硬盘的技术规格.docx
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硬盘的技术规格
硬盘的技术规格
一、硬盘接口技术
1、ST-506接口
最早的IBMPC并不带有硬盘,它的BIOS及DOS1.0操作系统也不支持任何硬盘,后来DOS2引入了子目录系统,并添加了对“大容量”存储设备的支持,于是一些公司开始出售供IBMPC使用的硬盘系统,这些硬盘与一块控制卡、一个独立的电源(IBMPC的电源只有63.5W,无法向硬盘供电)被一起装在一个外置的盒子里,并通过一条电缆与插在扩展槽中的一块适配器相连,为了使用这样的硬盘,必须从软驱启动,并加载一个专用设备驱动程序。
1983年,IBM推出了IBMPC的后继产品PC/XT,虽然XT仍然使用8088CPU,但配置却要高得多,加上了一个10MB(随后的XTS机型为20MB)的内置硬盘,IBM把原本放在盒子里的控制卡的功能集成到一块接口控制卡上,构成了我们常说的硬盘控制器。
但是XT的BIOS中仍然不带有硬盘读写例程,为此接口控制卡上有一块ROM芯片,其中存有硬盘读写例程,这种现象一直持续到基于80286处理器的PC/AT的推出,硬盘接口控制例程终于被加入到了主板的BIOS中。
PC/XT和PC/AT机器使用的硬盘被称为MFM硬盘或ST-506/412硬盘,MFM(ModifiedFrequencyModulation)是指一种编码方案,而ST-506/412则是希捷开发的一种硬盘接口,首先使用这种接口的硬盘为希捷的ST-506及ST-412。
ST-506接口使用起来相当简便,它不需要任何特殊的电缆及接头,但是它支持的传输速度很低,因此到了1987年左右这种接口就基本上被淘汰了,采用该接口的老硬盘容量多数都低于200MB。
2、ESDI接口
鉴于ST-506接口的低速度,迈拓于1983年开发了ESDI(EnhancedSmallDriveInterface)接口。
这种接口把编解码器放在了硬盘本身之中,而不是控制卡上,它的理论传输速度是ST-506的2~4倍,一般可达10Mbps。
ESDI接口并没有得到广泛应用,原因之一是它的成本比较高,经过了几个版本之后,它与后出现的低成本高性能的IDE接口相比已没有优势可言,因此在进入九十年代后就逐步被淘汰掉了。
Windows9x操作系统中有一个设备驱动程序叫ESDI_506.pdr,显然这个文件的名字来源于古老的ESDI和ST-506接口,但ESDI_506.pdr却是一个IDE接口的驱动程序!
3、IDE与EIDE接口
IDE(IntegratedDriveElectronics)的本意实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器,我们常说的IDE接口,也叫ATA(AdvancedTechnologyAttachment)接口,现在PC机使用的硬盘大多数都是IDE兼容的,只需用一根电缆将它们与主板或接口卡连起来就可以了。
把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度,数据传输的可靠性得到了增强,硬盘制造起来变得更容易,因为厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它厂商生产的控制器兼容,对用户而言,硬盘安装起来也更为方便。
ATA接口最初是在1986年由CDC、康柏和西部数据共同开发的,他们决定使用40芯的电缆,最早的IDE硬盘大小为5英寸,容量为40MB,康柏早期的386系统使用了由西部数据制造的IDE硬盘,后来康柏创办了Conner来为自己生产硬盘,但很快又把Conner出售了。
ATA接口的一大特点是成本低廉,非常符合PC机的发展特点,因此很快得到大家的认同,从80年代末期开始逐渐取代了其它老式接口,ANSI也专门制定了ATA-1标准,1990年后生产的PC机已经普遍采用ATA接口了。
