آموزش رایگان Data Storage Network؛ اجزا و مولفه‌های هارد دیسک

با توجه به این‌که درک کامل عملکرد هارددیسک‌ها و فناوری حالت جامد برای پیاده‌سازی یک شبکه SAN ضروری است، به همین دلیل باید دانش تئوری کافی درباره عملکرد این تجهیزات داشته باشید. بر همین اساس، در مقالات آتی سعی می‌کنیم عملکرد مولفه‌های اصلی هارددیسک‌ها و عملکرد داخلی حافظه‌های فلش و فناوری‌های حالت جامد را بررسی کنیم و شما را با ویژگی‌های عملکردی متفاوت هر یک از این رسانه‌ها آشنا کنیم. با فالنیک همراه باشید.

• آناتومی و ساختار دیسک درایو
• هدهای خواندن/نوشتن
• ارتفاع/سطح پرواز هارد
• کرش کردن هدها
• خواندن و نوشتن در صفحات
• هدها و آدرس‌دهی درایو داخلی
• ترک‌ها و سکتورها در هارد

به‌عنوان یک کارشناس شبکه این نکته را به یاد داشته باشید که هر یک از این فناوری‌ها جایگاه خود را دارند و این‌گونه نیست که به سادگی بگوییم حافظه فلش و فناوری‌های حالت جامد به‌طور کامل جایگزین هارددیسک‌ها خواهند شد. یکی از مهم‌ترین مباحثی که در زمینه ریکاوری هارددیسک وجود دارد و باعث می‌شود به عنوان یک کارشناس بازیابی کار خود را به درستی انجام دهید، درک دقیق مشخصات فنی و عملکرد هارددیسک‌ها است که در این مقاله با برخی از آن‌ها آشنا می‌شویم.

آناتومی و ساختار دیسک درایو

در اکثر قریب به اتفاق سرورها، لپ‌تاپ‌ها و رایانه‌های شخصی خانگی، دیسک درایو آخرین مولفه مکانیکی است. بقیه مولفه‌ها بر پایه سیلیکون هستند. دیسک درایو صدها، گاهی اوقات هزاران برابر کندتر از هر مولفه دیگری در یک سرور یا رایانه شخصی هستند. درایو دیسک از چهار جزء مکانیکی اصلی تشکیل شده است:

1. صفحه/پلاتر (Platters)
2. هدهای خواندن/نوشتن  (Read/write heads)
3. آکتواتور مونتاژ (Actuator assembly)
4. موتور هارد (Spindle motor)

پلاتر یا صفحه مکانی است که داده‌ها روی آن ذخیره سازی می‌شوند. صفحه را می‌توانید شبیه به دیسک بلوری یا دی‌وی‌دی تصور کنید که اطلاعات روی آن نوشته می‌شود.

هر صفحه جنس مقاومی دارد (خم نمی‌شود)، نازک، محکم، مدور و صاف است و با شتاب زیادی می‌چرخد. داده‌ها توسط هدهای خواندن/نوشتن که توسط بازوی محرک کنترل می‌شوند، روی سطوح صفحات می‌چرخند و اطلاعات را می‌خوانند یا می‌نویسند.

صفحات اغلب از یک زیرلایه شیشه‌ای یا آلومینیومی ساخته می‌شوند و هر سطح صفحه دارای پوشش مغناطیسی است. هر دو سطح بالا و پایین هر صفحه برای ذخیره داده‌ها استفاده می‌شود. وقتی صحبت از دیسک درایوها به میان می‌آید، معمولاً ظرفیت اولین معیاری است که همگان به آن دقت می‌کنند، در حالی که معیارهای دیگری مثل سرعت چرخش هارددیسک‌ها و نرخ دسترسی سریع به اطلاعات نیز مطرح است.

از آنجایی که همه صفحات به یک محور مشترک (اسپیندل) متصل هستند در یک دیسک درایو همزمان می‌چرخند، یعنی همه آن‌ها همزمان شروع به چرخش کرده و از حرکت باز می‌ایستند و  همگی با سرعت یکسان می‌چرخند.

