高速存储。SAN消除了服务器的许多I/O瓶颈,适合大数据量传输、实时数据处理等应用环境下。
4、产品形态演变
  传统的机械式硬盘在工作中,首先要驱动磁头移动到数据所在的磁道上,然后等待磁盘旋转将该磁道数据送到磁头的位置。这种机械结构导致了传统硬盘存在两个缺陷:能耗高和读写性能低。在这种制约情况下,SSD固态硬盘应运而生(如图6所示),并开始逐步应用在企业服务器中,不少笔记本品牌也开始加入此类产品作为存储介质。

图6服务器固态硬盘产品
  目前,典型的SSD每秒最多可进行16000次随机读写,是传统硬盘的80倍之多。一般来说,在高随机读写的使用环境下,1个SSD硬盘更是可以当30个传统硬盘来使用;网站服务器、数据库服务器和文件服务器对随机读写的性能要求很高,SSD固态硬盘的这种高读写性能就可以更好地满足上述应用需求了。
  世界上第一块硬盘容量仅有5M,而且是由50片直径为24英寸的磁盘组成的庞然大物;而如今,就连3.5英寸也让人难以忍受。足可见,在应用需求的推动下,硬盘特别是服务器硬盘,在整体性能提升问题上会有更优良的技术涌现出来。技术的发展永无止境是无庸置疑的,硬盘厂商之间的竞争及用户日益增长的消费需求,自然会推动着更新、更好的硬盘技术不断涌现

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