就在ATA-2成为标准之时,西部数据与希捷掀起了一场接口名称之争。
西部数据提出了EIDE(EnhancedIDE)的概念,EIDE实际上包含了ATA-2和ATAPI(ATAPacketInterface)两种标准,后者是为了让CDROM、磁带机等其它设备使用ATA接口而制订的标准,因为ATA-1和ATA-2标准都只考虑了硬盘。
希捷为了对付WD的市场策略,也提出了一个Fast-ATA的概念,并得到了昆腾的支持。
Fast-ATA实际上就是ATA-2,相对而言,Fast-ATA比EIDE在概念上要更为清晰一些,但是由于CD-ROM驱动器的迅速发展,ATAPI标准得到了普遍应用,Fast-ATA和EIDE两种称呼都经常出现在各种场合,反而产生了很多混淆。
ATA接口的最新标准是ATA-3,与ATA-2相比,ATA-3没有增加更高速率的工作模式,但改进了数据传输的可靠性,加入了一个简单的密码保护的安全方案,对电源管理方案进行了修改,并引入了S.M.A.R.T.技术,让硬盘在出错时能够向系统报告。
4、DMA33/66
DMA33/66并不是新的接口规范,它们只是对EIDE接口的增强。
最新的UltraDMA66是指一种由Intel及Quantum公司设计的同步DMA协议。
Intel810以后的芯片组(及大多数较新的非INELE芯片组)都支持此协议。
传统的IDE数据传输仅仅利用了单边带的数据脉冲。
DMA/66则在数据传输时使用了双边带的数据脉冲。
因此,使用该技术的硬盘并配合相应的芯片组,最大传输速度可以由16MB/s提高到66MS/s。
它们最大的优点在于把CPU从大量的数据传输中解放出来了,可以把数据从HDD直接传输到主存而不占用更多的CPU资源,从而在一定程度上提高了整个系统的性能。
DMA/66已成为目前E-IDE硬盘接口事实上的标准。
5、SCSI接口
SCSI(SmallComputerSystemInterface)是一种与ATA完全不同的接口,它不是专门为硬盘设计的,而是一种总线型的系统接口,每个SCSI总线上可以连接包括SCSI控制卡在内的8个SCSI设备。
早期PC机的BIOS不支持SCSI,各个厂商都按照自己对SCSI的理解来制造产品,造成了一个厂商生产的SCSI设备很难与其它厂商生产的SCSI控制卡共同工作,加上SCSI的生产成本比较高,因此没有像ATA接口那样迅速得到普及。
SCSI接口的优势在于它支持多种设备,传输速率比ATA接口高,独立的总线使得SCSI设备的CPU占用率很低,所以SCSI更多地被用于服务器等高端应用场合。
ANSI分别于1986年和1994年制订了SCSI-1和SCSI-2标准,一些厂商在这些标准的基础上开发了FastSCSI、UltraSCSI、Ultra2SCSI(LVD)和Ultra160/m等事实上的标准。
与UltraATA相似,UltraSCSI、Ultra2SCSI和Ultra160/m也是处于SCSI-2和SCSI-3(仍然还未正式确定)两种标准之间的产物。
昆腾、希捷、IBM等厂商都有自己的SCSI硬盘系列产品,由于目标市场不同,这些SCSI硬盘的转速、缓存大小等指标要比同时期的IDE硬盘高得多。
EIDE硬盘的接口技术在不断进步时,SCSI硬盘的接口技术也在迅速发展。
目前开始普遍采用Ultra2SCSI(LVD)传输模式。
LVD代表低电压差分技术,16位Ultra2SCSI(LVD)接口的最高传输速率可达80MB/s,除了速度上的提升外,Ultra2SCSI(LVD)允许接口电缆的最大长度为12米,比起UltraSCSI的1.5米限制有了极大的进步,大大增强了设备配置的灵活性。
Ultra160/mSCSI也被引入硬盘界,对硬盘在高计算量应用领域的性能扩展极有裨益,处理关键任务的服务器、图形工作站、冗余磁盘阵列(RAID)等设备将因此得到性能提升。
