机械存储设计及实现

主要阐述以下内容：

磁盘的内部结构及实现机制
分区的结构及实现机制
块的构造及原理
扇区的构造及结构

 

由于机械硬盘的访问机制为移动磁头，并等待磁碟旋转，因此在设计磁盘时，需要考虑如何组织数据为顺序访问，并且最大限度提供一次顺序访问尽可能多的数据

由于块大小设计直影响到性能、内存、空间等因素，因此需要合理设置块大小，同时需要合理的为业务扩展预留升级空间

机械磁盘读写原理

 

机械硬盘获取数据的方式为：

1、通过查找meta数据（图中的Data Meta，它是用于描述数据的数据，所以称为数据元，通常这些数据会被Cache在磁盘Cache或OS Cache中)，捕获数据存储物理区域。包括：磁头指向的磁道位置、磁道的起始、结束位置等，其中还包含了数据块的标记，如使用状态，分区、块、卷、扇区等等存储细节等，是磁盘运作机制的核心组件

2、驱动磁碟旋转（服务器通常磁盘会一直旋转，但为了省电及减少对驱动轴的损耗，通常会对旋转进行优化，即空闲时降低磁盘旋转速度或停止转动，但重新驱动磁盘也会消耗大量的功耗，厂家进行了很多节能减排的优化措施，为绿色环保做了不少贡献）

3、将磁头（图中的head）移动到指定的磁道，并从指定的起始位置开始读取bit流，一直至指定的结束位置，并将信号传送至处理程序，最后转化为OS识别的数据

机械硬盘核心组件：

1、磁盘控制器：内部包含用于控制多磁碟并行访问的机制，包括磁头移动、盘片旋转、供电、缓存、写保护等，是整个磁盘的核心组件

2、分区（LUN）：机械硬盘要被使用，通常先要被分区，并基于分区进行格式化，格式化将产生Meta数据，Meta数据通常会占用部分磁盘空间。空间大小取决于Block大小、分区量，Block越小，需要消耗的空间，用于于索引磁盘数据，接下来我们将还会介绍块及扇区的组合方式，多碟磁盘中，磁盘控制器将在每块磁碟中划分一块空间用于该分区使用，达到并行访问的目的，提升响应速度（通常某些访问需要集中访问的数据都集中在某些分区中），此处的分区不同于OS中的分区，此处为物理分区

3、块：块由扇区构成，块大小决定了数据访问的性能，如果大数据如果存储在小块中会导致浪费大量的数据元空间，并消耗更多的Cache、更多的寻道时间（数据是被分散再分区中的各个位置），所以当应用数据块比较小的时候，我们建议将数据划分成更大的块，提升性能，但如果块划的太大，会导致存储空间的浪费，当这些不需要的数据被LOAD到应用中时，同样会消耗额外的OS内存，通常我们建议根据业务的类型，在应用层选择合适的数据集大小，并设置合理的磁盘块大小

块由扇区构成，扇区直接构建再磁碟的磁面上，每个扇区为512byte，业绩意味着4KB的块大小将需要8个扇区组成（通常Linux设置块大小为4K），但再某些数据库应用中我们将数据库的数据设置为更大，如8K、16K、64K，日志设置为更大，如8K、16K、64K等，结构如下

 

4、扇区：扇区是磁盘存储的单元，扇区顾名思义，机械硬盘是圆形的，通过分区格式化后将得到一个一个的扇形结构，一条磁道的存储空间被格式化后将的到大量的扇形结构，磁盘的扇区大小为512byte，其在磁盘的结构如下图：

图中我们可以看到扇区结构非常复杂，包含数据区域、扇区分界标识区域、扇区间隙区域，磁盘在处理数据时为了更好的保护数据及容错、设计了扇区分界标识及扇区间隙（当然远远不止如此）