1. 物理存储概述

1.1 物理存储分类

存储介质根据断电后数据是否仍然存在，分为以下两类：

• 易失存储 (volatile storage)：当电源关闭时，存储内容会丢失。这类介质速度非常快，但不能作为长期持久化数据的唯一位置；
• 非易失存储 (non-volatile storage)：即使电源关闭，内容仍然能够保留。数据库文件、日志文件和备份文件通常依赖非易失存储。

评价一种存储介质时，通常需要同时考虑三个维度：

• 访问速度 (Speed) ：决定数据读写延迟和吞吐能力；
• 单位数据成本 (Cost per Unit of Data)：决定能否用较低价格保存大量数据；
• 可靠性 (Reliability) ：系统崩溃、断电或设备物理故障时数据是否会丢失。

1.2 存储层级结构

存储层次结构 (Storage Hierarchy) 按速度和成本组织存储设备。越靠近 CPU，速度越快、容量越小、价格越高；越远离 CPU，速度越慢、容量越大、价格越低。

层级	典型设备	特点
一级存储 (primary storage)	缓存 (Cache)、主存 (RAM)	最快，通常易失
二级存储 (secondary storage)	闪存 (Flash)、磁盘 (HDD)	非易失，较慢，通常在线访问
三级存储 (tertiary storage)	磁带 (Tape)、光盘 (Optical)	非易失，最慢，通常离线访问

2. 磁盘系统

2.1 磁盘硬件结构

传统 磁性硬盘 (Magnetic Disk) 由盘片、主轴、读写头和磁臂组成。盘片持续旋转，磁臂移动读写头到目标位置，数据以磁性编码形式保存在盘面上。典型硬盘每个盘片有 50,000 到 100,000 条磁道。每条磁道又分为多个扇区，外圈磁道通常能容纳更多扇区。

部件	英文	功能
盘片	platter	保存磁性数据的圆盘
读写头	read-write head	负责读取或写入盘面数据
磁道	track	盘面上的同心圆数据区域
扇区	sector	最小物理读写单位，常见大小为 512B
柱面	cylinder	所有盘片上相同编号磁道的集合

一次磁盘读写通常包括两个等待：首先，磁臂移动到目标磁道，称为 寻道 (Seek)；然后等待目标扇区转到读写头下方，称为 旋转延迟 (Rotational Latency)。

磁盘控制器 (disk controller) 位于计算机系统和磁盘硬件之间。上层系统发出读写扇区的命令，控制器负责移动磁臂、执行读写、校验数据，并处理坏扇区重映射。

控制器通常会为扇区维护 校验和 (checksum)。如果读取数据后重新计算的校验和不匹配，就说明数据可能损坏。对于坏扇区，控制器会把逻辑扇区重新映射到可用的物理扇区上。

2.2 磁盘接口与网络存储

磁盘接口决定主机和存储设备之间如何传输数据，常见接口有以下几种。

NVMe 更适合 SSD 和 NVM，因为它能降低协议开销并更好地利用高速存储设备的并行能力。

接口	全称	特点	传输速度
SATA	Serial ATA	常见、成本低，串行传输	SATA 3 最高约 6 Gb/s
SAS	Serial Attached SCSI	企业级常见，扩展性较强	SAS Version 3 最高约 12 Gb/s
NVMe	Non-Volatile Memory Express	面向 NVM ，通常走 PCIe	最高约 24 Gb/s

存储设备也可以通过网络提供服务。

• SAN 提供块设备接口，服务器像访问磁盘一样访问远程存储；
• NAS 提供文件系统接口，客户端通过网络文件协议访问文件。

类型	全称	提供接口	适宜场景
SAN	Storage Area Network	块接口	数据库、虚拟化、集中式高性能存储
NAS	Network Attached Storage	文件接口	文件共享、备份、普通网络文件服务

2.3 磁盘性能指标

访问时间 (access time) 是从发出读写请求，到开始传输数据之间的时间：

\[ \text{access time}=\text{seek time}+\text{rotational latency} \]

其中 寻道时间 (seek time) 是磁臂移动到正确磁道的时间。旋转延迟 (rotational latency) 是等待目标扇区转到读写头下方的时间。若转速为 \(R\text{ rpm}\) 则平均旋转延迟为：

\[ \frac{1}{2}\times\frac{60}{R}\text{ seconds} \]