而目前的硬盘厂商为使产品适应不同领域的需求,将Ultra160/mSCSI技术与光纤界面技术集成在一块硬盘上,使硬盘的应用领域更加广阔,不但可以支持服务器、图形工作站、冗余磁盘阵列应用,还可以支持SAN等新型应用,比如昆腾(Quantum)公司新推出的Atlas10K硬盘和AtlasⅣ硬盘就是这样的产品。
6、光纤通道
光纤通道技术具有数据传输速率高、数据传输距离远以及可简化大型存储系统设计的优点。
目前,光纤通道支持每秒200MB的数据传输速率,可以在一个环路上容纳多达127个驱动器,局域电缆可在25米范围内运行,远程电缆可在10公里范围内运行。
某些专门的存储应用领域,例如小型存储区域网络(SAN)以及数码视像应用,往往需要高达每秒200MB的数据传输速率和强劲的联网能力,光纤通道技术的推出正适应了这一需求。
同时,其超长的数据传输距离,大大方便了远程通信的技术实施。
由于光纤通道技术的优越性,支持光纤界面的硬盘产品开始在市场上出现。
这些产品一般是大容量硬盘,平均寻道时间短,适应于高速、高数据量的应用需求,将为中高端存储应用提供良好保证。
从技术发展看,Ultra160/mSCSI仅仅是硬盘接口发展道路上的一环而已,200MB的光纤技术也远未达到止境,未来的接口技术必将令今天的用户瞠目结舌,不妨拭目以待。
7、IEEE1394、USB
IEEE1394又称为Firewire(火线)或P1394,它是一种高速串行总线,现有的IEEE1394标准支持100Mbps、200Mbps和400Mbps的传输速率,将来会达到800Mbps、1600Mbps、3200Mbps甚至更高,如此高的速率使得它可以作为硬盘、DVD、CD-ROM等大容量存储设备的接口。
IEEE1394将来有望取代现有的SCSI总线和IDE接口,但是由于成本较高和技术上还不够成熟等原因,目前仍然只有少量使用IEEE1394接口的产品,硬盘就更少了。
此外基于USB接口的硬盘也问世了,只是目前还处在试验探索的阶段,产量极小。
IBM生产了一种6.4G的USB硬盘,型号是DTTA350640,它的价格要比相同指标的IDE硬盘贵一倍,其优势在于支持即插即用和热插拔,会在活动硬盘等领域得到发展。
二、硬盘新技术
随着个人电脑技术的飞速发展,在PC机中占重要地位的硬盘当然也不甘落后,硬盘所采用的新技术十分引人注目。
总的来说,目前硬盘技术的发展主要集中在速度、容量及可靠性三方面。
Ultra-ATA/66接口、GMR巨磁阻技术和S.M.A.R.T自我监测分析和报告技术等各项技术已普遍为各大硬盘制造商所采用,这使得硬盘在传输率、单片存储容量和监测预告技术上较以往有了很大提高。
目前新型的硬盘技术主要有以下方面:
1、更高的主轴电机转速。
目前大多数硬盘的主轴电机转速一般都在5400转以上。
理论上来说,转速越快,硬盘的速度越快,但提高转速受到散热、稳定性等多方面的制约,因此硬盘转速的提高是有限度的。
E-IDE接口硬盘大约会以7200转/分为限。
随着硬盘转速的提高,平均等待时间和平均寻道时间随之下降,平均寻道时间缩短到9ms以下。
而SCSI接口的硬盘转速已提高到12000转/分以上。
2、ULTRADSP(超级数字信号处理器)的应用。
DSP每秒可以处理数以千万条指令,处理数学运算时较一般CPU快10~50倍,MAXTOR在硬盘厂商中率先引入了此项技术,用于缩短硬盘的平均寻道时间,采用ULTTRADSP技术,其单一的DSP芯片可同时提供处理器及驱动接口的双重功能,减少了其它电子零件的使用,可大幅度提高硬盘的速度可靠性。
3、高速缓存技术。
目前在硬盘上广泛采用了多段先行读出式超高速缓存器,多段先行读出式超高速缓存器可在读出和先行读出作业中,数据被存入超高速缓存器中,主机不必通过磁盘驱动器便可以直接使用这些数据,由于每一段都可以用作一个独立的缓冲器,可以在多任务环境中大大提高系统的吞吐性能。
因此即使是E-IDE接口的硬盘,为了提高性能,最好也要拥有256KB的高速缓存。
由于高速缓存可以提高硬盘性能,所以随着硬盘容量的加大,高速缓存就显得越来越重要。
目前一些硬盘上已经采用了高达2M的高速缓存。
