💿 Stockage : HDD & SSD
Bloc 1
Module 1.2
BTS SIO SISR
| Formation | BTS SIO option SISR — IRIS Mediaschool |
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| Bloc | B1 — Infrastructure & Réseaux |
|---|
| Module | M1.2 — Architecture Matérielle |
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| Prérequis | C1.2.3 — La Carte Mère |
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🎯 Objectifs
- Comprendre le fonctionnement mécanique d'un disque dur (HDD)
- Comprendre le fonctionnement d'un SSD (mémoire NAND Flash)
- Connaître les interfaces de connexion (SATA, M.2, NVMe, SAS)
- Comparer les performances HDD vs SSD
- Maîtriser les niveaux RAID et leur usage en contexte serveur
- Connaître les systèmes de fichiers principaux et le partitionnement
- Comprendre les architectures de stockage réseau (DAS, NAS, SAN)
📖 Introduction au stockage
Mémoire de masse vs mémoire vive
Contrairement à la RAM qui est volatile (les données disparaissent à l'extinction), le stockage est une mémoire de masse persistante : les données sont conservées même sans alimentation électrique. Le stockage constitue la couche la plus basse de la hiérarchie mémoire en termes de vitesse, mais la plus haute en termes de capacité.
Hiérarchie mémoire
| Niveau | Type | Capacité typique | Latence | Persistance |
|---|
| 1 | Registres CPU | quelques Ko | < 1 ns | Non |
| 2 | Cache L1/L2/L3 | 4-64 Mo | 1-10 ns | Non |
| 3 | RAM (DDR) | 8-128 Go | 50-100 ns | Non |
| 4 | SSD NVMe | 250 Go - 8 To | 10-50 µs | Oui |
| 5 | SSD SATA | 120 Go - 4 To | 50-100 µs | Oui |
| 6 | HDD | 500 Go - 20 To | 5-15 ms | Oui |
| 7 | Bande magnétique (LTO) | 6-18 To | secondes | Oui |
📖 Le disque dur mécanique (HDD)
Fonctionnement
Le HDD (Hard Disk Drive) est un dispositif de stockage magnétique. Il est composé de :
- Plateaux (platters) : disques en verre ou aluminium recouverts d'une couche magnétique. Les données sont stockées sous forme de variations magnétiques.
- Têtes de lecture/écriture : montées sur un bras mobile (actuator), elles survolent le plateau à quelques nanomètres sans le toucher.
- Moteur (spindle motor) : fait tourner les plateaux à vitesse constante.
- Contrôleur : circuit électronique sur le PCB du disque, gère les opérations de lecture/écriture.
Organisation des données
- Piste (track) : cercle concentrique sur un plateau
- Secteur (sector) : plus petite unité adressable, traditionnellement 512 octets, aujourd'hui souvent 4 Ko (Advanced Format)
- Cylindre : ensemble des pistes de même rayon sur tous les plateaux
- Cluster : groupe de secteurs constituant l'unité d'allocation du système de fichiers
Vitesse de rotation
| RPM | Usage typique | Débit séquentiel | Temps d'accès |
|---|
| 5 400 | Stockage externe, NAS économique | 80-120 Mo/s | 12-15 ms |
| 7 200 | Desktop, NAS standard | 120-200 Mo/s | 8-12 ms |
| 10 000 | Serveurs (WD VelociRaptor) | 150-220 Mo/s | 5-8 ms |
| 15 000 | Serveurs SAS entreprise | 200-300 Mo/s | 3-5 ms |
Avantages et inconvénients du HDD
- ✅ Coût par Go très faible (~0,02 €/Go en 2025)
- ✅ Grandes capacités (jusqu'à 24 To en 2025)
- ✅ Durée de vie en écriture illimitée (pas de limite TBW)
- ❌ Lent en accès aléatoire (pièces mécaniques mobiles)
- ❌ Fragile aux chocs et vibrations
- ❌ Bruyant et consommateur d'énergie
📖 Le SSD (Solid State Drive)
Fonctionnement
Le SSD utilise de la mémoire NAND Flash pour stocker les données. Contrairement au HDD, il n'a aucune pièce mécanique mobile. Les données sont stockées dans des cellules de mémoire organisées en pages (4-16 Ko) et blocs (256-512 pages).