数据传输率 (data-transfer rate) 表示单位时间内能读写多少数据。普通磁盘最大传输率约为 25 到 100 MB/s，内圈磁道通常低于外圈磁道。

磁盘块 (disk block) 是数据库和操作系统进行存储分配、读取和写入的逻辑单位，通常为 4KB 到 16KB。块太小会增加 I/O 次数，块太大可能浪费空间。

• 顺序访问：指连续读取连续块，通常只需少量寻道，适合全表扫描、日志写入，吞吐高；
• 随机访问：指请求分散在磁盘各处，每次都可能重新寻道，常见于索引查找、小块读取，机械磁盘上代价高，用每秒随机 IOPS 次数衡量，机械磁盘通常 50 到 200 IOPS。

MTTF (Mean Time To Failure) 表示平均无故障运行时间。

2.4 磁盘块访问优化

• 缓冲 (buffering) 是把磁盘块暂存在内存中，后续再次访问时直接命中内存，避免重复 I/O。数据库缓冲池就是典型例子；

• 预读 (read-ahead/prefetch) 是在读取当前块时顺带读取后续可能用到的块。它适合顺序扫描，因为相邻块很可能马上被访问；

• 磁臂调度 (disk-arm scheduling) 通过重新排序 I/O 请求，减少磁臂移动距离。典型方法是 电梯算法 (elevator algorithm)：磁臂沿一个方向处理请求，处理完后再反向。这种方法的目标很直接：少来回移动磁臂，减少寻道时间。

• 非易失性写缓存 (nonvolatile write buffer) 会先把写入内容放到非易失 RAM 或闪存中，确认安全后再慢慢写回磁盘。这样事务不必一直等待机械磁盘完成实际写入;

• 日志磁盘 (log disk) 专门顺序写更新日志。因为顺序写几乎不需要寻道，所以速度快，也常用于保证事务恢复能力。

3. 闪存与 SSD

3.1 硬件结构

NAND Flash 广泛用于存储设备。它通常以 页 (page) 为单位读取，页大小约为 512B 到 4KB。Flash 没有机械结构，所以随机读和顺序读差距远小于磁盘。

但 Flash 不能像磁盘那样随意原地覆盖。页通常只能写一次，重写前必须先擦除相关区域。

SSD (Solid State Disk) 对外表现为块设备，内部使用多个 Flash 芯片保存数据。由于没有寻道和旋转延迟，SSD 的随机访问性能远高于机械磁盘。

	HDD	SDD
读取一页	约 5~10 ms	约 20~100 μ‌s
随机访问	约 50~200 IOPS	读约 10000 IOPS ，写约 40000 IOPS
传输速率	约 200 MB/s	SATA 约 500 MB/s ，NVMe 约 3 GB/s
更新方式	原地更新	将整块擦除后重写
功耗效率	较高	较低

3.2 擦除技术

Flash 擦除以 擦除块 (Erase Block) 为单位，而不是以页为单位。擦除块通常为 256KB 到 1MB，包含约 128 到 256 个页，擦除一次约需 2 到 5 ms。

由于擦除次数有限，SSD 会使用 重映射 (Remapping)：逻辑页更新时，不直接覆盖原物理页，而是写到新的物理页，并更新映射关系。

FTL (Flash Translation Layer) 负责维护逻辑页到物理页的映射。这样上层仍然看到块设备接口，底层则可以自行处理擦除、垃圾回收和位置重映射。

每个擦除块能承受的擦除次数有限。磨损均衡 (Wear Leveling) 会把擦除操作尽量均匀分散到不同物理块上，避免某些块过早失效。

4. 存储级内存 NVM

NVM (Non-Volatile Memory) 介于 DRAM 和 SSD/HDD 之间。它的特点是：比 SSD 延迟低，断电后数据仍能保留，并且支持接近内存方式的访问。

指标	DRAM	NVM	SSD	HDD
读延迟	1x	2–4x	约 500x	约 \(10^5\)x
写延迟	1x	2–8x	约 5000x	约 \(10^5\)x
持久性	否	是	是	是
字节寻址	是	是	否	否
耐久性	是	否	否	是

NVM 的关键价值在于同时具备 非易失性 和 字节寻址能力。这会削弱传统“内存负责计算、磁盘负责持久化”的边界。