4、硬盘内多盘片封装技术
当平均存取时间和记录密度一定时,盘片数加倍则单位区域内的容量加倍,移动磁头寻道的可能性将减小,性能将提高。
一般E-IDE接口的硬盘最多为四片盘。
目前MAXTOR钻石9代的单张盘片(3.5英寸)容量达到10.08GB,如使用四片盘,即可使容量达到40GB。
5、OAW技术
在传统磁盘技术发展的上存在一个“超顺磁极限”。
传统磁记录驱动器的面记录密度越来越大,当它达到20~40Gb/平方英寸时,磁盘上的磁介质就无法保持稳定的磁畴,这就是传统磁盘技术发展的理论极限。
但信息技术发展对信息存储的要求却没有极限。
著名硬盘厂商Seagate从去年夏天起就大力开发下一代的存储解决方案,名曰光助温盘(OAW)技术。
OAW技术达到的面记录密度远高于今天的硬盘驱动器,最终将突破超顺磁极限即传统磁技术的面记录密度的理论极限。
OAW技术在驱动器业界首次把光技术、磁技术和通信技术集成在一起,构成新一类的经济实惠的高容量驱动器产品。
预计在下一个10年之初,OAW技术就能突破超顺磁级所限制的驱动器性能。
OAW系统由:
先进的光输送系统、独特的磁头设计、全新的伺服系统、等新一代记录介质子系统组成。
总而言之,OAW技术是一种可靠实用的技术,可望成为下世纪提高磁盘记录密度的新手段。
6、“湿盘”(wetdisk)技术
当我们要把磁盘密度进一步增大,目前以金属薄膜盘片以及玻璃基片的“温盘技术”便无能为力了。
我们知道,当磁盘密度达到一定程度时,信号便会变得更加微弱,并且相邻信号之间的干扰也更为严重。
要解决只能把磁头进一步贴近盘片,但目前的磁头飞高已不到0.08微米,要进一步令磁头靠近盘片非常困难,因为这要克服磁头抖动及盘片细微凹凸等引起问题。
为此,有人提出干脆把磁头紧贴磁盘(Contactrecording),就象录音机那样。
但对盘片及磁头而言,这种接触是致命的,磁头与盘片会两败俱伤。
于是,一种全新的盘片--“湿盘”(wetdisk)被提上的研发日程,“湿盘”可以最大限度地减少磁头与盘片的磨擦,但其中还有不少技术上与工艺上的问题有待解决。
我们期待着这种新型磁盘材料的早日问世。
7.PRML(PartialResponseMaximumLikelyhood,局部响应最大相似)读取通道技术。
PRML技术最初只用在通信方面,用以解决误码率问题,该技术引入硬盘中后可有效提高数据读取及传输效率,可使硬盘容量提高30%以上,据称第三代PRML读取通道可提供高达900MBPS的内部数据传输率。
PRML技术可使盘片存储更多的数据,因此既可提高单片硬盘的容量,又可加快数据传输率。
PRML技术应用于硬盘信号读取时,能避免因磁道过窄造成的信号干扰,大幅度地提高盘片的密度。
同时由于磁盘密度的增大,磁头在相同时间内可以读取到更多的信号,使得读取速度得以提高。
而通过最大相似原理的多点采样可以把磁头读取到的信号与标准信号进行对比,以得出最匹配的信号再传送出去,从而大大地提高了数据读取的准确性。
PRML技术的普遍采用,使硬盘的容量、速度、可靠性都有了不同程度的提高。
8.新型磁头技术
(1)、MR(MAGNETO-RESITIVEHEAD)
即磁阻磁头的简称。
MR技术可以更高的实际记录密度、记录数据,从而增加硬盘容量,提高数据吞吐率。
目前的MR技术已有几代产品。
MAXTOR的钻石三代/四代等均采用了最新的MR技术。
磁阻磁头的工作原理是基于磁阻效应来工作的,其核心是一小片金属材料,其电阻随磁场变化而变化,虽然其变化率不足2%,但因为磁阻元件连着一个非常灵敏的放大器,所以可测出该微小的电阻变化。
MR技术可使硬盘容量提高40%以上。
(2)、GMR(GiantMagnetoresistive)
