物理結構與資料組織
磁碟是塗有磁性材料的圓形碟片(platter),讀寫頭懸浮於其上。資料組織:
磁軌(track):同心圓環;相鄰磁軌間有間隙以防干擾。
磁區(sector):磁軌上的固定大小區段(傳統 512 B,現代 4 KiB),是讀寫的最小單位。
磁柱(cylinder):多碟片機構中,所有碟面上半徑相同的磁軌集合。
定速旋轉(CAV)下,外圈磁軌線密度低;現代磁碟採分區位元記錄(multiple zone recording),外圈磁軌容納更多磁區以提高容量。
存取時間模型
\[T_{access} = T_{seek} + T_{rot} + T_{transfer}\]
尋道時間 \(T_{seek}\):讀寫頭移到目標磁軌,平均約 4–9 ms;
旋轉延遲 \(T_{rot}\):等待目標磁區轉到讀寫頭下,平均為半圈時間。7200 RPM 時 \(= 0.5 \times 60/7200 = 4.17\) ms;
傳輸時間 \(T_{transfer} = b/(rN)\):\(b\) 為要傳的位元組、\(N\) 為每磁軌位元組、\(r\) 為轉速。
磁碟:平均尋道 4 ms、7200 RPM、每磁軌 512 個 4 KiB 磁區。讀取連續的 2560 個磁區(10 MiB):第一磁區需 \(4 + 4.17\) ms,其後順序讀完 5 圈約 \(5\times8.33\) ms,總計約 50 ms。若同樣 2560 個磁區隨機散布:每個都要 \(4+4.17+0.016\) ms,總計約 21 秒——相差 400 倍。作業系統的排程與檔案配置(第 8 章)、資料庫的存取模式設計,皆源於此。
RAID
1988 年 Berkeley 提出 RAID(Redundant Array of Independent Disks):以多顆磁碟組成邏輯上單一的大磁碟,藉條帶化(striping)提升平行度、藉冗餘容忍磁碟失效。
| 級 | 技術 | 冗餘方式 | 特點 |
|---|---|---|---|
| 0 | 條帶化 | 無 | 純效能/容量;任一碟壞即全毀 |
| 1 | 鏡射 | 完整複製 | 讀可雙路、寫需兩份;成本 2 倍;恢復最簡單 |
| 2 | 位元條帶+漢明碼 | 漢明碼 | 需同步主軸;實務上未被採用 |
| 3 | 位元/位元組條帶 | 單一同位碟 | 高循序傳輸率;每次 I/O 動用全部碟 |
| 4 | 區塊條帶 | 單一同位碟 | 同位碟成為寫入瓶頸 |
| 5 | 區塊條帶 | 分散式同位 | 同位輪流放各碟,消除瓶頸;最常用 |
| 6 | 區塊條帶 | 雙重分散同位(P+Q) | 容忍兩碟同時失效;重建期間安全 |
RAID 5 的寫入代價:更新一個資料區塊需「讀舊資料、讀舊同位、寫新資料、寫新同位」共 4 次 I/O(read-modify-write);同位計算為 \(P_{new} = P_{old} \oplus D_{old} \oplus D_{new}\)。XOR 同位的原理與第 5 章的同位檢查一脈相承。
固態硬碟(SSD)
SSD 以 NAND 快閃記憶體構成,無機械部件:
效能:無尋道與旋轉延遲,隨機讀取比磁碟快 2–3 個數量級;NVMe 介面直連 PCIe,消除 SATA 瓶頸。
寫入特性:快閃「先抹除後寫入」且抹除以大區塊為單位,因此控制器採寫入放大管理、磨損平均(wear leveling)與 FTL(快閃轉譯層)把邏輯區塊映射到實體頁。
壽命:每單元抹寫次數有限(SLC>MLC>TLC>QLC);以 TBW/DWPD 標示耐寫度。
階層定位:SSD 填補了 DRAM 與磁碟之間的空隙;資料中心常見 DRAM–SSD–HDD–磁帶四級儲存。
光學儲存與磁帶
CD-ROM/CD-R/CD-RW(650–700 MB):單一螺旋軌、定線速度(CLV);雷射讀取坑紋反射差。
DVD(4.7–17 GB):更短波長雷射、更密坑紋、雙層雙面。
Blu-ray(25–128 GB):藍紫光雷射。光學媒體今日主要用於冷資料發行與典藏。
磁帶:循序存取,存取時間以秒計,但每 TB 成本最低、離線保存最安全;LTO 世代持續演進(LTO-9 原生 18 TB),仍是備份/歸檔的主力。
本章重點回顧
磁碟存取時間 = 尋道 + 旋轉延遲 + 傳輸;循序與隨機存取效能差距可達數百倍。
RAID 以條帶化與冗餘平衡效能、容量與可靠度;RAID 5/6 為主流,RAID 0 無冗餘。
SSD 消除機械延遲,但需 FTL、磨損平均管理快閃特性。
磁帶以最低成本承擔冷資料;儲存階層依「熱度」分級部署。
複習問題
磁碟 10000 RPM、平均尋道 3 ms、每磁軌 1 MiB。求讀取一個 4 KiB 磁區的平均時間。
分區位元記錄解決什麼問題?
RAID 1 與 RAID 5 在成本與寫入效能上如何取捨?
說明 RAID 5 小量寫入的 4 次 I/O 代價;RAID 6 為何在大容量碟時代更受青睞?
SSD 為何需要磨損平均與 FTL?
你要為「每天寫入一次、保存十年、極少讀取」的資料選儲存媒體,選什麼?為什麼?
9 W. Stallings, Computer Organization and Architecture, 6th ed., Chapter 6. D. Patterson, G. Gibson, R. Katz, “A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID),” SIGMOD 1988. NVM Express, Inc., NVMe Specification. https://nvmexpress.org