qemu模拟磁盘

磁盘的类型

介质

按照磁盘的介质分，有Hard Disk Drive (HDD)和Solid State Drive (SSD)

HDD

机械硬盘即是传统普通硬盘，主要由：磁头组件、磁头驱动机构、盘片组、控制电路和接口等几个部分组成。

机械硬盘中所有的盘片都装在一个旋转轴上，每张盘片之间是平行的，在每个盘片的存储面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小，所有的磁头联在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。盘片的数量和每个盘片的存储容量确定了磁盘的总容量。

• 磁头：负责读写数据
• 盘片：保存写入的数据
• 主轴：转动盘片，将盘片上的指定位置移动到磁头下
• 控制电路：控制硬盘的速度，磁头臂的移动、向磁头下发命令等

SSD

固态驱动器（Solid State Disk或Solid State Drive，简称SSD），俗称固态硬盘，固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘。

固态硬盘不像传统的硬盘采用磁性材料存储数据，而是使用flash技术存储信息。其特点就是断电后数据不消失。

固态硬盘没有内部机械部件，并不代表其生命周期无限，flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。因擦除次数有限，所以固态硬盘也是有生命周期的。

SSD性能优势：

• 响应时间短：SSD硬盘内部没有机械运动部件，省去了寻道时间和机械延迟时间，可更快捷的响应读写请求。
• 读写速率高：SSD通过内部控制器计算出数据的存放位置，并进行速写操作，省去了机械操作时间，大大提高了读写效率。
• 不会产生噪音
• 不会产生大量热量

硬盘关键指标

1. 硬盘容量(volume)：容量的单位为兆字节或千兆字节。影响硬盘容量的因素是盘片数量和单盘容量。
2. 转速(Rotational speed)：硬盘的转速是硬盘盘片每分钟转过的圈数，单位为RPM(rotation per minute)一般硬盘的转速达到5400RPM/7200RPM。SCSI接口硬盘转速可达10000~15000RPM。
3. 平均访问时间(Average Access Time)=平均寻道时间+平均等待时间。
4. 数据传输率(Data Transfer Rate)：硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度。主要有内部传输率和外部传输率。
5. IOPS(Input/Output Per Second)：即每秒输入输出量。

接口

按照磁盘接口区分，目前主流的有以下几种：

• Integrated Drive Electronics (IDE)
• Advanced Technology Attachment (ATA) / Parallel Advanced Technology Attachment (PATA)
• Serial Advanced Technology Attachment (SATA)
• Small Computer System Interface (SCSI)
• Serial Attached SCSI (SAS)
• NVMe (Non-volatile Memory Express)
• U.2

Integrated Drive Electronics (IDE)

IDE接口（Integrated Drive Electronics）是电子集成驱动器，是把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。IDE（Integrated Drive Electronics，电子集成驱动器），包括PIO(Programming I/O)和DMA(Direct Memory Access) 两种传输模式。把盘体与控制器集成在一起减少硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到增强，硬盘制造起来变得更容易的技术。
平常所说的IDE接口，也称之为ATA接口。ATA的英文拼写为“Advanced Technology Attachment”。ATA本身可以支持串行或并行。最快的并行ATA(即ATA/133)所能达到133MB/sec，现在市场上几乎没有IDE接口的硬盘了。
IDE接口的硬盘价格低廉、兼容性强、性价比高。但是，数据传输速度慢、线缆长度过短、连接设备少、不支持热插拔、接口速度的可升级性差。

Advanced Technology Attachment (ATA) / Parallel Advanced Technology Attachment (PATA)