Types de cellules NAND
| Type | Bits/cellule | Endurance (cycles P/E) | Vitesse | Coût | Usage |
|---|
| SLC (Single-Level Cell) | 1 | 50 000 - 100 000 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | Très élevé | Serveurs, datacenter |
| MLC (Multi-Level Cell) | 2 | 10 000 - 30 000 | ⭐⭐⭐⭐ | Élevé | Entreprise, workstation |
| TLC (Triple-Level Cell) | 3 | 1 000 - 3 000 | ⭐⭐⭐ | Moyen | Grand public, standard |
| QLC (Quad-Level Cell) | 4 | 500 - 1 000 | ⭐⭐ | Faible | Stockage secondaire, archive |
Composants internes d'un SSD
- Puces NAND Flash : les cellules de stockage elles-mêmes
- Contrôleur : le « cerveau » du SSD, gère les opérations de lecture/écriture, le wear leveling, le garbage collection, le TRIM, la correction d'erreurs (ECC)
- Cache DRAM : mémoire tampon pour accélérer les opérations (absent sur les SSD DRAM-less d'entrée de gamme)
- Cache SLC : zone de NAND TLC/QLC fonctionnant en mode SLC pour des écritures rapides (ex : Samsung Intelligent TurboWrite)
Technologies importantes
- TRIM : commande OS → SSD indiquant les blocs qui ne sont plus utilisés, permettant au garbage collector de les recycler efficacement
- Wear Leveling : répartition uniforme des écritures sur toutes les cellules pour maximiser la durée de vie
- Over-Provisioning : espace réservé (7-28%) non accessible par l'utilisateur, utilisé pour le wear leveling et le remplacement de cellules défaillantes
- TBW (Terabytes Written) : endurance totale en écriture garantie par le fabricant
📖 Interfaces de connexion
| Interface | Protocole | Débit max théorique | Form Factor | Usage |
|---|
| SATA III | AHCI | 600 Mo/s (6 Gbit/s) | 2.5" / 3.5" | HDD, SSD entrée de gamme |
| M.2 SATA | AHCI | 600 Mo/s | M.2 (clé B+M) | SSD compacts (même vitesse que SATA câble) |
| M.2 NVMe Gen3 | NVMe | 3 500 Mo/s (PCIe 3.0 x4) | M.2 (clé M) | SSD haute performance |
| M.2 NVMe Gen4 | NVMe | 7 000 Mo/s (PCIe 4.0 x4) | M.2 (clé M) | SSD gaming, workstation |
| M.2 NVMe Gen5 | NVMe | 14 000 Mo/s (PCIe 5.0 x4) | M.2 (clé M) | SSD dernière génération |
| U.2 | NVMe | 3 500 - 7 000 Mo/s | 2.5" (connecteur U.2) | Serveurs, datacenter |
| SAS-3 | SCSI | 1 200 Mo/s (12 Gbit/s) | 2.5" / 3.5" | Serveurs entreprise |
| SAS-4 | SCSI | 2 400 Mo/s (24 Gbit/s) | 2.5" / 3.5" | Serveurs haute performance |
M.2 : clés B et M
Le form factor M.2 (anciennement NGFF) utilise un système de clés (encoches) pour déterminer le protocole :
- Clé B : SATA ou PCIe x2 (encoche à gauche)
- Clé M : PCIe x4 NVMe (encoche à droite) — le plus courant pour les SSD rapides
- Clé B+M : compatible les deux slots (généralement SATA)
Les tailles standard M.2 : 2230, 2242, 2260, 2280 (largeur × longueur en mm). Le 2280 est le plus répandu.
📖 Performances comparées HDD vs SSD
| Critère | HDD 7200 RPM | SSD SATA | SSD NVMe Gen4 |
|---|
| Lecture séquentielle | 150-200 Mo/s | 500-560 Mo/s | 5 000-7 000 Mo/s |
| Écriture séquentielle | 130-180 Mo/s | 450-530 Mo/s | 4 000-6 500 Mo/s |
| IOPS lecture (4K aléatoire) | 80-150 | 70 000-100 000 | 500 000-1 000 000 |
| IOPS écriture (4K aléatoire) | 80-150 | 50 000-90 000 | 400 000-800 000 |
| Latence | 5-15 ms | 50-100 µs | 10-30 µs |
| Consommation | 6-8 W | 2-3 W | 3-8 W |
| Bruit | Audible (mécanique) | Silencieux | Silencieux |
| Résistance aux chocs | Fragile | Résistant | Résistant |
| Prix par Go (2025) | ~0,02 € | ~0,06 € | ~0,08 € |
| Capacité max | 24 To | 4 To | 8 To |
📖 RAID
Principe
Le RAID (Redundant Array of Independent Disks) est une technologie qui combine plusieurs disques pour améliorer les performances, la redondance ou les deux. Le RAID peut être implémenté :
- Matériel : contrôleur RAID dédié (carte PCIe ou chipset), le plus fiable
- Logiciel : géré par l'OS (mdadm sous Linux, Espaces de stockage sous Windows)
- Faux RAID (FakeRAID) : RAID chipset (Intel RST), hybride peu recommandé
Niveaux RAID
| RAID | Nom | Disques min | Technique | Capacité utile | Tolérance panne | Performances |
|---|
| RAID 0 | Striping | 2 | Données réparties en bandes sur tous les disques | 100% | Aucune (1 disque HS = tout perdu) | Lecture ⬆⬆ Écriture ⬆⬆ |
