大容量存储¶

本章问题：磁盘读一个块的时间花在哪里？怎样安排请求、保存冗余，并理解SSD的额外写入？

学习顺序：

把机械盘服务时间拆成寻道、旋转、传输等部分。
按方向和端点规则画磁盘调度路径。
分清物理设备、分区、文件系统与网络存储接口。
看SSD更新、垃圾回收和写放大。
计算RAID容量、校验和故障恢复边界。

机械盘的一次读取¶

机械盘有旋转盘片；圆环形记录区域称磁道，磁道再划分成扇区。磁头移动到目标磁道后，还要等目标扇区转到磁头下，才能读出内容。

同一半径上的多个盘面磁道构成柱面。题目用柱面编号画寻道路径时，先算的是移动距离。

flowchart LR
    Q["请求进入队列"] --> S["寻道：磁头移动到目标磁道"]
    S --> R["旋转等待：目标扇区转到磁头下"]
    R --> T["传输：读出目标字节"]
    T --> F["完成与控制器收尾"]

响应时间覆盖排队至完成，服务时间只统计设备为本请求实际工作的阶段。请求越多，排队可能越长，即使同一个块的寻道和传输时间没有变化。

机械盘用磁头选择磁道，再等待目标扇区旋转到磁头下，最后传输数据。一次服务时间通常由寻道、旋转等待、传输和控制器开销组成；若请求先排队，响应时间还要加排队时间。

转速 \(r\) 转/分钟时，一周为 \(60/r\) 秒。目标相位均匀时，平均旋转等待为半周 \(30/r\) 秒。读取D字节、传输速率V字节/秒，传输耗时 \(D/V\)。

6000转/分钟对应一周10 ms，平均5 ms；5000 B按50 MB/s传输，若MB为 \(10^6\) B，耗时0.1 ms。

再加寻道4 ms、控制器0.2 ms，总服务9.3 ms。

磁头走过多少柱面是距离，不能直接当毫秒，除非题目给出距离到时间的关系。柱面、磁道、扇区坐标的映射也须按题给编号、每磁道扇区数和磁头数逐级除余。

练习 1¶

题目

自编题：机械盘6000转/分钟，平均寻道4 ms，控制器开销0.2 ms。读取5000 B，速率50 MB/s；MB=\(10^6\) B。目标相位均匀，无请求排队。

① 求平均旋转、传输、总服务时间。
② 有人把磁头移动30柱面直接写为30 ms，指出缺失的条件。

参考解答

解答

一周60/6000=0.01 s=10 ms。
平均旋转为半周，得5 ms。
传输5000/(50×1,000,000)=0.0001 s，即0.1 ms。
总服务时间4+5+0.1+0.2=9.3 ms。
30柱面是距离，不是时间；
还缺寻道时间与距离的关系或明确速率模型。
本题没有排队，不能额外加入未知排队时间。

判分要点

须用半周而非一周作平均旋转等待。
须区分MB与bit并统一ms单位。
须明确柱面距离不能无条件转换为毫秒。

六种调度先定方向¶

手算先把请求按柱面位置画在轴上，再记录初始方向。

SCAN／LOOK的区别在“走到物理端点还是最后一个请求”；普通与循环版本的区别在“反向途中服务，还是回绕后再按同一方向服务”。路径写全后，把相邻位置之差的绝对值相加。

若题目要求最后请求完成就停止，不再补上之后尚未走的端点。

FCFS按请求到达次序；
SSTF选离当前磁头最近者，可能让远请求饥饿。
SCAN向一个方向服务，到物理端点再反向；
LOOK只到该方向最远请求就反向。
C-SCAN只单向服务，到端点后回另一端，回程不服务；
C-LOOK从最远请求回到另一端最远请求。

例子与推演

例：柱面0—99，起点40，初始向大号，请求按70、20、90、10到达且全部已排队，无新请求。所有移动都计距离，完成最后请求立即停止：

算法	路径	总柱面数
FCFS	40→70→20→90→10	230
SSTF	40→20→10→70→90	110
SCAN	40→70→90→99→20→10	148
LOOK	40→70→90→20→10	130
C-SCAN	40→70→90→99→0→10→20	178
C-LOOK	40→70→90→10→20	140

SCAN多走到99再回来，比LOOK多18；C-SCAN回绕99→0也计99。题目若明确回绕不计费，只减那一段，不改变服务顺序。

若请求动态到达，还要判断磁头经过时它是否已存在，不能把晚到请求提前排序。

练习 2¶

题目

自编题：柱面0—99，起点40，初始向大号。全部请求同时已到达，队列70、20、90、10；以后无新请求，完成最后一个请求立即停止计数。SCAN到物理端点反向；C-SCAN到99后回0，回绕期间不服务，所有实际移动都计距离。