巨磁阻磁头GMR磁头与MR磁头一样,是利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据,但是GMR磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构,比MR磁头更为敏感,相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化,从而可以实现更高的存储密度,现有的MR磁头能够达到的盘片密度为3Gbit-5Gbit/in2(千兆位每平方英寸),而GMR磁头可以达到10Gbit-40Gbit/in2以上。
目前GMR磁头已经处于成熟推广期,在今后的数年中,它将会逐步取代MR磁头,成为最流行的磁头技术。
阿尔卑斯电气公司2000年4月将批量生产记录密度高达15Gbit/吋2的GMR磁头。
使用该磁头,一张3.5英寸的磁盘容量大约为20GB,2.5英寸也可达到10GB的容量。
为了达到15Gbit/吋2,该公司改良了GMR磁头内部的spinvalve旋转阀门膜(spinvalve膜),并在自由层中增加了导通层,采用了所谓的旋转过滤阀门膜。
固定层采用的是多层式构造。
阿尔卑斯将通过GMR磁头的改良和TMR磁头两方面,将于2003年实现100Gbit/吋2磁头的实用化。
(3)、TMR
TDK公司日前成功地试制了采用TMR薄膜的TMR(tunnelingmagnetoresisitive)磁头,并制造出硬盘设备。
据悉,该TMR磁头的再生输出以及面密度均与GMR磁头相同。
磁头结构与GRM磁头不同,但是详细信息尚未公开。
9、层出不穷的数据保护技术
(1)S.M.A.R.T(自动检测、分析及报告)技术
使用S.M.A.R.T技术,可有效保护你的硬盘。
硬盘出现故障,是一件十分令人懊恼的事情,为此,你将冒丢失重要数据的危险。
不过,现在有一种对硬驱故障发出报警的方法,它就是自我监视、分析和报告技术S.M.A.R.T.。
可预测的硬驱故障是由硬驱性能逐渐恶化引起的。
实际上,硬驱故障的60%都是机械性质的,对此类故障,S.M.A.R.T.可一显身手。
S.M.A.R.T.可以对数据提供有效的廉价保护,使用S.M.A.R.T.可行的驱动器有助于减少数据丢失的风险,亦即避免了金钱和时间的损失,并且预先报警能让你安排更换驱动器所需的停工时间。
尽管S.M.A.R.T.能有这样的帮助,但保护数据最好的方法仍是不断地定期备份,实际上,将二者结合是最好的保护方案。
S.M.A.R.T技术是硬盘厂商提供的一个规范,主要目的是预防某些设备失败。
提高硬盘可靠性和确保数据的连续性,已成为工业标准,因此,大多数的硬盘生产商已在向支持S.M.A.R.T技术看齐。
(2)SPS和DPS技术
SPS(ShockProtectionSystem)震动保护系统。
是由昆腾公司开发,使硬盘在受到撞击时,保持磁头不受震动,磁头和磁头臂停泊在盘片上,冲击能量被硬盘其他部分吸收,这样能有效地提高硬盘的抗震性能,使硬盘在运输、使用及安装的过程中最大限度地免受震动的损坏。
目前第二代保护系统(SPSII)也推出,可以更有效的防止由于外界的震动所引起的硬盘损坏
DPS(DataProtectionSystem)数据保护系统。
DPS可快速自动检测硬盘的每一个扇区,并在硬盘的前300M空间定位存放操作系统或其他应用系统的重要部分。
当系统发生问题时,DPS可以在90秒内自动检测并恢复系统数据,即使系统无法自举,也可以用包含DPS的系统软盘启动系统,再通过DPS自动检测并分析故障原因,尽可能保证数据不被丢失。
DPS,配合QDPS测试软件,可以方便,正确的检测你的硬盘是否有损坏。
当系统发生故障后,如果硬盘能通过QDPS软件的测试,则可以排除是硬盘的问题:
反之,则可以肯定是硬盘发生了故障,在质保期内可要求经销商退换。
(3)ShockBlock和MaxSafe技术
ShockBlock是迈拓公司在其金钻二代硬盘上使用的防震技术,它的设计思想和昆腾的SPS相似,采用先进的设计制造工艺,在意外碰撞发生时,尽可能避免磁头和磁盘表面发生撞击,减少因此而引起的磁盘表面损坏。
MaxSafe同样也是金钻二代拥有的独特数据保护技术,它可以自动侦测、诊断和修正硬盘发生的问题,提供更高的数据完整性和可靠度。
