SMR(Shingled Magnetic Recording)疊瓦式磁記錄盤是一種采用新型磁存儲技術(shù)的高容量磁盤。SMR盤將盤片上的數(shù)據(jù)磁道部分重疊，就像屋頂上的瓦片一樣，這種技術(shù)被稱為疊瓦式磁記錄技術(shù)。該技術(shù)在制造工藝方面的變動非常微小，但卻可以大幅提高磁盤存儲密度。

在數(shù)據(jù)量飛速增長的當(dāng)今世界，SMR技術(shù)可以有效降低單位容量的磁盤存儲成本，是未來高密度磁盤存儲技術(shù)的發(fā)展潮流。

盡管SMR盤的讀行為和普通磁盤相同，但它的寫行為有了巨大的變化：不再支持隨機(jī)寫和原地更新寫。這是由于SMR盤上新寫入的磁道會覆蓋與之重疊的所有磁道，從而摧毀其上的數(shù)據(jù)。換言之，相較傳統(tǒng)磁盤而言，SMR盤不再支持隨機(jī)寫，只能進(jìn)行順序追加寫。寫入方式的限制給欲使用SMR盤的存儲系統(tǒng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

SMR盤的技術(shù)原理

文章內(nèi)容

SMR盤的技術(shù)原理

SMR盤的分類

大數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，預(yù)計(jì)每兩年就會翻一番。硬盤作為一種經(jīng)濟(jì)高效的存儲介質(zhì)，在當(dāng)今的存儲數(shù)字世界中依然起著中流砥柱的作用。

硬盤驅(qū)動器的存儲面密度(每單位面積存儲的位數(shù))受到物理定律的限制，目前硬盤使用的PMR垂直磁記錄(Perpendicular Magnetic Recording)技術(shù)即將達(dá)到其存儲密度極限。業(yè)界迫切希望引入新的技術(shù)來克服限制，繼續(xù)穩(wěn)步提升容量。

SMR盤是領(lǐng)先的下一代磁盤技術(shù)。 SMR盤在制造工藝方面的變動非常微小，因?yàn)樗３脂F(xiàn)有磁頭和介質(zhì)技術(shù)不變，它通過將磁道像屋頂上的瓦片那樣重疊在一起來實(shí)現(xiàn)其存儲面密度的增長。

具體來說，硬盤盤片被劃分為同心圓狀的磁道，磁道與磁道之間具有一定間隔，起到保護(hù)作用。硬盤的磁頭位于盤片記錄介質(zhì)的上方，包含用于寫入的寫磁頭和用于讀取的讀磁頭，二者是獨(dú)立的部件。在磁盤上想要寫入數(shù)據(jù)，需要寫磁頭施加較強(qiáng)的磁場來改變盤片上的記錄，這就進(jìn)一步要求寫磁頭足夠大以產(chǎn)生所需的寫入磁場強(qiáng)度。因此，如果磁道沒有任何重疊，磁盤上每英寸能容納的磁道數(shù)量由寫磁頭的寬度所決定。

疊瓦式寫入則利用了磁盤讀取所需要的磁場強(qiáng)度低于寫入所需要的磁場強(qiáng)度的事實(shí)。換言之，磁盤讀取所需的磁道寬度可以小于寫入所需的軌道寬度，讀磁頭的寬度可以小于寫磁頭寬度。SMR盤上數(shù)據(jù)的寫入是通過部分重疊前一條磁道寫入的，同時留出了足夠的空間給較窄的讀磁頭讀取前一條磁道的數(shù)據(jù)。疊瓦式寫入的結(jié)果就是留給讀用的窄磁道，以及最后用于寫入的較寬的寫磁道，寫入將會覆蓋若干個讀磁道的寬度。