هر گونه زاویه یا انحنا در سطح صفحه می‌تواند منجر به خرابی هد و از دست رفتن اطلاعات شود. برای جلوگیری از بروز چنین مشکلاتی، هدها در فاصله ایمنی بالای سطح صفحه حرکت می‌کنند و به فاصله کاملا نزدیکی از صفحه روی آن حرکت می‌کنند تا بتوانند اطلاعات روی آن‌را بخوانند و بنویسند. صاف بودن در این‌جا اهمیت زیادی دارد، زیرا به هدها اجازه می‌دهد در نزدیک‌ترین سطح به صفحات حرکت کنند. سطح صاف صدای کمتری ایجاد می‌کند و احتمال برخورد مستقیم هد به صفحات را به حداقل می‌رساند.

هدهای خواندن/نوشتن

هدهای خواندن/نوشتن گاهی اوقات به‌عنوان هدهای R/W یا تنها هد (Head) نامیده می‌شوند. این هدها روی صفحات مختلف حرکت می‌کنند و داده‌های روی صفحات را می‌خوانند و می‌نویسند. آن‌ها به مجموعه بازوهایی متصل هستند که توسط سفت‌افزار موجود در کنترل‌کننده درایو دیسک کنترل می‌شوند. در ادامه سیستم‌ عامل‌ها، فرآیند مدیریت‌ حجم و سیستم فایلی و هر آن چیزی که فراتر از عملکرد هدهای R/W هستند را مدیریت می‌کند.

ارتفاع/سطح پرواز هارد

همان‌گونه که اشاره شد، هدهای خواندن/نوشتن در فواصل بسیار کمی بالای هر صفحه حرکت می‌کنند که به آن ارتفاع پرواز (Flying Height) می‌گویند. ارتفاع پرواز در واحد نانومتر اندازه‌گیری می‌شود. ارتفاع پرواز بیشتر دیسک درایوها کمتر از اندازه یک ذره غبار یا عمق اثر انگشت است. برای درک بهتر این موضوع به تصویر زیر دقت کنید تا ببینید چه مهندسی دقیقی در دیسک درایوها انجام شده و چرا هارد دیسک‌ها هنوز هم به‌عنوان قابل اطمینان‌ترین رسانه ذخیره ساز شناخته می‌شوند.

این تنها ارتفاع حرکت هدها نیست که دقتی در ابعاد میکروسکوپی و دقیق دارند، بلکه قرار گرفتن هدها روی دیسک بدون نقص است. این روزها چگالی داده‌ها روی دیسک به‌اندازه‌ای فشرده است که کوچک‌ترین نقص در سطح صفحات باعث می‌شود تا هدها هنگام خواندن و نوشتن در مکان اشتباهی روی دیسک بنویسند.

کرش کردن هدها

توجه به این نکته حیاتی است که هدهای خواندن/نوشتن هرگز سطح صفحات را لمس نمی‌کنند. اگر آن‌ها را لمس کنند، باعث بروز مشکل head crash می‌شوند و باعث می‌شود اطلاعات درایو قابل خواندن نباشد و مجبور به تعویض درایو باشید.

خواندن و نوشتن در صفحات

همان‌گونه که هدها روی سطح صفحه حرکت می‌کنند، این توانایی را دارند که جهت‌گیری مغناطیسی بیت‌ها در بخش‌ها و مسیرهایی که از روی آن‌ها عبور می‌کنند را حس کرده و بیت به بیت اطلاعات را به درستی روی دیسک بنویسند. هنگام نوشتن داده‌ها، هدهای خواندن/نوشتن در بالا یا زیر هر سطح صفحه حرکت می‌کنند و هنگام عبور از روی آن، سطح را مغناطیسی می‌کنند.

شارژ مغناطیسی به‌گونه‌ای انجام می‌شود که توصیف‌کننده یک‌ها و صفرها هستند. هنگام خواندن داده‌ها از سطوح صفحات، هدهای خواندن/نوشتن بار مغناطیسی نواحی زیر آن‌ها را تشخیص می‌دهند تا مشخص کنند که آیا یک باینری است یا صفر. در این‌جا، عملاً هیچ محدودیتی برای تعداد دفعاتی که می‌توانید بخشی از یک دیسک را بخوانید و بنویسید وجود ندارد.

هدها و آدرس‌دهی درایو داخلی

هر سطح صفحه دارای هدهای خواندن/نوشتن (R/W) مخصوص به خود است. شکل زیر یک درایو با سه صفحه و شش هد R/W را نشان می‌دهد. هر صفحه دارای دو سطح ضبط – بالا و پایین – و هر سطح دارای هد R/W مخصوص به خود است. در این‌جا، سه صفحه وجود دارد که هر کدام با دو سطح ضبط در ارتباط هستند، به‌طوری که برای خواندن و نوشتن از روی این سطوح به شش هد R/W نیاز داریم.