| RAID 1 | Mirroring | 2 | Duplication des données sur 2 disques | 50% | 1 disque | Lecture ⬆ Écriture = |
| RAID 5 | Striping + Parité | 3 | Données + parité distribuées sur tous les disques | (N-1)/N | 1 disque | Lecture ⬆⬆ Écriture ⬆ |
| RAID 6 | Double parité | 4 | Comme RAID 5 mais avec 2 blocs de parité | (N-2)/N | 2 disques | Lecture ⬆⬆ Écriture = |
| RAID 10 | Mirroring + Striping | 4 | RAID 0 de paires RAID 1 | 50% | 1 disque par paire | Lecture ⬆⬆ Écriture ⬆⬆ |
Exemple : RAID 5 avec 4 disques de 2 To
- Capacité utile : (4-1) × 2 = 6 To
- Tolérance : 1 disque peut tomber en panne sans perte
- En cas de panne, le contrôleur reconstruit les données à partir de la parité
RAID sous Linux (mdadm)
# Créer un RAID 5 avec 3 disques
sudo mdadm --create /dev/md0 --level=5 --raid-devices=3 /dev/sdb /dev/sdc /dev/sdd
# Vérifier l'état du RAID
cat /proc/mdstat
# Détail du RAID
sudo mdadm --detail /dev/md0
📖 Systèmes de fichiers
| Système | OS principal | Taille max fichier | Taille max volume | Journalisation | Usage typique |
|---|
| NTFS | Windows | 16 Eo | 256 To | Oui | Disques système Windows, serveurs |
| ext4 | Linux | 16 To | 1 Eo | Oui | Distributions Linux standard |
| XFS | Linux | 8 Eo | 8 Eo | Oui | Serveurs, gros fichiers, RHEL |
| ZFS | FreeBSD, Linux | 16 Eo | 256 Zo | CoW | NAS, stockage entreprise, snapshots |
| Btrfs | Linux | 16 Eo | 16 Eo | CoW | Snapshots, compression, SUSE |
| FAT32 | Universel | 4 Go | 2 To | Non | Clés USB, cartes SD, ESP |
| exFAT | Universel | 16 Eo | 128 Po | Non | Clés USB > 4 Go, SDXC |
Formater un disque sous Linux
# Formater en ext4
sudo mkfs.ext4 /dev/sdb1
# Formater en XFS
sudo mkfs.xfs /dev/sdb1
# Monter le système de fichiers
sudo mount /dev/sdb1 /mnt/data
# Montage permanent (fstab)
echo '/dev/sdb1 /mnt/data ext4 defaults 0 2' | sudo tee -a /etc/fstab
📖 Partitionnement
MBR vs GPT (rappel)
Voir le cours C1.2.4 (BIOS/UEFI) pour la comparaison détaillée. En résumé :
- MBR : 4 partitions primaires max, limite 2 To, compatible BIOS Legacy
- GPT : 128 partitions, pas de limite pratique, requis pour UEFI
Outils de partitionnement
| Outil | OS | Type | GPT | Description |
|---|
fdisk | Linux | CLI | Oui (récent) | Outil classique, interactif |
gdisk | Linux | CLI | Oui | Version GPT de fdisk |
parted | Linux | CLI | Oui | Outil avancé, scriptable |
| GParted | Linux | GUI | Oui | Interface graphique, Live USB |
| Gestion des disques | Windows | GUI | Oui | diskmgmt.msc |
diskpart | Windows | CLI | Oui | Outil en ligne de commandes |
Exemples pratiques
# Lister les disques et partitions
lsblk
# Partitionner avec fdisk
sudo fdisk /dev/sdb
# Commandes : n (new), p (print), d (delete), w (write), q (quit)
# Partitionner en GPT avec parted
sudo parted /dev/sdb mklabel gpt
sudo parted /dev/sdb mkpart primary ext4 1MiB 100%
📖 Stockage réseau : DAS, NAS, SAN
Comparaison des architectures
| Architecture | Connexion | Protocole | Accès | Usage typique |
|---|
| DAS (Direct Attached Storage) | Câble direct (SATA, USB, SAS) | Bloc | Un seul serveur | Poste de travail, petit serveur |
| NAS (Network Attached Storage) | Réseau Ethernet (RJ45) | SMB/CIFS, NFS | Fichier (partage réseau) | PME, partage de fichiers, sauvegarde |
| SAN (Storage Area Network) | Réseau dédié (FC, iSCSI) | Bloc (iSCSI, Fibre Channel) | Bloc (vu comme disque local) | Datacenter, virtualisation, BDD |
NAS en détail
- Appareil autonome avec son propre OS (Synology DSM, QNAP QTS, TrueNAS)
- Accessible via le réseau :
\\nas\partage (SMB) ou mount -t nfs nas:/export /mnt
- Souvent équipé de RAID pour la redondance
- Services supplémentaires : sauvegarde, surveillance vidéo, serveur multimédia
SAN en détail
- Fibre Channel : réseau dédié haute performance (16/32/64 Gbit/s), câblage fibre optique, coûteux
- iSCSI : protocole SCSI encapsulé dans TCP/IP, utilise le réseau Ethernet existant, moins cher
- Le serveur voit le stockage SAN comme un disque local (LUN — Logical Unit Number)
- Idéal pour la virtualisation (migration à chaud des VM entre serveurs)
📖 Diagnostic et surveillance
S.M.A.R.T.