和傳統(tǒng)磁盤相比，SMR盤通過疊瓦式寫入在相同的面積內(nèi)容納了更多的磁道，從而提高了存儲面密度，進(jìn)而降低了磁盤單位存儲容量的成本。

SMR磁盤將磁道劃分為若干個帶(Band)，即由連續(xù)磁道所構(gòu)成的可連續(xù)寫入?yún)^(qū)域，每個區(qū)域構(gòu)成一個需要順序?qū)懭氲幕締卧?。Band是SMR盤上的物理概念，其對應(yīng)的邏輯概念是“區(qū)域”(zone)，是上層軟件所能看到的SMR盤的順序?qū)憛^(qū)域。一個zone的大小通常在256 MB量級。由于SMR盤仍然確保可以從磁道的未重疊部分讀取數(shù)據(jù)，zone內(nèi)的數(shù)據(jù)讀取依舊可以隨機(jī)進(jìn)行。

SMR盤在生產(chǎn)制造時就劃分好了分區(qū)，通過在zone之間出留出較大的間隔來標(biāo)識zone的起始位置。此外，硬盤廠商在SMR盤上一小塊區(qū)域內(nèi)，通過采用傳統(tǒng)硬盤非重疊的磁道組織方式，犧牲了部分存儲密度以換取在這些zone內(nèi)隨機(jī)寫入的能力。這部分zone被稱為“傳統(tǒng)區(qū)”(Conventional Zone)，為上層應(yīng)用的隨機(jī)寫提供了一個落腳點(diǎn)。

在傳統(tǒng)硬盤上，存儲在磁盤上的用戶數(shù)據(jù)由文件系統(tǒng)來管理，文件系統(tǒng)假定磁盤提供的塊接口中，塊是獨(dú)立可更新的單元。但是，由于疊瓦式寫入導(dǎo)致隨機(jī)寫和原地更新寫不再受支持，SMR盤需要全新的數(shù)據(jù)管理解決方案。尋找一種方法來高效地存儲、檢索和管理SMR盤中這些大塊順序?qū)憛^(qū)域中的數(shù)據(jù)，而不會導(dǎo)致太多空間浪費(fèi)是非常具有挑戰(zhàn)性的。

SMR盤的分類

SMR盤采用疊瓦式記錄通過將一個zone內(nèi)的磁道按序部分重疊，獲得了更高的存儲面密度、更大的磁盤容量、更低的單位容量價格。在獲得這一好處的同時，SMR盤也對上層應(yīng)用提出了一些限制，包括SMR盤在zone內(nèi)只能順序?qū)?，不支持隨機(jī)寫，SMR盤的空間回收以一個Zone的大小(例如256MB)為粒度。

SMR盤對寫入的約束可在硬件側(cè)由硬盤本身來管理，亦可在主機(jī)側(cè)由軟件來進(jìn)行。前者被稱為“驅(qū)動器自管理的SMR盤”(Drive Managed SMR disk)，以下簡稱DM SMR盤。后者則將SMR內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)通過新增接口向上層軟件暴露。

制定SCSI協(xié)議的T10國際組織和制定ATA協(xié)議的T13國際組織都針對SMR盤對SCSI和ATA協(xié)議進(jìn)行了相應(yīng)的拓展。

T10組織引入了ZBC(Zoned Block Commands)，定義了SMR盤相關(guān)的術(shù)語和行為，成為SAS接口SMR盤所必須遵守的規(guī)范。

T13組織引入了ZAC(Zoned-device ATA Commands)，與ZBC類似，是SATA接口SMR盤所必須遵守的標(biāo)準(zhǔn)。

ZBC和ZAC標(biāo)準(zhǔn)將SMR盤抽象成為一組Zone的集合，其中的Zone由一段連續(xù)的LBA構(gòu)成。ZBC與ZAC標(biāo)準(zhǔn)中均定義了SMR盤中可以存在的三種類型的Zone:

傳統(tǒng)Zone(Conventional Zone簡寫為C-Zone)

首選順序?qū)懭隯one(Sequential-Preferred Zone簡寫為SP-Zone)

強(qiáng)制順序?qū)懭隯one(Sequential-Required Zone簡寫為SR-Zone)