Maxsafe技术的核心是ECC(ErrorCorrectionCode错误纠正代码)功能,它在数据传输过程中采用特殊的编码算法,加入附加的ECC检验位代码并保存在硬盘上,当数据重新读出或写入时,通过解码方式去除额外的检验位和原来保存的数据对照,如果编码和解码过程中发生错误,将重新读出数据并保持数据的完整性。
(4)Seashield和DST技术
Seashield是希捷公司推出的新防震保护技术。
Seashield提供了由减震弹性材料制成保护软罩,配合磁头臂及盘片间的加强防震设计,为硬盘提供了高达300G的非操作防震能力。
另一方面它也提供了印刷电路底板静电放电硬罩及其他防损害措施,保证硬盘的可靠性。
DriveSelfTest(DST,驱动器自我测试)功能是希捷新增的数据保护技术,它内建在硬盘的固件中,提供数据的自我检测和诊断功能,在用户卸下硬盘时先进行测试诊断,避免数据无谓的丢失。
(5)DFT技术
DFT(DriveFitnessTest,驱动器健康检测)技术是IBM公司为其PC硬盘开发的数据保护技术,它通过使用DFT程序访问IBM硬盘里的DFT微代码对硬盘进行检测,可以让用户方便快捷地检测硬盘的运转状况。
DFT微代码可以自动对错误事件进行登记,并将登记数据保存到硬盘上的保留区域中。
DFT微代码还可以实时对硬盘进行物理分析,如通过读取伺服位置错误信号来计算出盘片交换、伺服稳定性、重复移动等参数,并给出图形供用户或技术人员参考。
这是一个全新的观念,硬盘子系统的控制信号可以被用来分析硬盘本身的机械状况。
(6)“热拔插”技术。
热拔插SCSI连接/断接功能深受市场的欢迎。
在开启或关闭电源时,硬盘在活跃的SCSI总线上不会造成电源瞬变或数据失误的情况,因此热拔插功能特别适用于阵列应用程式,在拆机安装硬盘时,阵列仍可照常运作而不会中断。
目前IBM、Compaq、HP等品牌服务器都采用了80针热拔插硬盘,并配有专用的硬盘架和电源。
(7)磁盘阵列技术
它起源于集中式大、中、小型计算机网络系统中,专门为主计算机存储系统数据。
随着计算机网络、Internet和Intranet网的普及,磁盘阵列已向我们走来。
为确保网络系统可靠地保存数据,使系统正常运行,磁盘阵列已成为高可靠性网络系统解决方案中不可缺少的存储设备。
磁盘阵列由磁盘阵列控制器及若干性能近似的、按一定要求排列的硬盘组成。
该类设备具有高速度、大容量、安全可靠等特点,通过冗余纠错技术保证设备可靠。
RAID是由几组磁盘驱动器组成,并由一个控制器统一管理,通过在磁盘之间使用镜像数据或数据分割及奇偶校验来实现容错要求,是一种具有较高容错能力的智能化磁盘集合,具有较高的安全性和可靠性。
RAID在现代网络系统中作为海量存储器,广泛用于磁盘服务器中。
用磁盘阵列作为存储设备,可以将单个硬盘的30万小时的平均无故障工作时间(MTBF)提高到80万小时。
磁盘阵列一般通过SCSI接口与主机相连接,目前最快的UltraWideSCSI接口的通道传输速率达到80Mbps。
磁盘阵列通常需要配备冗余设备。
磁盘阵列都提供了电源和风扇作为冗余设备,以保证磁盘阵列机箱内的散热和系统的可靠性。
为使存储数据更加完整可靠,有些磁盘阵列还配置了电池。
在阵列双电源同时掉电时,对磁盘阵列缓存进行保护,以实现数据的完整性。
(8)SAN技术
SAN(StorageAreaNetwork)是存储技术的发展方向之一,SAN是一种与传统存储方式不同的存储结构,在这种结构中存储设备,如磁盘阵列等是通过光纤通道等高速接口直接联到网络上,而不是像以前那样只作为服务器或主机的一部分,这样便于集中管理。
SAN有更高的存储速度、更大的灵活性和更高的故障恢复能力。
SAN可以带来高的数据吞吐能力,并且可以通过光纤内部通道增加连接的距离。
SAN会对服务器的硬盘分配方式
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