Lecture 8: Physical Storage Systems

这一节其实和数据库关系不太大了（计组.jpg），走个过场即可。

一、物理存储介质分类 (Classification of Physical Storage Media)

1. 基本分类

易失性存储 (Volatile storage)：
- 断电后数据丢失
- 例如：主存储器（main memory），高速缓存（cache）
非易失性存储 (Non-volatile storage)：
- 断电后数据持久保存
- 包括二级存储（secondary storage）、三级存储（tertiary storage）和电池支持的主存

2. 存储介质选择因素

因素	说明
数据访问速度	不同介质访问时间差异巨大（ns~ms级）
单位数据成本	高速存储成本 > 低速存储成本
可靠性	非易失性存储 > 易失性存储

二、存储层次结构 (Storage Hierarchy)

1. 三级存储体系

graph TD
    A[一级存储 Primary Storage] --> B[二级存储 Secondary Storage]
    B --> C[三级存储 Tertiary Storage]

    A --> D[易失性 Volatile]
    B --> E[非易失性 Non-volatile]
    C --> E

    A --> F[访问时间：1-100ns]
    B --> G[访问时间：~10ms]
    C --> H[访问时间：秒级]

2. 各级存储特性

存储级别	别名	典型介质	访问时间	易失性
一级存储	主存	高速缓存(cache) 主存(main memory)	1-100ns	易失
二级存储	在线存储	闪存(flash) 磁盘(magnetic disk)	~10ms	非易失
三级存储	离线存储	磁带(magnetic tape) 光盘(optical disk)	秒级	非易失

三、存储接口 (Storage Interfaces)

1. 磁盘接口标准

标准	速率	应用场景
SATA	最高6Gb/s	普通计算机
SAS	最高12Gb/s	服务器
NVMe	最高24Gb/s	SSD固态硬盘

2. 存储架构类型

直连存储：
- 磁盘直接连接计算机系统
SAN(存储局域网)：
- 高速网络连接多服务器与磁盘阵列
- 提供块级存储接口
NAS(附网存储)：
- 网络存储设备提供文件系统接口
- 使用NFS/SMB等网络文件协议

四、磁盘机制 (Magnetic Disk Mechanism)

1. 磁盘物理结构

sequenceDiagram
    participant CPU
    participant Controller
    participant Disk

    CPU->>Controller: 发送LBA逻辑块地址
    Controller->>Disk: 转换为CHS(柱面/磁头/扇区)
    Disk->>Disk: 1. 磁臂移动至目标柱面
    Disk->>Disk: 2. 选择对应磁头
    Disk->>Disk: 3. 等待扇区旋转到位
    Disk->>Controller: 传输数据
    Controller->>CPU: 返回数据/状态

alt text

盘片(Platter)：存储数据的圆形磁性介质
磁道(Track)：盘片表面的同心圆（5万-10万条/盘片）
扇区(Sector)：
- 最小读写单元（通常512字节）
- 每磁道500-2000个扇区（外圈>内圈，毕竟外面周长大一些）
柱面(Cylinder)：所有盘片相同半径的磁道集合

2. 磁盘控制器功能

接收高级读写命令
移动磁臂到目标磁道
计算并附加校验和(checksum)
写后验证机制
坏扇区重映射(Remapping)

五、磁盘性能指标 (Performance Measures)

1. 访问时间组成

指标	说明	典型值
寻道时间(Seek time)	磁臂定位磁道时间	4-10ms
旋转延迟(Rotational latency)	扇区转到磁头下时间	4-11ms
数据传输率(Data-transfer rate)	数据从磁盘读取或写入磁盘的速度	25-200MB/s

\( \text{平均访问时间} = \text{平均寻道时间} + \text{平均旋转延迟} \approx \left(\frac{1}{2} \times \text{最大寻道时间}\right) + \left(\frac{1}{2} \times \text{旋转周期}\right) \)

2. 可靠性指标

我们用MTTF(平均故障时间)表示其可靠性：

新磁盘：50万-120万小时
举例：1000块MTTF 120万小时的磁盘，平均每1200小时故障1块
随使用时间增加而降低

3. 访问模式性能

模式	IOPS（Input/Output Operations Per Second，即每秒输入输出操作次数）	特点
顺序访问	高	连续块请求，只需一次寻道
随机访问	较低	离散块请求，每次需寻道

六、磁盘访问优化 (Optimization Techniques)

1. 硬件级优化

技术	原理	效果
缓冲(Buffering)	内存缓存常用磁盘块	减少物理I/O
预读(Read-ahead)	提前读取相邻扇区	利用局部性原理
磁盘臂调度	电梯算法重排请求顺序	减少磁臂移动

电梯算法

电梯算法（SCAN算法）详解

1. 基本概念

电梯算法（又称SCAN算法）是磁盘臂调度的一种策略，其工作原理类似于电梯运行方式：

单向移动：磁头沿一个方向（如从外向内）持续移动
途中服务：处理经过磁道上的所有待处理请求
到达端点后反向：移动到最内/最外圈后改变方向

电梯算法通过减少磁头反向次数，将随机I/O转化为近似顺序I/O，通常可降低平均访问时间。

2. 示例解析

比如对于以下原始请求序列（按到达顺序）：

R6(最内) → R3(中) → R1(最外) → R5(中) → R2(内) → R4(中)

假设初始磁头位置在中部，移动方向为向外：

graph TD
    subgraph 磁道位置
        A[最外 R1] --> B[中偏外 R3] --> C[中 R5/R4] --> D[中偏内 R2] --> E[最内 R6]
    end

    subgraph SCAN处理流程
        F[当前方向: 向外] --> G1[经过R3: 处理]
        G1 --> G2[到达R1: 处理]
        G2 --> H[反向: 向内]
        H --> I1[经过R5: 处理]
        I1 --> I2[经过R4: 处理]
        I2 --> I3[经过R2: 处理]
        I3 --> J[到达R6: 处理]
    end

优化后的处理顺序：

R1(最外) → R3(中偏外) → R5(中) → R4(中) → R2(中偏内) → R6(最内)

3. 与传统FIFO对比

用FIFO方法在上述例子中经历了中→内(R6)→中(R3)→外(R1)→中(R5)→内(R2)→中(R4)的5次跨越，而SCAN只用了中→外→内2次跨越。

4. 算法变种

LOOK算法：提前反向（未到达物理端点时）
C-SCAN：单向循环（仅处理一个方向请求）
F-SCAN：冻结队列（移动期间新请求暂不处理）

2. 文件组织优化

连续分配：文件块物理连续存储
区段分配(Extents)：以连续块组为单位分配
碎片整理(Defragmentation)：
- 解决文件碎片化问题
- 重组分散的文件块

3. 高级优化技术

非易失写缓冲区(Non-volatile write buffers)
高效查询处理算法
SSD优化技术（针对闪存特性）

总结（Made By AI）

mindmap
  root((物理存储系统))
    存储介质分类
      易失性存储
      非易失性存储
    存储层次
      一级存储
      二级存储
      三级存储
    磁盘结构
      磁道/扇区/柱面
      磁盘控制器
    性能指标
      访问时间
      MTTF
      IOPS
    优化技术
      硬件优化
      文件组织
      碎片整理