ATA与IDE技术实现的磁盘驱动器关系最密切。
IDE是一种计算机系统接口，主要用于硬盘和CD-ROM，本意为“把控制器与盘体集成在一起的硬盘”。数年以前PC主机使用的硬盘，大多数都是IDE兼容的，只需用一根电缆将它们与主板或适配器连起来就可以了，而目前主要接口为SATA接口。而在SATA技术日益发展下，没有ATA的主板已经出现，而且Intel在新型的芯片组中已经不默认支持ATA接口，主机版厂商需要另加芯片去对ATA作出支持（通常是为了兼容旧有硬盘和光盘驱动器）。
SATA（Serial ATA）于2002年推出后，原有的ATA改名为PATA（并行高技术配置，Parallel ATA）。2013年12月29日，西部数据正式停止PATA硬盘供应，而希捷科技则已停售产多年，这意味着1986年设计的PATA接口在经历27年后正式退出历史舞台。
一般说来，ATA是一个控制器技术，而IDE是一个匹配它的磁盘驱动器技术，但是两个术语经常可以互用。ATA是一个花费低而性能适中的接口，主要是针对台式机而设计的，销售的大多数ATA控制器和IDE磁盘都是更高版本的，称为ATA - 2和ATA - 3，与之匹配的磁盘驱动器称为增强的IDE。

SATA(Serial ATA)

串行ATA。SATA采用串行方式进行数据传输，采用点对点连接方式，支持热插拔，即插即用，SATA的主机接口协议是AHCI(Advanced Host Controller Interface)。

msata是SATA协会(Serial ATA International Organization;SATA-IO)开发的新的mini-SATA(mSATA)接口控制器的产品规范，新的控制器可以让 SATA技术整合在小尺寸的装置上，外型和针脚排布与mini PCI-E完全相同，但针脚信号定义不同，两者互不兼容

Small Computer System Interface (SCSI)

SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口），使用50针接口，外观和普通硬盘接口有些相似。用在服务器上面比较多，速度快，稳定性很好，比较适合做磁盘阵列。
SCSI的进化型是SAS（Serial Attached SCSI，串行SCSI），而SCSI并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔等优点。

Serial Attached SCSI (SAS)

SAS（Serial Attached SCSI，串行SCSI）是新一代的SCSI技术，和现在流行的Serial ATA(SATA)硬盘相同，都是采用串行技术以获得更高的传输速度，并通过缩短连结线改善内部空间等。SAS是并行SCSI接口之后开发出的全新接口，此接口的设计是为了改善存储系统的效能、可用性和扩充性，并且提供与SATA硬盘的兼容性。

NVMe (Non-volatile Memory Express)

NVM Express（缩写NVMe），或称非易失性内存主机控制器接口规范（英语：Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification，缩写：NVMHCIS），是一个逻辑设备接口规范。它是基于设备逻辑接口的总线传输协议规范（相当于通讯协议中的应用层），用于访问通过PCI Express（PCIe）总线附加的非易失性存储器介质（例如采用闪存的固态盘机），虽然理论上不一定要求PCIe总线协议。NVMe是一种协议，是一组允许SSD使用PCIe总线的软硬件标准；而PCIe是实际的物理连接通道。
nvme只是一种接口规范，对应的硬盘一般有不同的接口：

• pcie接口
• m.2接口

U.2接口

U.2接口是一种用于连接高速存储设备的接口，它是由SATA-IO组织（Serial ATA International Organization）定义的，旨在取代传统的SAS（Serial Attached SCSI）接口。

磁盘板卡

服务器上的磁盘一般都是通过一张板卡来和主板连接，一般有以下几种：

• HBA卡
  HBA卡，全称Host Bus Adapter，是一种硬件接口卡，用于连接服务器和存储设备。它使得服务器能够直接访问存储设备，而无需经过网络。HBA卡支持多种存储协议，如SCSI、SAS和SATA，使得服务器能够轻松地与各种类型的存储设备进行交互。

• RAID卡
  RAID卡是一种专为存储阵列而设计的硬件接口卡。它通过在物理层或逻辑层实现数据冗余，提高了数据的可靠性和性能。RAID卡支持多种RAID级别，可以根据不同的应用需求进行选择。
  RAID卡可以看做是一个微型计算机系统，阵列卡通过一个ROC（raid-on-chip）芯片来完成对存储设备的管理，并按需模拟磁盘给计算机使用，硬盘本身对操作系统不透明，由阵列卡管理。

