企業(yè)網(wǎng)絡如今的接入速度已可達千兆甚至萬兆，企業(yè)數(shù)據(jù)中心服務器整體性能也在突飛猛進;在這樣的高性能時代，面對服務器組成中重要的CPU性能和內(nèi)存容量按照摩爾定律成倍提升的情況下，為何我們還是在感覺服務器不夠快?想必I/O吞吐性能就是一個重要的瓶頸所在。服務器硬盤，作為服務器重要的I/O部件，也在積極提升自身的讀寫技術，來適應日漸增長的幾何級企業(yè)應用要求;本文將重點淺析這些讀寫技術在萬轉(zhuǎn)服務器硬盤中的應用，以及它們對于服務器硬盤I/O性能提升所起到的催化作用。
一、服務器硬盤讀寫性能提升的關鍵
對于服務器存儲I/O重要的組件，現(xiàn)在即使最快的15000轉(zhuǎn)SAS硬盤，也日漸無法滿足應用增長幾何級的要求，這其實也是由硬盤本身的制造技術決定的?，F(xiàn)在市面上絕大部份硬盤的核心部件，還是沿用于“溫徹斯特”模式，即硬盤的正常工作需要馬達、磁頭及磁片的通力配合，如圖1所示。所以，機械性能的好壞就決定了硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率及整體性能;要想更好的解決硬盤I/O瓶頸，就必須提高機械裝置的效率。
圖1硬盤內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)
目前，硬盤內(nèi)部性能提升的主要途徑就是加快盤片主軸轉(zhuǎn)速和磁頭尋道速度、提高盤片的數(shù)據(jù)存儲密度這兩種。然而，從現(xiàn)在的電機技術發(fā)展水平來看，雖然主軸轉(zhuǎn)速已經(jīng)突破15000RPM，但由于更高的轉(zhuǎn)速必定意味著穩(wěn)定性、散熱等方面性能的下降，因此主軸轉(zhuǎn)速的提高是有限度的;磁頭尋道速度同樣也會受到這樣的機電技術水平的制約。
所以，提高盤片的數(shù)據(jù)存儲密度、改善數(shù)據(jù)記錄技術，也就成為現(xiàn)在提升服務器硬盤I/O存取性能的關鍵。因為這樣就可以在不變的主軸轉(zhuǎn)速下使磁頭在單位時間內(nèi)可讀寫更多的數(shù)據(jù)。所以，現(xiàn)在相關服務器硬盤廠商都在加大研發(fā)自己的更大單碟容量的服務器產(chǎn)品，比如希捷的BarracudaES.2系列入門企業(yè)級硬盤，就采用了最新單碟250GB盤片設計，如圖2所示。
圖2 希捷BarracudaES.2系列
二、服務器硬盤的數(shù)據(jù)存儲與記錄技術解析
如今單碟容量的不斷提升，將硬盤存儲密度提升到了新的水平，但對于傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的服務器硬盤來說，存儲密度的飛速發(fā)展離不開磁頭技術、磁片記錄技術、讀取方式的不斷演進。比如PRML、RAID、垂直記錄等等，都是在為提升服務器硬盤整體的I/O存取性能服務著。
1、數(shù)據(jù)記錄技術的不斷升級
目前比較流行的一種被稱為“垂直記錄技術”(簡單示意如圖3所示)，就可以起到進一步提高存儲密度、實現(xiàn)更高的單碟容量的作用。垂直記錄技術在概念上很簡單，就是將傳統(tǒng)的磁片縱向排列方式改為垂直排列方式，垂直排列的磁單元所占的盤片表面積小得多，比如現(xiàn)在實現(xiàn)1TB的容量僅僅需要2、3張碟片即可。
圖3垂直記錄技術示意
另外還有一種“晶格(磁)介質(zhì)記錄技術”，它其實就是通過改變寫入數(shù)據(jù)的性質(zhì)，來提升記錄密度。其原理就類似于現(xiàn)在基本不用相片紙和相冊來保存照片，而是都采用圖片文件方式存儲在硬盤中一樣。晶格介質(zhì)技術的存儲密度可以達到傳統(tǒng)垂直記錄技術的大約兩倍;而且穩(wěn)定性更佳。