S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) est un système de surveillance intégré aux disques HDD et SSD. Il collecte des indicateurs de santé pour anticiper les défaillances.
Attributs S.M.A.R.T. importants
| Attribut | Description | Seuil critique |
|---|
| Reallocated Sectors Count | Secteurs défectueux remplacés | > 0 = attention |
| Power-On Hours | Heures de fonctionnement | Informatif |
| Temperature | Température du disque | > 55°C pour HDD |
| Wear Leveling Count (SSD) | Usure des cellules NAND | < 10% = remplacement |
| Media Wearout Indicator (SSD) | Durée de vie restante | 0 = fin de vie |
Commandes de diagnostic
# Linux - Lister les disques
lsblk -f
# Espace disque utilisé
df -h
# Performances I/O en temps réel
iostat -x 2
# S.M.A.R.T. - État de santé
sudo smartctl -a /dev/sda
# S.M.A.R.T. - Test rapide
sudo smartctl -t short /dev/sda
# Windows - Crystal Disk Info (GUI)
# ou en PowerShell :
Get-PhysicalDisk | Get-StorageReliabilityCounter
📝 QCM — Testez vos connaissances
- Quelle est la principale différence entre HDD et SSD ?
- Quel type de cellule NAND offre la meilleure endurance ?
- Quel débit maximal offre l'interface SATA III ?
- Quel niveau RAID offre de la redondance sans perte de capacité ?
- Que surveille la technologie S.M.A.R.T. ?
- Quelle est la différence entre NAS et SAN ?
- Quel système de fichiers est le standard Linux ?
- Combien de disques minimum faut-il pour un RAID 5 ?
📝 Afficher les corrections
- Le HDD est mécanique, le SSD utilise de la mémoire Flash — Le HDD stocke les données sur des plateaux magnétiques rotatifs, le SSD sur des puces NAND Flash sans pièces mobiles.
- SLC (Single-Level Cell) — Le SLC stocke 1 bit par cellule avec 50 000-100 000 cycles d'écriture, idéal pour les serveurs.
- 600 Mo/s — SATA III (6 Gbit/s) plafonne à environ 600 Mo/s, limitant les performances des SSD.
- Aucun, RAID 1 perd 50% de capacité — Tous les niveaux RAID avec redondance sacrifient de la capacité : RAID 1 (50%), RAID 5 (1 disque), RAID 6 (2 disques).
- L'état de santé des disques — S.M.A.R.T. collecte des indicateurs (secteurs réalloués, température, heures de fonctionnement) pour anticiper les pannes.
- Le NAS partage des fichiers, le SAN partage du stockage bloc — Le NAS utilise SMB/NFS (accès fichier), le SAN utilise iSCSI/FC (accès bloc, vu comme disque local).
- ext4 — ext4 est le système de fichiers par défaut de la plupart des distributions Linux.
- 3 — Le RAID 5 nécessite au minimum 3 disques pour distribuer les données et la parité.
💡 À retenir
Le stockage se divise entre HDD (magnétique, grande capacité, lent) et SSD (NAND Flash, rapide, compact). Les interfaces vont du SATA (600 Mo/s) au NVMe Gen5 (14 Go/s). En contexte serveur, le RAID assure redondance et performance, tandis que les architectures NAS (partage fichiers) et SAN (stockage bloc) répondent aux besoins de stockage en réseau. La surveillance S.M.A.R.T. permet d'anticiper les pannes.