qemu模拟

先大致看下qemu可以模拟的存储设备：

Storage devices:
name "am53c974", bus PCI, desc "AMD Am53c974 PCscsi-PCI SCSI adapter"
name "cxl-type3", bus PCI, desc "CXL Memory Device (Type 3)"
name "dc390", bus PCI, desc "Tekram DC-390 SCSI adapter"
name "floppy", bus floppy-bus, desc "virtual floppy drive"
name "ich9-ahci", bus PCI, alias "ahci"
name "ide-cd", bus IDE, desc "virtual IDE CD-ROM"
name "ide-cf", bus IDE, desc "virtual CompactFlash card"
name "ide-hd", bus IDE, desc "virtual IDE disk"
name "isa-fdc", bus ISA, desc "virtual floppy controller"
name "isa-ide", bus ISA
name "lsi53c810", bus PCI
name "lsi53c895a", bus PCI, alias "lsi"
name "megasas", bus PCI, desc "LSI MegaRAID SAS 1078"
name "megasas-gen2", bus PCI, desc "LSI MegaRAID SAS 2108"
name "mptsas1068", bus PCI, desc "LSI SAS 1068"
name "nvdimm", desc "DIMM memory module"
name "nvme", bus PCI, desc "Non-Volatile Memory Express"
name "nvme-ns", bus nvme-bus, desc "Virtual NVMe namespace"
name "nvme-subsys", desc "Virtual NVMe subsystem"
name "piix3-ide", bus PCI
name "piix4-ide", bus PCI
name "pvscsi", bus PCI
name "scsi-block", bus SCSI, desc "SCSI block device passthrough"
name "scsi-cd", bus SCSI, desc "virtual SCSI CD-ROM"
name "scsi-generic", bus SCSI, desc "pass through generic scsi device (/dev/sg*)"
name "scsi-hd", bus SCSI, desc "virtual SCSI disk"
name "sd-card", bus sd-bus
name "sd-card-spi", bus sd-bus, desc "SD SPI"
name "sdhci-pci", bus PCI
name "ufs", bus PCI, desc "Universal Flash Storage"
name "usb-bot", bus usb-bus
name "usb-mtp", bus usb-bus, desc "USB Media Transfer Protocol device"
name "usb-storage", bus usb-bus
name "usb-uas", bus usb-bus
name "vhost-scsi", bus virtio-bus
name "vhost-scsi-pci", bus PCI
name "vhost-scsi-pci-non-transitional", bus PCI
name "vhost-scsi-pci-transitional", bus PCI
name "vhost-user-blk", bus virtio-bus
name "vhost-user-blk-pci", bus PCI
name "vhost-user-blk-pci-non-transitional", bus PCI
name "vhost-user-blk-pci-transitional", bus PCI
name "vhost-user-fs-device", bus virtio-bus
name "vhost-user-fs-pci", bus PCI
name "vhost-user-scsi", bus virtio-bus
name "vhost-user-scsi-pci", bus PCI
name "vhost-user-scsi-pci-non-transitional", bus PCI
name "vhost-user-scsi-pci-transitional", bus PCI
name "virtio-9p-device", bus virtio-bus
name "virtio-9p-pci", bus PCI, alias "virtio-9p"
name "virtio-9p-pci-non-transitional", bus PCI
name "virtio-9p-pci-transitional", bus PCI
name "virtio-blk-device", bus virtio-bus
name "virtio-blk-pci", bus PCI, alias "virtio-blk"
name "virtio-blk-pci-non-transitional", bus PCI
name "virtio-blk-pci-transitional", bus PCI
name "virtio-pmem", bus virtio-bus
name "virtio-scsi-device", bus virtio-bus
name "virtio-scsi-pci", bus PCI, alias "virtio-scsi"
name "virtio-scsi-pci-non-transitional", bus PCI
name "virtio-scsi-pci-transitional", bus PCI

模拟IDE 磁盘

qemu-system-x86_64 -m 2G --enable-kvm -smp 4 -hda linux-bios.qcow2直接用-hda参数启动的磁盘默认为IDE磁盘。

或者用qemu-system-x86_64 -m 2G --enable-kvm -smp 4 -drive file=linux-bios.qcow2,if=ide 指定if为ide。
sda是通过-hda启动的磁盘