① 分别写SCAN、C-SCAN路径和距离。
② 若误把SCAN按LOOK计算，少算多少？
③ 仅改成C-SCAN回绕不计距离，结果多少？

参考解答

解答

SCAN：40→70→90→99→20→10。
距离(99−40)+(99−10)=59+89=148柱面。
最后在10完成，不再补到0。
C-SCAN：40→70→90→99→0→10→20。
距离59+99+20=178柱面。
LOOK在90反向：40→70→90→20→10，距离50+80=130柱面，少算18柱面，即90到99再返回90的两段。
回绕不计费时C-SCAN为59+20=79柱面；
服务顺序不变，只扣99→0的99柱面。

判分要点

须保留SCAN的99端点，并在最后请求停止。
须区分SCAN反向服务与C-SCAN回绕不服务。
须计入题设回绕距离，改口径时仅扣对应段。
答案须有服务路径及柱面单位，不只给总数。

从物理设备到卷¶

低级格式化建立设备可识别的扇区等结构，分区划定区域，逻辑格式化创建文件系统；它们解决不同层次的问题。坏块需要检测、替换或重映射，引导区域和交换区也有专门用途。

交换区可用分区或文件承载，其目标是为内存回收提供后备空间。

存储可直接接本机；
NAS通过网络提供文件服务；
SAN通常通过网络提供块设备视图。
看到“网络存储”还要区分上层使用的是文件还是块接口。
稳定存储是一种希望数据在故障后仍可恢复的抽象，实际需通过冗余、写入顺序和恢复协议实现。

SSD省掉寻道后¶

**FTL（闪存转换层）**是设备内部维护逻辑地址与闪存物理位置对应关系的层。主机请求“覆盖逻辑页A”时，设备可把新内容写入另一个空闲物理页，再更新映射；旧页随后失效。

因为擦除以更大的块为单位，回收时可能必须搬走同块内仍有效的其他页面，这些搬写就产生写放大。

SSD没有机械寻道与旋转，不能照搬“减少柱面移动”的优化目标。闪存通常按页读写、按更大的擦除块擦除；覆盖更新常写到新页，由FTL维护逻辑到物理映射，旧页标失效。

垃圾回收先搬走仍有效的页，再擦除整块供复用；磨损均衡分散擦写次数，TRIM帮助设备得知哪些逻辑数据不再需要。

主机写2 MiB，回收额外写3 MiB，设备总写5 MiB，写放大为 \(5/2=2.5\)。有效页仍需保留时不能直接擦掉所在块。

RAID保住什么¶

RAID 0只条带化，无冗余；
镜像把同一数据存多份；
RAID 5用一份容量的分布式校验，保证单盘故障可恢复；
RAID 6需两组独立校验，可承受双盘故障。
N块等容量C的盘，忽略开销时，RAID 5容量 \((N-1)C\)，RAID 6为 \((N-2)C\)。
重复同一校验不增加独立恢复方程。

异或校验例：A=1010、B=1100，P=A异或B=0110。

A改为0011时，可用“旧P异或旧A异或新A”算新P=1111；无缓存读改写需读旧A、旧P，写新A、新P，共2读2写。B丢失可由新A异或新P恢复1100。

重建会占带宽，并在冗余下降期间增加风险；更新中断电还可能造成数据与校验不一致。RAID冗余不替代原子更新协议，也不替代防误删和历史版本的备份。

练习 3¶

题目

自编题：

① 4块等容量3 TiB盘，忽略管理开销。求RAID 5、RAID 6可用容量及保证承受故障盘数。两份相同XOR校验能否替代两组独立校验？
② 单重校验条带A=1010，B=1100，P=0110。无缓存读改写，把A改成0011，求新P，列所需块读写；若丢失B，怎样恢复B？
③ SSD主机写2 MiB，回收额外搬写3 MiB，求写放大；某擦除块仍有有效页能否直接擦除？

参考解答

解答

RAID 5容量(4−1)×3=9 TiB，保证单盘故障。
RAID 6容量(4−2)×3=6 TiB，保证双盘故障。
重复同一校验不增加独立方程，不能替代双重校验。
新P=0110异或1010异或0011=1111。
读旧A、旧P，再写新A、新P，共2读2写。
丢B后用新A异或新P：0011异或1111=1100。
若更新中断电致新旧不一致，仅冗余不能保证原子性。
设备总写量2+3=5 MiB，写放大5/2=2.5。
不可直接擦掉仍需保留的有效页；
先迁移并更新映射，再整块擦除，迁移也可能增加写放大。

判分要点

给容量和故障模型，双重校验须独立。
异或结果正确，写成本含读取旧值的两次访问。
写放大分子含主机写与搬写，解释有效页保存条件。

记忆要点¶

本章记忆要点

机械盘先寻道，再等旋转，再传输；平均旋转等待是半周。
柱面距离与毫秒之间需要题给模型，不能直接等同。
SCAN到端点，LOOK到最远请求；循环版回绕是否计距离看题设。
SSD按页读写、按更大块擦除；有效页迁移会增加实际写入。
RAID按独立冗余恢复指定故障；容量、更新原子性与备份分别判断。