對C-Zone而言，和傳統(tǒng)硬盤一樣，它具有完全的隨機(jī)寫能力，對其中寫入IO的邏輯塊地址(LBA)的順序不做任何限制。C-Zone所占的大小一般不超過SMR盤容量的1%。

SP-Zone也不對寫入順序做強(qiáng)制性限制，但是，和C-Zone不同的是，SP-Zone位于SMR盤的順序?qū)懭雲(yún)^(qū)域，最適合順序?qū)憽P-Zone引入了寫指針(Write Pointer，以下簡稱WP)的概念，該指針等于該Zone內(nèi)的最大LBA，應(yīng)用程序應(yīng)該首選在SP-Zone內(nèi)的寫指針處寫入數(shù)據(jù)。盡管該硬盤本身在也能夠處理非寫指針處的寫入(隨機(jī)寫)，但這是有代價的，會引起后續(xù)的數(shù)據(jù)遷移、垃圾回收等。

對于每個Zone，SR-Zone也暴露了寫指針WP的位置，但硬盤設(shè)備將拒絕寫入除寫指針指向的LBA以外的任何位置，也就是SR-Zone內(nèi)必須以寫指針當(dāng)前所在位置為起點(diǎn)，進(jìn)行順序追加寫。

當(dāng)SR-Zone寫滿之后，則需通過Reset Write Pointer操作將該WP重置到該Zone開頭，即清空該Zone以回收空間，從頭開始寫入。SP-Zone和SR-Zone被統(tǒng)稱為寫指針區(qū)(Write Pointer Zone)。

如前所述，如果一塊硬盤采用了疊瓦式寫入技術(shù)，但是對外不暴露Zone和WP，由硬盤固件本身來管理寫入的順序性約束，我們稱之為Drive Managed SMR。

如果一塊硬盤采用了疊瓦式寫入技術(shù)，對外暴露了Zone和WP，并且所包含的Zone類型僅僅含有C-Zone和SR-Zone，那么我們稱之為Host Managed SMR(主機(jī)管理的SMR盤)。

如果一塊硬盤采用了疊瓦式寫入技術(shù)，對外也暴露了Zone和WP，并且所包含的Zone類型由C-Zone和SP-Zone組成，那么我們稱之為Host Aware SMR(主機(jī)感知的SMR盤)。

HA SMR盤可以視為DM SMR盤和HM SMR盤的折中類型。

雖然DM SMR盤采用和傳統(tǒng)硬盤相同的接口，在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)一個疊瓦轉(zhuǎn)換層STL(Shingle Translation Layer)對外隱藏了順序?qū)懭氲南拗?，但它也有一個主要缺點(diǎn)：

在某些帶有隨機(jī)寫的工作負(fù)載下，DM SMR盤內(nèi)順序?qū)懭雲(yún)^(qū)域需要進(jìn)行數(shù)據(jù)遷移、垃圾回收等背景操作，DM SMR盤的性能可能受到不可預(yù)測的影響，性能波動巨大。

相比之下，HM SMR盤不將自身偽裝為傳統(tǒng)磁盤，而是根據(jù)ZBC/ZAC標(biāo)準(zhǔn)對外暴露了zone和WP的抽象結(jié)構(gòu)，允許上層軟件來完全管理SMR盤的順序?qū)懭爰s束，對不符合順序?qū)懸?guī)則的IO請求則直接返錯。通過向上暴露新接口，HM SMR盤的IO行為完全受軟件控制，因而其性能是可控的，能最大化發(fā)揮SMR盤的優(yōu)勢。

但劣勢是上層的軟件必須進(jìn)行修改才能使用HM SMR盤。HA SMR盤提供了和HM SMR盤一樣的新接口，但是當(dāng)其收到不符合順序?qū)懺瓌t的IO是，HA SMR盤將允許其寫入而非報(bào)錯，具有一定的靈活性。

無論采用哪一種類型的SMR盤，我們都需要將上層應(yīng)用的IO行為特點(diǎn)與SMR盤順序?qū)懙膬?nèi)在特點(diǎn)相匹配，否則就無法使SMR盤工作在最佳狀態(tài)。