可以看到是IDE。

模拟scsi磁盘

打算按照qemu官方文档的说明创建scsi磁盘：
但是总是报错：qemu-system-x86_64: -drive file=linux-bios.qcow2,if=scsi,index=0: machine type does not support if=scsi,bus=0,unit=0 。最后，参考qemu 2.12 does not support if=scsi，qemu在2.12版本之后就不支持这个选项了，最后使用如下的命令：

qemu-system-x86_64 -m 2G  --enable-kvm -smp 4 \
-device virtio-scsi-pci,id=scsi \
-drive file=linux-bios.qcow2,id=root-img,if=none,format=qcow2,cache=none \
-device scsi-hd,drive=root-img

其中：

• 第一行添加了virtio-scsi-pci设备
• 第二行添加了一个文件作为磁盘后端
• 第三行添加了一个scsi-hd设备并将前面两者联系起来
  

模拟nvme磁盘

qemu-system-x86_64 -m 2G  --enable-kvm -smp 4 \
-drive file=linux-bios.qcow2,if=ide \
-drive file=disk1.qcow2,if=none,id=nvm \
-device nvme,serial=deadbeef,drive=nvm

可以看出来，新增加的盘已经是一块nvme磁盘了，并且也增加了一个nvme控制器。

模拟HBA 卡

megasas

$ qemu-system-x86_64 -m 2G --enable-kvm -smp 4 \
-drive file=linux-bios.qcow2,if=ide \
-device megasas,id=scsi0 \
-device scsi-hd,drive=drive0,bus=scsi0.0,channel=0,scsi-id=0,lun=0 \
-drive file=disk1.qcow2,if=none,id=drive0 \
-device scsi-hd,drive=drive1,bus=scsi0.0,channel=0,scsi-id=1,lun=0 \
-drive file=disk2.qcow2,if=none,id=drive1

查看启动日志：


根据scsi id信息（SCSI设备id：host, channel,id,lun），

可以得到下面的拓扑图：

lsi53c895a

$ qemu-system-x86_64 -m 2G  --enable-kvm -smp 4 \
-drive file=linux-bios.qcow2,if=ide \
-device lsi53c895a,id=scsi0 \
-device scsi-hd,drive=drive0,bus=scsi0.0,channel=0,scsi-id=0,lun=0 \
-drive file=disk1.qcow2,if=none,id=drive0 \
-device scsi-hd,drive=drive1,bus=scsi0.0,channel=0,scsi-id=1,lun=0 \
-drive file=disk2.qcow2,if=none,id=drive1

查看启动日志

对应的拓扑如下：

virtio-scsi

$ qemu-system-x86_64 -m 2G  --enable-kvm -smp 4 \
-drive file=linux-bios.qcow2,if=ide \
-device virtio-scsi-pci,id=scsi0,num_queues=4 \
-device scsi-hd,drive=drive0,bus=scsi0.0,channel=0,scsi-id=0,lun=0 \
-drive file=disk1.qcow2,if=none,id=drive0 \
-device scsi-hd,drive=drive1,bus=scsi0.0,channel=0,scsi-id=0,lun=1 \
-drive file=disk2.qcow2,if=none,id=drive1

拓扑结构：

virtio-blk

virtio-scsi和virtio-blk都是磁盘的半虚拟化驱动，virtio-scsi解决了virtio-blk的一些限制，具体对比可以参考：Configuring virtio-blk and virtio-scsi Devices

$ qemu-system-x86_64 -m 2G  --enable-kvm -smp 4 \
-drive file=linux-bios.qcow2,if=ide \
-device virtio-blk-pci,drive=drive0,id=virtblk0,num-queues=4 \
-drive file=disk1.qcow2,if=none,id=drive0

参考

How to emulate block devices with QEMU
Removed features
An Overview of QEMU Storage Features
Configuring virtio-blk and virtio-scsi Devices
NVMe Emulation
Block device options
qemu-blog
常见硬盘分类介绍
Types of Hard Drives – SATA, PATA, SCSI, and SSD
SSD Form Factors
几个硬盘接口协议的总结
HBA卡与RAID卡详解：使用方法、优缺点与适用场景
硬阵列卡（raid卡）和直通卡（hba卡）到底有什么不同
QEMU/Options
virtio-scsi和virtio-blk的理解
The next-generaion storage inerface for the red hat enterprise Linux kernel virual machine: VIRTIO-SCSI
Features/VirtioSCSI
virtio-scsi驱动
Implementing a virtio-blk driver in my own operating system