مفهوم هدها (Heads) و سطوح ضبط (Recording Surfaces) اهمیت زیادی در طرح آدرس‌دهی بخش هد سیلندر (CHS) سرنام cylinder-head-sector دارند که توسط دیسک‌ درایوها استفاده می‌شود. دقت کنید در آزمون Storage+ تاکید زیادی روی این مفاهیم است و بنابراین باید اطلاعات کاملی در این زمینه داشته باشید.

برای آدرس‌دهی به هر بخش در یک دیسک درایو، می‌توانید شماره سیلندر (که مسیر را به ما می‌دهد)، شماره هد (که به ما می‌گوید این تراک در کدام سطح ضبط است) و شماره بخش (که به ما می‌گوید در کدام بخش است) را مشخص کنید. شکل زیر سیلندر ۵۱۲، هد ۰، بخش ۳۳، یا به عبارت دیگر، بخش ۳۳ در مسیر ۵۱۲ روی سطح صفحه ۰ را نشان می دهد.

ترک‌ها و سکتورها در هارد

سطح هر صفحه به مسیرها و بخش‌هایی تقسیم می‌شود که فاصله‌ای میکروسکوپی دارد. شکل زیر یک صفحه نمونه را نشان می‌دهد که به تراک‌ها و سکتور‌ها (قطاع) تقسیم شده است.

هر سطح صفحه دارای مسیرهای زیادی است که هر کدام بر مبنای یک حلقه متحدالمرکز در سراسر صفحه می‌چرخند. سپس هر تراک به بخش‌هایی تقسیم می‌شود.

سکتور (قطاع) کوچک‌ترین واحد آدرس‌پذیر یک درایو دیسک است و معمولاً ۵۱۲ یا ۵۲۰ بایت اندازه دارد (ما در مثال‌های خود عمدتاً با ۵۱۲ بایت کار خواهیم کرد). بنابراین، اگر می‌خواهید فقط ۲۵۶ بایت روی دیسک خود بنویسید، به یک سکتور کامل ۵۱۲ بایتی نیاز دارید.

اکثر درایوهای رابط پیشرفته متوالی سریال (SATA) سرنام Serial Advanced Technology Attachment دارای اندازه سکتور ثابت ۵۱۲ بایت هستند، در حالی که درایوهای کانال فیبر (FC) سرنام Fibre Channel و SCSI سرنام Serial Attached SCSI می‌توانند به صورت دلخواه در اندازه‌های مختلف فرمت شوند. این توانایی در فرمت‌بندی دلخواه سکتورهایی با اندازه‌های مختلف، می‌تواند در پیاده‌سازی فناوری‌های یکپارچه‌سازی داده‌ها مثل حفاظت از داده‌های نقطه‌به‌نقطه (EDP) سرنام end-to-end data protection حائز اهمیت باشد. در EDP که گاهی به عنوان فیلد یکپارچگی داده (T10 DIF) یا حفاظت از بلوک منطقی نامیده می‌شود، ابرداده‌های اضافی حفاظت از داده به داده‌ها اضافه می‌شوند و در حین انتقال از سیستم فایل میزبان تا رسانه ذخیره سازی با داده‌ها باقی می‌مانند.

درایوهای دیسک این‌کار را از طریق ۸ بایت داده اضافی که به انتهای هر سکتور ۵۱۲ بایتی اضافه می‌کنند که اندازه سکتور را در درایوهایی که از EDP پشتیبانی می‌کنند به ۵۲۰ بایت افزایش می‌دهند، انجام می‌دهند. EDP ​​به درایوها این امکان را می‌دهد که خطاها را قبل از انتقال داده به درایو یا قبل از برگرداندن داده‌های خراب به میزبان/برنامه تشخیص دهند. بخشی از ۸ بایت داده اضافه شده توسط EDP، فیلد محافظ است که شامل یک بررسی افزونگی چرخه‌ای (CRC) است که به هر دستگاه در مسیر برنامه به درایو اجازه می‌دهد یکپارچگی داده را بررسی کند و مطمئن شود که اطلاعات از دست نرفته‌اند.

مقایسه هارد درایوهای ssd و hdd