“熱輔助磁記錄技術”則是現(xiàn)在正在積極解決技術難題的一種激光寫入式記錄技術。它采用激光作為輔助寫入介質(zhì)，在寫入時使用激光照射寫入點，利用產(chǎn)生的熱能輔助磁頭寫入，數(shù)據(jù)存儲和讀取的操作則在常溫下進行，由于采用了更好的記錄介質(zhì)，所以磁盤的存儲密度和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性都將大幅度提高(垂直記錄技術的存儲密度極限的10倍)。
2、提高安全改善I/O吞吐
硬盤數(shù)據(jù)存儲的穩(wěn)定性、安全性提高了，它的I/O存取性能自然也就有所提升。目前最常見的就是S.M.A.R.T.技術了(即“自監(jiān)測、分析及報告技術”)。S.M.A.R.T.監(jiān)測的對象包括磁頭、磁盤、馬達、電路等，由硬盤的監(jiān)測電路和主機上的監(jiān)測軟件對被監(jiān)測對象的運行情況與歷史記錄及預設的安全值進行分析、比較，以便及時發(fā)現(xiàn)存取過程中的問題。通過S.M.A.R.T.技術，確實可以對硬盤潛在故障進行有效預測，提高數(shù)據(jù)的安全性。
圖4BIOS中硬盤S.M.A.R.T.項
3、其他解決方案
僅靠服務器硬盤本身的機械性能提升，可發(fā)展性畢竟是有限的。因此現(xiàn)在在企業(yè)環(huán)境中，借助其他一些輔助存儲技術，也可有效提升服務器硬盤、服務器的整體I/O性能。比較常見的就是RAID磁盤陣列技術、SAN共享存儲等。
RAID磁盤陣列技術是目前在服務器存儲領域中普遍采用的一種方式，可以把它理解成一種“橋梁”技術，即是把一組磁盤驅(qū)動器用某種邏輯方式聯(lián)系起來，作為邏輯上的一個磁盤驅(qū)動器來使用，如圖5所示即為一個磁盤陣列組合。這種技術的優(yōu)點是成本低、功耗小、傳輸速率高，可以提供容錯功能、安全性更高。
圖5RAID磁盤陣列組合
而SAN共享存儲結(jié)構(gòu)則是目前人們公認的最具有發(fā)展?jié)摿Φ拇鎯夹g方案。它是指獨立于服務器網(wǎng)絡系統(tǒng)之外幾乎擁有無限存儲的高速存儲網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡采用高速的光纖通道作為傳輸媒體，將存儲子系統(tǒng)網(wǎng)絡化，實現(xiàn)真正的高速存儲。SAN消除了服務器的許多I/O瓶頸，適合大數(shù)據(jù)量傳輸、實時數(shù)據(jù)處理等應用環(huán)境下。
4、產(chǎn)品形態(tài)演變
傳統(tǒng)的機械式硬盤在工作中，首先要驅(qū)動磁頭移動到數(shù)據(jù)所在的磁道上，然后等待磁盤旋轉(zhuǎn)將該磁道數(shù)據(jù)送到磁頭的位置。這種機械結(jié)構(gòu)導致了傳統(tǒng)硬盤存在兩個缺陷：能耗高和讀寫性能低。在這種制約情況下，SSD固態(tài)硬盤應運而生(如圖6所示)，并開始逐步應用在企業(yè)服務器中，不少筆記本品牌也開始加入此類產(chǎn)品作為存儲介質(zhì)。
圖6服務器固態(tài)硬盤產(chǎn)品
目前，典型的SSD每秒最多可進行16000次隨機讀寫，是傳統(tǒng)硬盤的80倍之多。一般來說，在高隨機讀寫的使用環(huán)境下，1個SSD硬盤更是可以當30個傳統(tǒng)硬盤來使用;網(wǎng)站服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和文件服務器對隨機讀寫的性能要求很高，SSD固態(tài)硬盤的這種高讀寫性能就可以更好地滿足上述應用需求了。
世界上第一塊硬盤容量僅有5M，而且是由50片直徑為24英寸的磁盤組成的龐然大物;而如今，就連3.5英寸也讓人難以忍受。足可見，在應用需求的推動下，硬盤特別是服務器硬盤，在整體性能提升問題上會有更優(yōu)良的技術涌現(xiàn)出來。技術的發(fā)展永無止境是無庸置疑的，硬盤廠商之間的競爭及用戶日益增長的消費需求，自然會推動著更新、更好的硬盤技術不斷涌現(xiàn)。
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